一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明借助于长周期光纤光栅，提出了一种基于长周期光纤光栅的氨气传感装 置，属于光纤传感技术领域。
【背景技术】
[0002] 长周期光纤光栅是一种透射型光纤光栅，无后向反射，在传感测量系统中不需要 隔离器，测量精度较高。与人们熟知的布拉格光栅不同，长周期光纤光栅的周期相对较长， 满足相位匹配条件的是同向传输的纤忍基膜和包层模，运一特点导致它的谐振波长和幅值 对外界环境的变化非常敏感，具有比布拉格光栅更好的溫度、应力、弯曲度、扭曲、横向负载 和折射率灵敏度等。
[0003] 氨气传感器在许多方面都有至关重要的作用，例如氨气储备、航天领域和科研等， 但由于传统的基于电特性工作原理的氨气传感器在使用时，有可能产生电火花，有引起爆 炸的可能性，存在安全隐患。相比之下，光纤氨气传感器凭借其高灵敏度、耐高压、耐腐蚀， 体积小W及不产生火花等特性，非常适合应用于氨气运种危险气体的检测。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于长周期光纤光栅的氨气传感装置。该装置能够将 待测氨气浓度的变化量转化为探测信号的波长漂移量，具有结构简单、易于操作、灵敏度 高、安全性能好等特点。
[0005] 本发明通过W下技术方案实现：
[0006] -种基于长周期光纤光栅的氨气传感装置，由宽带光源（1)、入射光纤(2)、长周期 光纤光栅(3)、氨敏感薄膜(4)、恒溫气室(5)、气体产生装置(6)、排气口（7)、出射光纤(8)、 光谱分析仪(9)组成；宽带光源（1)发出的光束禪合到入射光纤(2)，入射光纤(2)的出射光 束禪合到长周期光纤光栅(3)，长周期光纤光栅(3)的出射光束禪合到出射光纤(8)，出射光 纤(8)与光谱分析仪(9)相连;长周期光纤光栅(3)的一侧瓣锻氨敏感薄膜(4)，置于恒溫气 室(5)中；气体产生装置(6)包括第一储气罐（10)、第二储气罐（11)、第一流量计（14)、第二 流量计（15)和热交换器（18)，第一储气罐（10)经第一气体流道（12)与第一流量计（14)相 连，第一流量计（14)经第一进气管道（16)与热交换器（18)相连，第二储气罐（11)经第二气 体流道(13)与第二流量计（15)相连，第二流量计（15)经第二进气管道(17)与热交换器(18) 相连，热交换器（18)经输气管道（19)与恒溫气室巧)相连;排气口（7)位于恒溫气室(5)的右 上方。
[0007] 所述的一种基于长周期光纤光栅的氨气传感装置，其特征在于：长周期光纤光栅 (3)由电弧放电或紫外激光器制成，周期为200皿~700WH，光栅长度为20mm;采用磁控瓣射 法在长周期光纤光栅(3)-侧瓣射氨敏感薄膜(4)，具体为膜厚25nm~400nm的钮薄膜。
[000引所述的一种基于长周期光纤光栅的氨气传感装置，其特征在于:第一储气罐（10) 内装有纯氮气，第二储气罐(11)内装有含有4%氨气含量的氮气。
[0009] 本发明的工作原理是：
[0010] 包层和纤忍的有效折射率W及光栅周期的关系式是：
[0011 ] = (n汾(乂,）-墙i/ ())八
[001^ 其中A读示禪合波长;neff表示传播纤忍的有效折射率;端d表示包层的有效折射 率；A表示长周期光纤光栅的周期。
[0013] 恒溫气室(5)中氨气的浓度不同，其与氨敏感薄膜(4)发生敏感反应后，膜层的折 射率发生了变化，运将导致谐振波长发生变化，波长改变时高次包层模与导模禪合的谐振 波长处于长波长处，而低阶包层模与导模禪合的谐振波长处于短波长处，进一步引起透射 谱的漂移，监测透射光谱波长漂移量可W实现氨气浓度的测量。
[0014] 本发明的有益效果是：因待测氨气浓度的变化，锻钮膜层的长周期光纤光栅(3)的 传感部位会发生明显的折射率变化，导致透射光谱波长漂移会发生明显变化，而透射光谱 微小的波长漂移量都能够通过光谱分析仪(9)检测到，因此，该装置的探测精度，灵敏度都 得到了大幅提高;气体产生装置(6)由装有纯氮气的第一储气罐（10)，装有含有4%氨气含 量的氮气的第二储气罐(11)、第一流量计（14)、第二流量计（15)和热交换器（18)组成，使得 产生的混合气体浓度控制在4%氨气含量W内，即低于氨气爆炸浓度，可充分保障该装置使 用的安全性。
【附图说明】
[0015] 图1是本发明的基于长周期光纤光栅的氨气传感装置示意图；
[0016] 图2是本发明的长周期光纤光栅的氨气传感器；
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图及实施实例对本发明作进一步描述：
