专利名称：基于外差干涉的光纤氢气传感装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种通过光纤传感精确测量气体中氢气浓度的基于外差干涉的光纤氢传感装置和方法。
背景技术：
氢能作为最清洁、可再生的能源在航空、化工、新型燃料汽车领域中的应用日益增多。而氢气泄露是造成许多事故的直接原因，因此研发出安全、高效的氢气传感器十分必要。现有氢气传感器包含电化学型、热电型、半导体型和光纤型四类。其中光纤型氢传感器具有以下几个优点(1)良好的抗电磁干扰能力；( 利用光信号检测，不用加热或者电信号，更安全；(3)适当波长的光和光纤能够实现远距离检测，因此拓展了其适用范围。以往研发的光纤氢气传感器，都是把厚度在几十至几十微米的钯膜溅射到光纤的端面或者表面，通过氢气和钯膜反应，使得在光纤中传输的光的强度或者频率随着氢气浓度变化而变化，从而测量氢气的浓度。不过由于钯膜比较薄，在和氢气反复发生反应后容易脱落，使用寿命较短。另外，氢气浓度的测量精度也相对较差，不利于商业推广。
发明内容
本发明提供了一种能够精确测量气体中氢气浓度的方法，利用该方法可以提高光纤氢气传感器的测量精度，并延长光纤氢气传感器的使用寿命，大大提高了光纤氢气传感器的商用价值。实现上述发明的采用的技术方案是一种氢气传感头，包括导入光纤，自聚焦透镜和钯片。所述钯片表面贴有高反射率的平面镜，所述导入光纤与自聚焦透镜相连，相对的自聚焦透镜端面与平面镜相互平行并在期间构成一个干涉腔体。本发明还提供使用上述氢气传感头的外差干涉系统，该系统包括锯齿波发生器，用于输出锯齿波电流。半导体激光器，锯齿波电流注入半导体激光器，激发出被线性调频的激光。光纤耦合器，通过传输光纤接收光源发出的激光，将其传输到氢气传感头，接受氢气传感头产生的干涉光将其传输到光电接收器。光电接收器，用于接收光纤耦合器传输过来的干涉光，将光信号转化为电信号。信号处理单元，与光电接收器相连，用于根据光电接收器转化为电信号计算干涉腔长的变化，由所述腔长变化确定氢气浓度。数字显示单元，与信号处理单元相连，用于显示传感器输出。根据本发明的一个方面，提供了一种氢气传感头，其特征在于包括导入光纤；一个自聚焦透镜，其与所述导入光纤相连；一个平面镜，它与所述自聚焦透镜的出射端面大体相互平行；钯片，它与所述平面镜相连。根据本发明的一个进一步的方面，提供了包括上述的氢气传感头的一种氢气传感系统，其特征在于包括一个波形信号发生器，用于产生波形电流；一个半导体激光器，用于产生激光；一个光纤耦合器，它通过传输光纤接收所述半导体激光器发出的激光，并将该激光通过入导光纤传输到所述氢气传感头，并接收所述氢气传感头产生的干涉光并将该干涉光传输到一个光电接收器；所述氢气传感头，它被置于氢气浓度测量环境中；所述光电接收器，用于接收从光纤耦合器传输过来的所述干涉光，并将所述干涉光信号转化为电信号；信号处理器，用于根据光电接收器转化为电信号计算干涉腔长度变化，并由所述长度的变化确定氢气浓度。根据本发明的一个进一步的方面，提供了一种氢气传感方法，其特征在于包括把入射激光通过导入一个自聚焦透镜，从而在所述自聚焦透镜的出射端面上提供出射激光； 把所述出射激光照射到一个平面镜上，所述平面镜与所述自聚焦透镜的出射端面大体相互平行，且在所述平面镜上覆有一个钯片，从而使聚焦透镜的所述出射端面反射的光和所述平面镜反射的光形成干涉。本发明的优点及效果包括采用钯片代替钯膜，能够大大延长传统光纤氢气传感器的使用寿命。并且氢气传感头加工简单，价格低廉，适合商业推广。
图1显示了根据本发明的一个实施例的氢气传感头图2显示了根据本发明的一个实施例的外差干涉系统结构图
