基于相移光栅温度补偿技术的氢气检测装置

1.本发明属于光纤传感和气体传感领域，尤其涉及一种基于相移光栅温度补偿技术的氢气检测装置。


背景技术：

2.氢能源是未来全球能源供应的重要组成部分，对氢能源的开发、储存和利用具有重大的战略意义。但是，氢气是一种易燃易爆的气体，空气中的氢气浓度在4％-75％的范围内时，遇见明火就能产生爆炸行为。同时，由于氢气分子体积小，容易扩散，即使是微小的氢气泄漏也会导致环境的氢气浓度快速升高，因此在氢气的储存于使用过程中，精确安全的浓度检测装置至关重要。在大规模氢气应用场景如氢能源汽车领域，对于ppm量级的氢气泄漏检测和预警，具有重大的科技需求。在电力领域中，实时检测变压器绝缘油中溶解的氢气浓度对监测变压器运行状态意义重大。根据国际电气与电子工程协会ieeec57.104,200标准，氢气浓度《100ppm表明变压器运行良好，氢气浓度范围101
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1800ppm表明变压器需要检查，氢气浓度》1800ppm表明变压器存在故障。此外，鉴于电化学类氢气传感器的精度和安全性问题，迫切需要一种能实现ppm量级氢气浓度检测的光纤氢气传感方法和装置。
3.光纤氢气传感技术主要通过检测氢敏材料光学参数(如折射率、反射率或者吸收等)的变化来实现测氢气浓度的探测。由于光纤氢气传感器采用光信号传感，具有本质安全的特征。另一方面，光纤作为一种高效稳定的光传输介质，具有抗化学腐蚀和抗电磁干扰等优点，能长期可靠地进行氢气浓度的在线监测。因此光纤氢气传感技术在氢气泄露的早期预警、长期在线监测等方面有重要的研究意义和巨大的应用前景。
4.低浓度氢气检测对氢气传感器出了极高的要求，如低检测下限、高灵敏度、可靠的重复性以及良好的传感选择性(如不受其他环境因素的影响，包括其他气体、压力、湿度和温度等)。对于ppm量级的低浓度氢气通过氢敏薄膜产生的光栅中心波长漂移是极小的。由于普通光纤bragg光栅的光谱宽度约为300pm，这远远高于氢气浓度检测极限对应的波长变化范围。此外，普通bragg光栅的精度也限制了低浓度氢气检测的准确性。另外。低浓度氢气光纤传感也受环境温度变化的影响。标准光纤bragg光栅的温度灵敏度约为10.6pm/℃，温度变化1℃导致的波长漂移量就与很大的氢气浓度变化产生的变化量相当，这就要求高精度的温度补偿来消除传感器的温度交叉敏感性。


