一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置的制作方法

本发明属于光纤传感技术，材料科学以及光电子技术的交叉领域，涉及到功能材料制备和光电检测技术，具体涉及一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置。

背景技术：

氢能源是一种重要的清洁能源和化工原料，在航空航天、燃料电池、合成氨工业具有重要应用；另外在石油化工、核电冷却系统和电力变压器等设施也会产生一定量的氢气。由于氢气具有易燃易爆以及无色无味等特性，在泄漏后难以察觉，在空气中氢气的浓度超过一定浓度时就极有可能导致爆炸事故，因此安全检测氢气浓度在这些领域至关重要。

传统的电化学传感器采用电缆和电信号作为传输媒介，因而仍然具有潜在爆炸的危险；另外传感探头工作温度过高，导致传感器对其他可燃性气体具有交叉敏感的可能性，因此传统的电化学传感器在这些领域或设施难以满足安全监测氢气浓度的需求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置，具有较好的可靠性和稳定性，能够实现氢气浓度的安全监测。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置，其特征在于：它包括光源、光纤分路器、光环行器、光缆、氢气敏感传感探头、第一光电探测器、第二光电探测器和数据显示处理系统；其中，光源发出的光由光纤分路器分为2路，第一路光作为参考光经过第一光电探测器后输入至数据显示处理系统，第二路光作为传感光经过光环行器、光缆到达氢气敏感传感探头后返回再从光环行器经第二光电探测器输入至数据显示处理系统；所述的数据显示处理系统用于根据第一光电探测器和第二光电探测器传输的电流进行处理比较，采用电流比值法得到氢气浓度。

按上述方案，所述的光纤分路器将参考光和传感光的光强分光比设置在0.05~1之间。

按上述方案，所述的氢气敏感传感探头包括与所述的光缆连接的单模光纤，单模光纤的端部附有氢气敏感膜，单模光纤外套有多孔保护管，多孔保护管端部通过环氧树脂与单模光纤密封连接。

按上述方案，所述的氢气敏感膜为ptfe（聚四氟乙烯）-pt-pd/mg复合膜或ptfe-pt-pd-hf复合膜。

按上述方案，所述的ptfe-pt-pd/mg复合膜通过以下方式沉积在单模光纤端部：采用磁控溅射方法在单模光纤端面沉积pd/mg，然后沉积pt膜，最后溅射ptfe膜作为表面保护层；其中：pd/mg膜中pd和mg元素的含量比在1~20之间。

按上述方案，所述的ptfe-pt-pd-hf复合膜通过以下方式沉积在单模光纤端部：依次溅射hf、pd、pt和ptfe，ptfe膜作为表面保护层；pd-hf膜为纯pd和纯hf膜。

按上述方案，所述的pd/mg膜的厚度5~100nm之间；pt膜的厚度在1~10nm之间；ptfe膜厚度在5~200nm之间。

ptfe-pt-pd-hf复合膜中，pd的厚度在2~20nm之间，hf的厚度在10~80nm之间。

按上述方案，所述的光源为1550nmase光源、可见光光源或可调激光光源，光源功率范围为1-20毫瓦。

按上述方案，所述的第一光电探测器和第二光电探测器均为ingasn光电探测器，线性工作区在0.5~10毫瓦之间。

本发明的有益效果为：

1、采用比值法计算氢气浓度，可以减小光源波动的影响，从而提高传感系统的稳定性；光信号的转换采用2个光电探测器，相对于光纤光栅解调模块具有明显的成本优势，并且功耗更低，具有体积小和便于携带等优点，更适合于易燃易爆场合和野外环境中，具有成本低和实用性强的优点。

2、氢气敏感传感探头采用ptfe-pt-pd/mg复合薄膜或ptfe-pt-pd-hf复合薄膜，pd/mg或pd-hf具有较好的选择性、pt具有抗氧化性和ptfe的憎水性保证了传感探头的可靠性、抗氧化能力和抗湿度干扰能力，从而提高传感探头的稳定性。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图2为传感探头的结构示意图。

图3为本发明一实施例的氢气响应曲线。

图中：1.光源，2.光纤分路器，3.光环形器，4.光缆，5.氢气敏感传感探头，6.第一光电探测器，7.数据处理及显示系统，8.第二光电探测器，9.多孔保护套，10.单模光纤，11.环氧树脂，12.氢气敏感膜。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明作进一步说明。

本发明提供一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置，如图1所示，它包括光源1、光纤分路器2、光环行器3、光缆4、氢气敏感传感探头5、第一光电探测器6、第二光电探测器8和数据显示处理系统7；其中，光源1发出的光由光纤分路器2分为2路，第一路光作为参考光经过第一光电探测器6后输入至数据显示处理系统7，第二路光作为传感光经过光环行器3、光缆4到达氢气敏感传感探头5后返回再从光环行器3经第二光电探测器8输入至数据显示处理系统7；所述的数据显示处理系统7用于根据第一光电探测器6和第二光电探测器8传输的电流进行处理比较，采用电流比值法得到氢气浓度。

所述的光纤分路器将参考光和传感光的光强分光比设置在0.05~1之间。

如图2所示，所述的氢气敏感传感探头5包括与所述的光缆4连接的单模光纤10，单模光纤10的端部附有氢气敏感膜12，单模光纤10外套有多孔保护管9，多孔保护管9端部通过环氧树脂11与单模光纤10密封连接。

优选的，所述的氢气敏感膜12为ptfe-pt-pd/mg复合薄膜或ptfe-pt-pd-hf复合薄膜。ptfe-pt-pd/mg复合膜通过以下方式沉积在单模光纤端部：采用磁控溅射方法在单模光纤端面沉积pd/mg膜，然后沉积pt膜，最后溅射ptfe膜作为表面保护层；其中pd/mg膜中pd和mg元素的含量比在1~20之间，pd/mg膜的厚度5~100nm之间，pt膜的厚度在1~10nm之间，ptfe膜厚度在5~200nm之间。ptfe-pt-pd-hf复合薄膜采用磁控溅射技术依次溅射hf、pd、pt和ptfe薄膜，hf膜的厚度在10~80nm之间，pd膜厚度在2~20nm之间，pt膜的厚度在1~10nm之间，ptfe膜厚度在5~200nm之间。

进一步的，所述的光源1为1550nmase光源、可见光光源或可调激光光源，光源功率范围为1~20毫瓦。

再进一步的，所述的第一光电探测器和第二光电探测器均为ingasn光电探测器，线性工作区在0.5~10毫瓦之间。

如图3所示，本实施例对2%的甲烷没有响应，证明较好的选择性；但是对160ppm氢气具有较好的响应和重复性，并且在不同的氢气下比值增加非常明显，该图证明采用ptfe-pt-pd/mg复合薄膜以大幅提高传感探头的可靠性和抗干挠能力，从而提高检测装置的稳定性。采用ptfe-pt-pd-hf复合薄膜作为氢敏薄膜也可以达到同样的效果。

本发明提供的上述基于光电探测器的光纤氢气检测装置，可用于监测氢气储存容器、石油裂解设施、合成氨设施、核电站冷却系统或电力变压器的氢气浓度，在航空航天、石油化工和合成氨等领域中氢气安全检测中有着广泛的应用前景。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。