具体实施例方式现在结合附图对根据本发明的外差干涉式光纤氢传感装置及其中的氢气传感头和外差干涉部分的实施例进行说明。图1所示为根据本发明的一个实施例中的光纤传感头，其包括导入光纤1，自聚焦透镜2，平面反射镜3和钯片4。导入光纤1通过机械方法与自聚焦透镜2相连，保证光从自聚焦透镜2的端面出射时为平行光。平面镜3和钯片4通过固体胶相连。通过微位移调节架(未显示)保证自聚焦透镜2的出射端面与平面镜3相互平行，两平行面(自聚焦透镜2的出射端面与平面镜幻与它们之间的空气隙形成一个干涉腔；干涉腔长度在1至 IOcm之间。图2显示了根据本发明的外差干涉式光纤氢传感装置和方法的一个实施例；该装置包括锯齿波发生器5，用于产生锯齿波电流，其频率在几十千赫兹；半导体激光器6，用于发出激光；一般地，该激光为中心波长为几百纳米量级的激光；光纤耦合器8，通过传输光纤7接收半导体激光器6发出的激光，并将其通过入导光纤1传输到氢气传感头10，并接收氢气传感头10产生的干涉光并将该干涉光传输到光电接收器11 ；氢气传感头10，它被置于氢气浓度测量环境中，当激光通过传输光纤9传输到导入光纤1后，激光在入导光纤1的端口出射进入自聚焦透镜2并在其端面一部分透射，另一部分反射，透射的一部分光在平面镜表面3被反射，从而使聚焦透镜端面反射的光和平面
5镜反射的光形成干涉；光电接收器11，用于接收从光纤耦合器8传输过来的所述干涉光，并将所述干涉光信号转化为电信号；信号处理12，用于根据光电接收器转化为电信号计算干涉腔长的变化，由所述腔长变化确定氢气浓度。根据本发明的一个进一步的实施例，上述外差干涉式光纤氢传感装置进一步包括一个数字显示13，用于显示传感器输出。测量氢气浓度的原理为钯片吸收氢气后发生膨胀后通过平面镜3引起干涉腔长的变化，反过来，通过接收到的干涉光信号测量干涉腔长变化就可以反映氢气浓度。采用钯片代替钯膜，能够大大延长传统光纤氢气传感器的使用寿命。并且氢气传感头加工简单，价格低廉，适合商业推广。根据本发明的一个进一步的方面，提供了一种氢气传感方法，其包括把入射激光通过导入自聚焦透镜2，从而在所述自聚焦透镜2的出射端面上提供出射激光；把所述出射激光照射到平面镜3上，平面镜3与自聚焦透镜2的出射端面大体相互平行，且在平面镜3上覆有钯片4，从而使聚焦透镜的出射端面反射的光和平面镜3反射的光形成干涉。根据一个进一步的实施例，上述氢气传感方法进一步包括用波形信号发生器5产生波形电流；用半导体激光器6产生入射激光；用光纤耦合器8通过传输光纤7接收半导体激光器6发出的入射激光，并将该入射激光通过入导光纤1传输到自聚焦透镜2，并接收自聚焦透镜2产生的干涉光并将该干涉光传输到光电接收器11;把氢气传感头10置于氢气浓度测量环境中；用光电接收器11将干涉光转化为电信号；用信号处理器12，根据光电接收器转化为电信号，计算所述自聚焦透镜2的所述出射端面与所述平面镜3之间形成的干涉腔长度的变化，并由长度的变化确定氢气浓度。根据一个进一步的实施例，上述氢气传感方法进一步包括用数字显示器13显示信号处理器12的输出。根据一个具体的实施例，波形信号发生器5产生的波形电流的频率为几十千赫兹的量级；半导体激光器6发出的激光为中心波长为几百纳米量级的激光。应当理解的是，在以上叙述和说明中对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。
权利要求
1.氢气传感头(10)，其特征在于包括 导入光纤⑴；一个自聚焦透镜0)，其与所述导入光纤(1)相连；一个平面镜(3)，它与所述自聚焦透镜O)的出射端面大体相互平行；钯片G)，它与所述平面镜(3)相连。
2.根据权利要求1所述的氢气传感头，其特征在于导入光纤(1)与自聚焦透镜( 被适当设置，使得在导入光纤(1)端口出射进入自聚焦透镜O)的光在所述出射端面一部分透射而另一部分反射，透射的一部分光在所述平面镜(3)的表面反射，从而使聚焦透镜的所述出射端面反射的光和所述平面镜C3)反射的光形成干涉。
3.根据权利要求2所述的氢气传感头，其特征在于从导入光纤(1)端口出射进入自聚焦透镜O)的光是激光； 从所述自聚焦透镜O)的所述出射端面出射的光大体为平行光； 所述平面镜( 和钯片(4)通过固体胶相连；通过一个微位移调节架使所述自聚焦透镜O)的出射端面与所述平面镜C3)相互平行，所述出射端面与所述平面镜C3)之间形成一个干涉腔)； 所述干涉腔的长度在1至IOcm之间。
