一种光纤氢气传感探头及光纤氢气检测系统的制作方法

本发明涉及功能材料及传感，特别涉及一种光纤氢气传感探头及光纤氢气检测系统。

背景技术：

1、氢氨融合技术得到了多国政府的高度重视。然而氢气小分子和点火能较低的特性，极易导致爆炸事故，因而氢气泄漏的可靠监测和及时预警显得尤为重要，然而在涉及氨气环境中进行氢气泄漏可靠监测还有待进一步加强。电化学氢气传感器其敏感元件在氨气气氛中极易受到腐蚀或干扰，导致传感探头的损坏，因而难以在涉氨环境中进行氢气泄漏监测。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种光纤氢气传感探头及光纤氢气检测系统，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

2、为解决上述技术问题所采用的技术方案：

3、首先本发明提供一种光纤氢气传感探头，其包括：单模光纤和防护罩，单模光纤的前端为探测端，在所述探测端的端面依次沉积有氢致变色层和复合催化层，所述氢致变色层为tio2薄膜，所述复合催化层为pdru复合薄膜；防护罩包括套设于所述探测端的保护套、设于保护套前端的前置滤网，所述前置滤包括内外设置的聚乙烯膜、ptfe薄膜。

4、本光纤氢气传感探头的有益效果是：检测原理为光信号在单模光纤的纤芯中传输，到达探测端的端面后被采用tio2薄膜的氢致变色层和采用pdru复合薄膜的复合催化层反射回来，通过测试光信号的强度变化即可计算氢气浓度。该传感探头采用新型氢敏薄膜作为敏感元件，采用与光纤主要成分热膨胀系数匹配的tio2薄膜作为氢致变色层，可以显著增强氢敏薄膜与光纤的结合力，采用pdru复合薄膜作为催化剂，可以有效降低纯pd催化剂的氢脆效应，同时增强传感探头的选择性和稳定性，而前置滤网的最外层采用ptfe薄膜可以有效过滤环境中的氨气分子，增强传感探头的抗氨气干扰能力，前置滤网的次外层的聚乙烯膜可以将其他还原性气体阻碍在传感探头外部，同时能够让较小的分子氢气、氧气和水分子自由扩散，进一步增强传感探头的选择性，两层滤膜可以有效过滤环境中的氨气和其他还原性有机分子，避免交叉干扰，从而提高传感探头的选择性和稳定性。

5、在生产时，采用物理气相沉积法将pdru复合催化的tio2薄膜沉积在光纤端面，沉积氢致变色层作为基底层与单模光纤的具有较好的结合力，tio2薄膜主要起对氢气敏感作用，pdru复合薄膜可以将氢分子高效分解氢原子，促进tio2薄膜的快速反应，同时阻碍其他还原性气体进入tio2薄膜，两者相互协同保证传感探头的灵敏度和选择性。

6、作为上述技术方案的进一步改进，所述氢致变色层的厚度为50～500nm，所述复合催化层的厚度为15～80nm。

7、作为上述技术方案的进一步改进，所述pdru复合薄膜中ru原子含量为5～50％，pd原子含量为50～95％。在该原子比范围催化剂薄膜可以保持较好的稳定性和催化效果。

8、作为上述技术方案的进一步改进，所述聚乙烯膜的厚度为10～50μm，在该厚度范围内可以根据应用环境需求调控传感探头的灵敏度和响应速率。

9、作为上述技术方案的进一步改进，所述聚乙烯膜通过环氧树脂固定于保护套的前端内。

10、作为上述技术方案的进一步改进，所述ptfe薄膜浸涂柠檬酸或硼酸溶液。

11、ptfe薄膜能够过滤环境中大颗粒灰尘，同时具有作为酸性溶液载体，柠檬酸或硼酸溶液没有强腐蚀性，能够较好附着在ptfe薄膜，同时能够与环境中的氨气反应，阻碍氨气分子进入传感器内部，从而提高传感探头的选择性和重复性。

