Pd/Ag薄膜PM-PCF(6)，传 输光纤3(7)，传输光纤4(8)，光谱仪(9)，恒温气室（10)组成，其特征在于：宽带光源（1)和偏 振控制器(2)相连，偏振控制器(2)通过传输光纤1(3)与3dB耦合器(4)入射端相连，3dB耦合 器(4 )的一个出射端通过传输光纤2 (5 )与镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF( 6 )的左端相连，另一个出 射端与传输光纤3(7)相连;3dB耦合器(4)的透射端通过传输光纤4(8)与光谱仪(9)相连；图 2所示，镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF( 6)的左端与传输光纤2 (5 )熔接，在PM-PCF外周上均匀溅射 Pd/Ag合金薄膜，镀膜区域的横截面如图3所示，图3中灰色部分为Pd/Ag合金薄膜;图2所示， 镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF(6)和传输光纤3(7)的右端面分别涂覆A1反射膜，平行置于恒温气室 (1 〇 )内。所述的镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF(6)长度为5cm~8cm，选用的保偏光子晶体光纤的优选 型号是LMA-PM-15，Pd/Ag合金薄膜的膜厚为40nm~50nm，Ag质量分数为20%~25%，工作波长在 1550nm。本实用新型的工作原理是：宽带光源（1)发射中心波长1550nm的激光，通过偏振控 制器(2)得到一束线偏振光，沿传输光纤1(3)入射3dB親合器(4)分为两束相同的光分别入 射到传输光纤3(7)和沿传输光纤2(5)直接耦合至镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF(6)中，构成全光纤 Michelson干涉仪。PM-PCF在外周上均匀溅射Pd/Ag合金薄膜作为敏感区，在Pd/Ag薄膜吸收 氢气发生体积膨胀后，挤压包层中的空气孔导致镀膜区域中传输模式的相位改变，与分光 后的另一束光出现恒定的相位差。两束光经端面高反射率的A1反射膜反射后，在3dB耦合器 (4 )的透射端汇合并发生干涉，干涉光谱经传输光纤4 (8 )被光谱仪(9 )接收。可知，干涉光谱 漂移量与氢气浓度之间存在对应关系，从而实现对氢气浓度的高精度检测。
[0027]进行氢气浓度检测实验时，将镀有Pd/Ag薄膜PM_PCF(6)和传输光纤3(7)通过夹具 固定在恒温气室（10)底部，打开宽带光源（1)输出。温度调节机构设定恒温气室（10)处于25 摄氏度恒温，打开气瓶阀门向恒温气室（10)内持续通入纯度99. 99%的氮气，干涉光谱稳定 后残余空气已经排尽，记录第m级波谷波长初始值。实验过程中，首先持续稳定通入0.5%浓 度的氢气直到干涉光谱稳定，记录第m级波谷波长值和氢气浓度，再持续稳定通入1.0%浓度 的氢气，干涉光谱稳定后再次记录第m级波谷波长值和氢气浓度，以此类推，依次通入浓度 从0. 5%至5. 0%，以0. 5%为步进间隔的等浓度梯度的氢气进行标定。利用氢气浓度-第m级 波谷波长数据计算氢气浓度-波谷波长漂移量数据，经拟合后得到氢气浓度-波谷波长漂移 量近似的函数关系，计算拟合度。
[0028]针对PM-PCF进行温度特性验证实验时，将镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF(6)和传输光纤3 (7)通过夹具固定在恒温气室（10)底部，打开宽带光源（1)输出。打开气瓶阀门向恒温气室 (10)内持续通入纯度99. 99%的氮气，干涉光谱稳定后残余空气已经排尽。通过温度调节机 构设置恒温气室（10)的温度从10摄氏度开始，以5摄氏度为步进间隔，逐渐升温至60摄氏 度，温度传感器对恒温气室（10)内气体温度进行实时测量。每个温度点保持5分钟后才记录 此时的温度和第m级波谷波长值。利用温度-第m级波谷波长数据计算温度-波谷波长漂移量 数据，若温度变化引入的波长漂移小于氢气浓度变化引起的波长漂移一个数量级，则证明 传感器的温度系数足够小。
[0029]本实用新型的有益效果是：（1)选用温度特性优良的PM-PCF制作对温度不敏感的 光纤氢气传感器，无需温度补偿环节，有效简化仪器结构，节约制作成本;（2)Ag能有效抑制 Pd结合氢分子发生相变，稳定金属晶格结构，Pd/Ag合金缓解Pd涂层表面起泡、层错现象， 提高敏感膜的机械性能，延长装置使用寿命；（3)该传感器体积小，探头式结构有利于构建 分布式测量，抗电磁干扰，灵敏度优于光纤光栅型氢气传感器。因此，本实用新型具有结构 简单，灵敏度高，有效抑制环境温度波动干扰检测等优点，为氢气浓度在线监测提供了一种 切实可行的方案。
【主权项】
1. 一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器，由宽带光源（1)，偏振控制器 (2)，传输光纤1 (3)，3dB耦合器(4)，传输光纤2(5)，镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF(6)，传输光纤3 (7)，传输光纤4(8)，光谱仪(9)，恒温气室（10)组成，其特征在于：宽带光源（1)和偏振控制 器(2)相连，偏振控制器(2)通过传输光纤1(3)与3dB耦合器(4)入射端相连，3dB耦合器(4) 的一个出射端通过传输光纤2 (5 )与镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF( 6 )的左端相连，另一个出射端与 传输光纤3(7)相连;3dB耦合器(4)的透射端通过传输光纤4(8)与光谱仪(9)相连;镀有Pd/ Ag薄膜PM-PCF(6)的左端与传输光纤2(5)熔接，在PM-PCF外周上均匀溅射Pd/Ag合金薄膜； 镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF(6)和传输光纤3(7)的右端面分别涂覆A1反射膜，平行置于恒温气室 (10)内。2. 根据权利要求1所述的一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器，其特征 在于：所述的镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF(6)长度为5cm~8cm，Pd/Ag合金薄膜的膜厚为40nm~ 50nm，Ag质量分数为20%~25%〇3. 根据权利要求1所述的一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器，其特征 在于:所述的镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF(6 )选用的保偏光子晶体光纤的优选型号是LMA-PM-15， 工作波长在1550nm〇
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于PM-PCF的Michelson干涉型光纤氢气传感器，由宽带光源，偏振控制器，传输光纤1，3dB耦合器，传输光纤2，镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF，传输光纤3，传输光纤4，光谱仪，恒温气室组成。宽带光源发射的激光通过偏振控制器得到一束线偏振光，经3dB耦合器分为两束相同的光分别入射到镀有Pd/Ag薄膜PM-PCF和传输光纤3中。由于Pd/Ag薄膜吸氢膨胀挤压PM-PCF内空气孔，镀膜区域中传输模式的相位改变，两束光经端面反射后在3dB耦合器的透射端汇合，因存在恒定相位差发生干涉，干涉光谱被光谱仪接收。干涉光谱漂移量与氢气浓度之间存在对应关系，实现了氢气浓度的精确测量。该发明结构简单，灵敏度高，温度漂移小，为氢气浓度在线监测提供了一种切实可行的方案。
【IPC分类】G01N21/45, G01N21/25
【公开号】CN205080057
【申请号】CN201520880475
【发明人】包立峰, 沈常宇
【申请人】包立峰
【公开日】2016年3月9日
【申请日】2015年11月7日