4.包括如权利要求1-3中的任何一项所述的氢气传感头(10)的一种氢传感系统，其特征在于包括一个波形信号发生器(5)，用于产生波形电流； 一个半导体激光器(6)，用于产生激光；一个光纤耦合器(8)，它通过传输光纤(7)接收所述半导体激光器(6)发出的激光，并将该激光通过入导光纤(1)传输到所述氢气传感头(10)，并接收所述氢气传感头(10)产生的干涉光并将该干涉光传输到一个光电接收器(11)；所述氢气传感头(10)，它被置于氢气浓度测量环境中；所述光电接收器(11)，用于接收从光纤耦合器(8)传输过来的所述干涉光，并将所述干涉光信号转化为电信号；信号处理器(12)，用于根据光电接收器转化为电信号计算所述干涉腔的长度变化，并由所述长度的变化确定氢气浓度。
5.根据权利要求4所述的氢气传感系统，其特征在于进一步包括一个数字显示器 (13)，用于显示所述信号处理器(12)的输出。
6.根据权利要求5所述的氢气传感系统，其特征在于所述波形信号发生器( 产生的所述波形电流的频率为几十千赫兹的量级； 所述半导体激光器(6)发出的所述激光为中心波长为几百纳米量级的激光。
7.氢气传感方法，其特征在于包括把入射激光通过导入一个自聚焦透镜0)，从而在所述自聚焦透镜O)的出射端面上提供出射激光；把所述出射激光照射到一个平面镜C3)上，所述平面镜C3)与所述自聚焦透镜O)的出射端面大体相互平行，且在所述平面镜C3)上覆有一个钯片G)，从而使聚焦透镜的所述出射端面反射的光和所述平面镜C3)反射的光形成干涉。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于包括 用一个波形信号发生器( 产生波形电流； 用一个半导体激光器(6)产生所述入射激光；用一个光纤耦合器(8)通过传输光纤(7)接收所述半导体激光器(6)发出的所述入射激光，并将该入射激光通过入导光纤(1)传输到所述自聚焦透镜O)，并接收所述自聚焦透镜( 产生的干涉光并将该干涉光传输到一个光电接收器(11)； 把所述氢气传感头(10)置于氢气浓度测量环境中； 用所述光电接收器(11)将所述干涉光转化为电信号；用一个信号处理器(12)，根据光电接收器转化为电信号，计算所述自聚焦透镜O)的所述出射端面与所述平面镜C3)之间形成的干涉腔的长度变化，并由所述长度变化确定氢气浓度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于进一步包括用一个数字显示器(1 显示所述信号处理器(1 的输出。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述波形信号发生器( 产生的所述波形电流的频率为几十千赫兹的量级； 所述半导体激光器(6)发出的所述激光为中心波长为几百纳米量级的激光。
全文摘要
本发明涉及到一种氢气传感头及其外差干涉系统和方法。根据本发明的一种氢气传感头包括导入光纤(1)；自聚焦透镜(2)，其与所述导入光纤(1)相连；平面镜(3)，它与所述自聚焦透镜(2)的出射端面大体相互平行；钯片(4)，它与所述平面镜(3)相连。相对的自聚焦透镜端面与平面镜相互平行并在期间构成一个干涉腔体。该外差干涉系统通过向氢气传感头的导入光纤传输被调频的激光，并接收自聚焦透镜和平面镜两相对端面反射产生的干涉光，通过检测拍频信号的信号变化来确定干涉腔长变化，进而计算氢气浓度。本发明克服了现有技术中使用寿命短的问题，测量结果精度高，且成本低廉。
文档编号G01N21/39GK102235968SQ20101015932
公开日2011年11月9日 申请日期2010年4月27日 优先权日2010年4月27日
发明者孙利群, 李晓禹, 章恩耀 申请人:清华大学