一种对温度非敏感的基于F‑P干涉仪的氢气传感器的制作方法

本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种对温度非敏感的基于F-P干涉仪的氢气传感器。

背景技术：

氢气是一种高效洁净的燃料，具有潜在的可无限循环利用的能源。然而氢气分子的体积非常小，极易泄漏。空气中氢气浓度在4％-75％时遇到明火即可爆炸，因此在运输、储存、使用过程中，对环境氢气浓度进行实时监测是一项十分必要的安全性工作。已经研制出的基于电特性工作原理的氢气传感器，在使用的过程中易产生电火花，有引起爆炸的可能性。与传统的氢气传感器相比，光纤氢气传感器通过光信号进行检测，具有本质防爆、体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、灵敏度高和精度高等优点。光纤氢气传感技术就受到了广泛的关注。目前出现了几种不同类型的光纤氢气传感器，其中包括干涉型光纤氢气传感器、消逝波型光纤氢气传感器、表面等离子体共振型氢气传感器、FBG型光纤氢气传感器、微透镜型光纤氢气传感器。虽然每种光纤型氢气传感器都有其存在的原因，但是却又各自存在不可避免的缺点，例如，干涉型光纤氢气传感器外界环境的变化会对氢气的测量造成干扰，消逝波型光纤氢气传感器只适合探测低浓度氢气浓度范围，表面等离子体共振型光纤氢气传感器Pd/WO₃共溅射敏感膜虽然能吸收很宽的氢气浓度范围，但是其响应时间慢，不能起到报警作用，FBG型光纤氢气传感器中氢敏感薄膜由于吸收氢气后所产生的应力过小不一定能将拉伸光纤，从而不能改变光栅的布喇格波长或变化量很微小不能辨别，且FBG氢气传感器需要较复杂的技术和昂贵的光纤器件来进行波长位移的检测，同时还需要大功率的宽带光源或波长可调谐光源，因此检测的分辨率和动态范围会受到一定限制，使用这种传感器的成本也会很高。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术的不足，本实用新型提供一种对温度非敏感的基于F-P干涉仪的氢气传感器，只需将单模光纤、空芯光纤和单模光纤依次熔接，特殊空气腔是由空芯光纤经两次放电处理所形成的，接着在空气腔的侧面涂敷Pd催化剂粉末，具有制备方便、结构简单、体积小、质量轻、成本低和不受环境温度变化的影响等优点。

本实用新型所采用的技术方案：一种对温度非敏感的基于F-P干涉仪的氢气传感器，包括宽带光源、光谱仪、环形器和F-P干涉仪，其特征在于：所述的F-P干涉仪是由单模光纤、空芯光纤和单模光纤依次熔接而构成的，其中，腔长为100-120微米的特殊空气腔是由空芯光纤经两次放电处理所形成的，该空气腔的侧面涂敷的是厚度为20-30微米的Pd催化剂粉末，从而构成对温度非敏感的基于F-P干涉仪的氢气传感器；该传感器的左端与环形器的一端连接，宽带光源、光谱仪分别与环形器的另外两端连接。

本实用新型的有益效果是：

1.传感器整体材料为光纤，具有抗电磁干扰、抗腐蚀，本质安全、稳定性强、体积小和质量轻等优点。

2.该传感器的制备过程中只需使用普通商用光纤熔接机对光纤进行放电、熔接处理和涂敷粉末等工作，具有结构简单和易制备的优点。

3.该传感器对温度灵敏度非常低，所以外界环境温度的变化对该氢气传感的使用没有影响，不需要级联光纤光栅对环境温度进行补偿。

4.所述的氢气传感器的工作原理是：Pd粉末遇氢气会发生如下的化学反应：

H₂+Pd→PdH_x (1)

该反应会生成PdH_x，且Pd粉末吸氢后会产生从a相到β相的转变，此时会产生膨胀效应，从而F-P腔由于受到膨胀效应而产生应力作用将其空气腔拉长，光程差也会随之改变，因此随着氢气浓度的增加光谱仪所检测到的干涉谱会发生红移，所以我们可以通过检测干涉谱的漂移量即可准确测定待测氢气的浓度。

附图说明

下面结合附图及具体方式对本实用新型作进一步说明。

图1是该氢气传感器的结构示意图；

图2是该氢气传感器的测试系统示意图；

图中：1.单模光纤，2.Pd催化剂粉末，3.空芯光纤，4.F-P空气腔，5.宽带光源，6.环形器，7.氢气传感器，8.气室，9.光谱仪。

具体实施方式

图1中，所述的一种对温度非敏感的基于F-P干涉仪的氢气传感器，其制备流程为：将单模光纤与空芯光纤熔接，在离熔接点120微米处对空芯光纤进行放电处理确保其不完全崩塌，接着在距熔接点140-260微米再次进行放电处理，此时会形成特殊的空气腔即F-P腔，将完全塌陷的空芯光纤切除，然后在空气腔的右端熔接单模光纤，最后在空气腔的侧面涂覆Pd催化剂粉末。

如图2所示将该氢气传感器与环形器的一端连接，宽带光源、光谱仪分别与环形器的另外两端连接，接着将传感器置于气室中。在进行氢气传感实验时，当宽带光源发出的光沿着纤芯传播时会在F-P腔前后壁发生反射，这两束反射光会相互作用发生干涉，当Pd膜吸氢后会发生化学反应会生成PdH_x，且Pd粉末吸氢后会产生从a相到β相的转变体积会膨胀，从而F-P腔由于受到膨胀效应而产生应力作用将其空气腔拉长，光程差也会随之改变，两个光束相互叠加产生的干涉谱会随氢气浓度的变化而发生漂移，光谱仪实时记录该氢气传感器的干涉谱，即我们可以通过检测干涉谱的漂移量从而确定氢气浓度大小。该传感器与一般氢气传感器相比具有结构简单、易制备、成本低、体积小、质量轻且不受环境温度变化的影响等优点。