[0018] 参见附图1，一种基于长周期光纤光栅的氨气传感装置，由宽带光源（1)、入射光纤 (2)、长周期光纤光栅(3)、氨敏感薄膜(4)、恒溫气室(5)、气体产生装置(6)、排气口（7)、出 射光纤(8)、光谱分析仪(9)组成。本发明中的宽带光源（1)发出的光束禪合到入射光纤(2)， 入射光纤(2)的出射光束禪合到长周期光纤光栅(3)，长周期光纤光栅(3)的出射光束禪合 到出射光纤(8)，出射光纤(8)与光谱分析仪(9)相连;长周期光纤光栅(3)的一侧瓣锻氨敏 感薄膜(4)，置于恒溫气室巧）中；气体产生装置(6)包括第一储气罐(10)、第二储气罐（11)、 第一流量计（14)、第二流量计（15)和热交换器（18)，第一储气罐（10)经第一气体流道（12) 与第一流量计（14)相连，第一流量计（14)经第一进气管道（16)与热交换器（18)相连，第二 储气罐(11)经第二气体流道(13)与第二流量计（15)相连，第二流量计（15)经第二进气管道 (17)与热交换器（18)相连，热交换器（18)经输气管道（19)与恒溫气室（5)相连;排气口（7) 位于恒溫气室(5)的右上方。
[0019] 长周期光纤光栅(3)由电弧放电或紫外激光器制成，周期为200WI1~700WI1，光栅长 度为20mm;采用磁控瓣射法在长周期光纤光栅（3)-侧瓣射氨敏感薄膜(4)，具体为膜厚 25nm~400nm的钮薄膜;第一储气罐（10)内装有纯氮气，第二储气罐（11)内装有含有4%氨 气含量的氮气。
【主权项】
1. 一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，其特征在于：由宽带光源（1)、入射光纤 (2)、长周期光纤光栅(3)、氢敏感薄膜(4)、恒温气室(5)、气体产生装置(6)、排气口（7)、出 射光纤(8)、光谱分析仪(9)组成；宽带光源（1)发出的光束耦合到入射光纤（2)，入射光纤 (2)的出射光束耦合到长周期光纤光栅(3)，长周期光纤光栅(3)的出射光束耦合到出射光 纤（8)，出射光纤（8)与光谱分析仪(9)相连；长周期光纤光栅（3)的一侧溅镀氢敏感薄膜 (4)，置于恒温气室(5)中；气体产生装置(6)包括第一储气罐(10)、第二储气罐(11)、第一流 量计（14)、第二流量计（15)和热交换器（18)，第一储气罐（10)经第一气体流道（12)与第一 流量计（14)相连，第一流量计（14)经第一进气管道（16)与热交换器（18)相连，第二储气罐 (11)经第二气体流道（13)与第二流量计（15)相连，第二流量计（15)经第二进气管道（17)与 热交换器（18)相连，热交换器（18)经输气管道（19)与恒温气室（5)相连;排气口（7)位于恒 温气室(5)的右上方。2. 根据权利要求1所述的一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，其特征在于，所述 的长周期光纤光栅(3)由电弧放电或紫外激光器制成，周期为200μπι~700μπι，光栅长度为 20mm;采用磁控溅射法在长周期光纤光栅(3)-侧溅射氢敏感薄膜(4)，具体为膜厚25nm~ 400nm的钯薄膜。3. 根据权利要求1所述的一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，其特征在于，所述 的第一储气罐(10)内装有纯氮气，第二储气罐(11)内装有含有4%氢气含量的氮气。
【专利摘要】本发明提供了一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，其特征在于：由宽带光源(1)、入射光纤(2)、长周期光纤光栅(3)、氢敏感薄膜(4)、恒温气室(5)、气体产生装置(6)、排气口(7)、出射光纤(8)、光谱分析仪(9)组成；宽带光源(1)发出的光束耦合到入射光纤(2)，入射光纤(2)的出射光束耦合到长周期光纤光栅(3)，长周期光纤光栅(3)的出射光束耦合到出射光纤(8)，出射光纤(8)与光谱分析仪(9)相连；长周期光纤光栅(3)的一侧溅镀氢敏感薄膜(4)，置于恒温气室(5)中。所述的一种基于长周期光纤光栅的氢气传感装置，具有结构简单、易于操作、灵敏度高、安全性能好的优点。
【IPC分类】G01N21/41
【公开号】CN105527249
【申请号】CN201610028101
【发明人】严洒洒, 沈常宇, 王友清, 包立峰, 楼伟民, 申屠锋营
【申请人】中国计量学院
【公开日】2016年4月27日
【申请日】2016年1月13日