12、作为上述技术方案的进一步改进，所述ptfe薄膜的厚度为10～300μm。

13、作为上述技术方案的进一步改进，所述ptfe薄膜通过环氧树脂固定于保护套的前端外。

14、作为上述技术方案的进一步改进，所述保护套通过环氧树脂套设于所述探测端，以使氢致变色层和复合催化层封装在保护套中。

15、此外本发明还提供一种光纤氢气检测系统，其包括上述的光纤氢气传感探头，还包括信号处理系统、传感光源、第一光纤分路器和第二光纤分路器，所述信号处理系统电信号连接有第一光电探测器和第二光电探测器，所述传感光源通过第一光纤分路器与第二光纤分路器、第一光电探测器光信号连接，所述第二光纤分路器同时与光纤氢气传感探头、第二光电探测器光信号连接。

16、在使用时，还设置电源给传感光源和信号处理系统供电，保整系统正常工作，传感光源发出光经过第一光纤分路器被分成两束，少量的光进入第一光电探测器被转化为电信号作为参比信号，大部分光进入第二光纤分路器作为信号光，信号光经过单模光纤到达氢致变色层和复合催化层，被反射回第二光纤分路器，然后进入第二光电探测器转化为传感信号。传感探头在不同浓度氢气浓度下，氢气分子被pdru复合薄膜分解为氢原子，氢原子进入氢致变色层导致其带隙宽度发生变化，改变对信号光的吸收率，从而导致信号光的反射率发生变化，通过测定信号光的反射率的变化，来计算氢气浓度。

17、本发明的有益效果是：采用物理气相沉积法将pdru复合催化的tio2薄膜沉积在光纤端面，利用pdru的选择性将氢分子分解为氢原子，氢原子与tio2反应生成低价态的钛氧化物，导致对光纤中传输的信号光的吸收增强，反射率下降，通过检测反射光信号强度变化计算氢气浓度。前置滤网采用浸涂柠檬酸或硼酸的ptfe薄膜作为第一层过滤膜，聚乙烯膜作为第二层过滤膜，两层滤膜可以有效过滤环境中的氨气和其他还原性有机分子，避免交叉干扰，从而提高传感探头的选择性和稳定性。该发明可以大幅提高传感探头的稳定性和选择性，尤其适合氨氢工业环境中氢气浓度的可靠检测，对相关设施的运行具有重要意义。

技术特征：

1.一种光纤氢气传感探头，其特征在于：其包括：

2.根据权利要求1所述的一种光纤氢气传感探头，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的一种光纤氢气传感探头，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的一种光纤氢气传感探头，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的一种光纤氢气传感探头，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的一种光纤氢气传感探头，其特征在于：

7.根据权利要求6所述的一种光纤氢气传感探头，其特征在于：

8.根据权利要求1所述的一种光纤氢气传感探头，其特征在于：

9.根据权利要求1所述的一种光纤氢气传感探头，其特征在于：

10.一种光纤氢气检测系统，其特征在于：其包括如权利要求1至9任意一项所述的光纤氢气传感探头(400)，还包括信号处理系统(500)、传感光源(600)、第一光纤分路器(700)和第二光纤分路器(800)，所述信号处理系统(500)电信号连接有第一光电探测器(510)和第二光电探测器(520)，所述传感光源(600)通过第一光纤分路器(700)与第二光纤分路器(800)、第一光电探测器(510)光信号连接，所述第二光纤分路器(800)同时与光纤氢气传感探头(400)、第二光电探测器(520)光信号连接。

技术总结
本发明公开了一种光纤氢气传感探头及光纤氢气检测系统，包括单模光纤和防护罩，单模光纤的前端为探测端，在探测端的端面依次沉积有氢致变色层和复合催化层，氢致变色层为TiO<subgt;2</subgt;薄膜，复合催化层为PdRu复合薄膜；防护罩包括套设于探测端的保护套、设于保护套前端的前置滤网，前置滤包括内外设置的聚乙烯膜、PTFE薄膜。该传感探头采用新型氢敏薄膜作为敏感元件，采用与光纤主要成分热膨胀系数匹配的TiO<subgt;2</subgt;薄膜作为氢致变色层，可以显著增强氢敏薄膜与光纤的结合力，采用PdRu复合薄膜作为催化剂，可以有效降低纯Pd催化剂的氢脆效应，两层滤膜可以有效过滤环境中的氨气和其他还原性有机分子，避免交叉干扰，从而提高传感探头的选择性和稳定性。

技术研发人员：代吉祥,龚聪文,程一兵
受保护的技术使用者：佛山仙湖实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15