技术实现要素：

5.本发明主要目的在于：提供一种基于相移光栅温度补偿技术的氢气检测装置，以提高氢气检测精度。
6.本发明所采用的技术方案是：一种基于相移光栅温度补偿技术的氢气检测装置，包括光源、传感部分和解调部分，所述的传感部分包括氢气传感探头，以及气体组分和温度均可控的气室；其中，氢气传感探头包括光纤，光纤上设有相移光栅，相移光栅的相移区的一部分镀有氢敏感膜；氢气传感探头设置在所述气室中；
7.光源发出的光通过所述光纤，从相移光栅反射后由解调部分解调；
8.由于相移光栅上镀有氢敏感膜，因此相移光栅的中心波长和边带波长都会随着氢敏感膜吸氢膨胀而相移，由于氢敏感膜占整个光栅的一部分，因此边带波长对氢气的灵敏度小于中心波长，而边带波长和中心波长对于温度的灵敏度是一样的；通过解调边带波长和中心波长的变化，实现温度和氢气浓度两个参量的同时独立测量。
9.按上述方案，所述的氢敏薄膜为pd膜、pd-hf膜、pd-ta膜或pd-ni膜。
10.按上述方案，所述的相移光栅是基于光纤bragg光栅，并在光栅中间位置进行半个周期相移的折射率调制而制得。
11.按上述方案，所述的相移光栅为相移量在0-2pi之间、相移点在一个和一个以上的相移光栅。
12.按上述方案，所述的相移光栅上镀有氢敏感膜的部分占整个光栅区的比例大小为0％到100％之间。
13.本发明产生的有益效果是：
14.1、将反射波峰强度随波长上升且反射率为50％的波长值定义为边带波长，由于相移光栅上镀有氢敏薄膜，因此相移光栅的中心波长和边带波长都会随着薄膜吸氢膨胀而相移。但是由于镀膜区域占整个光栅的一部分，因此边带波长对氢气的灵敏度小于中心波长，但是边带波长和中心波长对于温度的灵敏度是一样的，环境温度的变化对整个光栅的影响使均匀的，将使整个光栅发生漂移。因此，可以通过解调边带波长和中心波长的变化，实现温度和氢气浓度两个参量的同时独立测量，实现温度自补偿功能。
15.2、在ppm量级的氢气作用于氢敏薄膜上时，产生的膨胀只能使光栅的中心波长产生极小的漂移，而光纤bragg光栅的光谱宽度约为300pm，这远远高于氢气浓度检测极限对应的波长变化范围。而采用相移光栅测量氢气浓度时，由于相移峰的波谱宽度非常窄，约为10pm,结合波长检测重复性约为0.1pm的高精度波长解调系统，能显著提高波长峰值检测的精度和分辨率，实现低浓度氢气的高精度测量。
附图说明
16.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
17.图1为相移光栅的反射谱图。
18.图2是本发明一实施例的氢气传感探头结构示意图。
19.图3是本发明一实施例的整体结构示意图。
20.图4是本发明一实施例温度稳定时不同浓度氢气下的相移光栅的反射谱图。
21.图5是本发明一实施例氢气浓度稳定时不同温度下的相移光栅的反射谱图。
22.图6是本发明一实施例温度稳定时不同浓度氢气下的中心波长和边带波长的差值图。
23.图7是本发明一实施例氢气浓度稳定时不同温度下的中心波长和边带波长的差值图。
24.图中：1-光纤，2-纤芯，3-相移光栅，4-氢气敏感膜，5-氢气传感探头，6-气室，7-光源，8-光耦合器，9-解调仪。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
26.图1为相移光栅的反射谱图，相移光栅是基于光纤bragg光栅，并在光栅中间位置进行半个周期相移的折射率调制而制得。所用相移光栅的相移量为pi。相移点为1个，中心波长为1549.9nm，相移峰的3db带宽约为30pm。
27.本发明提供一种基于相移光栅温度补偿技术的氢气检测装置，如图3所示，包括光源7、传感部分和解调仪，所述的传感部分包括氢气传感探头5，以及气体组分和温度均可控的气室6；氢气传感探头5设置在所述气室6中。其中，如图2所示，氢气传感探头5包括光纤1，光纤具有纤芯2，光纤1上设有相移光栅3，相移光栅3的相移区的一部分镀有氢敏感膜4；
28.光源7发出的光通过光耦合器后，一路通往氢气传感探头5，氢气传感探头5置于气体组分、温度、压力和湿度可控的气室6之中。耦合器的另一路接入解调模块，用于分析相移光栅的反射信号，通过分析新型传感结构单元对环境氢气响应导致的反射光谱变化来实现高精度氢气传感。
29.本发明的原理在于：基于相移光栅的氢气传感温度自补偿方法，将氢敏感膜4仅镀在中间的相移光栅区域，这种结构可以看作由三个光栅组成：位于中间位置的镀氢敏感膜4的π相移光栅，位于左右两侧的两个普通光纤bragg光栅。当折射率变化量为3*10^-4时，其反射率达到100％，半个周期的相移光栅中心波峰出现在反射光谱的中央位置。相移光栅区氢敏感膜4吸收氢气发生膨胀，相移峰波长和边带波长的差值取决于氢敏感膜4吸收氢气导致的相移。相反，环境温度的变化对整个光栅的影响是均匀的，将使整个光谱发生漂移，但相移峰波长和边带波长受温度影响的变化程度相同。因此，该种结构可以实现温度和氢气浓度两个参量的同时独立测量。
30.所述的氢敏薄膜为pd膜、pd-hf膜、pd-ta膜或pd-ni膜。本实施例采用pd-ta薄膜，光栅长度约为10mm，pd-ta膜仅镀在中间的相移区域，膜厚约为500nm，膜长约为3mm。
31.所述的相移光栅为相移量在0-2pi之间、相移点在一个和一个以上的相移光栅。所述的相移光栅上镀有氢敏感膜的部分占整个光栅区的比例大小为0％到100％之间。
32.如图4所示，在温度稳定的环境中在气室中通入氢气，通过高精度的解调仪，在计算机读出的反射谱中，其中l1、l2和l3分别对应的氢气浓度为0、2000ppm、5000ppm，可以看到，随着氢气浓度的增大，反射谱整体向右漂移，但是大致可以看出，中心部分和边带部分漂移的程度有所不同。
33.如图5所示，为了说明相移峰波长和边带波长的差值不受温度变化的影响，在3000ppm的稳定氢气环境下，对气室进行升温实验，测量在不同温度下相移光栅的反射谱线，其中t1、t2、t3分别为从低到高的三个温度下的反射谱线。从计算机读出的反射谱中可以看出，对氢气进行升温时，反射谱整体向右漂移，整个谱线漂移的程度相同。
34.如图6所示，在温度为25摄氏度时，增加氢气浓度从1000ppm至5000ppm，可以看到，中心波长和边带波长的差值随着氢气浓度的增大而增加，并基本呈现线性关系。
35.如图7所示，在氢气浓度为3000ppm并保持不变时，增加温度从25摄氏度到45摄氏度，可以看到，中心波长和边带波长的差值几乎不随温度变化。
36.从实验结果可以知道，通过解调相移峰波长和边带波长的变化，可以实现温度自补偿功能，解离出温度和氢气浓度两个独立的变量。
37.应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。