氫光纖傳感器第1頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期一設(shè)計(jì)意義布拉格光柵工作原理氫傳感器的傳感原理傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)待解決的問題目錄第2頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期一設(shè)計(jì)意義氫氣是重要的化工原料,也是重要的清潔能源使用和貯存氫氣都是很危險(xiǎn)的事情,如果泄露到空氣中的氫氣原子數(shù)量達(dá)到易于點(diǎn)火的比例(在室溫和一個(gè)大氣壓下最低為4%,最高為74.5%),則有可能引起爆炸事故，故在氫氣的使用中必須對(duì)環(huán)境中氫氣的含量進(jìn)行檢測(cè)并對(duì)其泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)。第3頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期一布拉格光柵工作原理光纖布拉格光柵是一種全光纖無(wú)源器件。當(dāng)一束光進(jìn)入FBG時(shí),它能對(duì)波長(zhǎng)滿足Bragg反射條件的入射光產(chǎn)生反射。第4頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期一光纖布拉格光柵中心反射波長(zhǎng)為：(1)neff為導(dǎo)波模的有效折射率;Λ為光柵的周期。在受應(yīng)力時(shí)會(huì)由于光柵周期的伸縮及彈光效應(yīng)引起波長(zhǎng)的改變;而溫度的影響則是由于熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)。經(jīng)研究證明,熱效應(yīng)和力效應(yīng)相互獨(dú)立。第5頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期一I.應(yīng)變的測(cè)量:波長(zhǎng)漂移和它所受的縱向應(yīng)變的關(guān)系式(2)(3)其中是光纖的彈光系數(shù)，和是光纖的光學(xué)應(yīng)力張量分量；是泊松系數(shù)。第6頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期一II.溫度的測(cè)量：設(shè)溫度變化為,與之相對(duì)應(yīng)的FBG中心波長(zhǎng)的變化由下式給出(4)是光纖的熱光系數(shù)。第7頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期一氫傳感器的傳感原理當(dāng)鈀暴露于氫氣環(huán)境中，氫氣分子會(huì)吸附于鈀的表面，并逐漸分解為氫原子，然后氫原子會(huì)滲入到金屬鈀內(nèi)與鈀作用生成氫化物。第8頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期一在室溫條件下，鈀可以吸收自身體積900倍的氫氣，鈀吸收大量氫氣時(shí)并不喪失其延展性,形成了多晶鈀氫化物。鈀對(duì)氫氣的吸收和釋放是可逆的過程(5)鈀膜膨脹使得光纖拉伸，從而引起光柵周期∧與折射率變化。由于張力的大小由氫氣濃度決定，故布拉格波長(zhǎng)的變化量與氫氣濃度有關(guān)，從而通過布拉格波長(zhǎng)可以確定該處氫氣濃度的大小。第9頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Sutapun等人對(duì)鈀材料和氫分子之間的相互作用建立了理論模型(6)當(dāng)環(huán)境的溫度變化時(shí)，光纖和鈀膜都會(huì)擴(kuò)展。由鈀膜膨脹而引起的波長(zhǎng)漂移量為：(7)第10頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

寬帶光源隔離器耦合器進(jìn)氣口出氣口FBG解調(diào)系統(tǒng)流量計(jì)由980nm的LD泵浦經(jīng)過一段摻Er光纖形成波段為1525—1565nm的ASE寬帶光源。第11頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期一隔離器的作用是防止FBG反射回來(lái)的光進(jìn)入寬帶光源內(nèi)，而影響其正常運(yùn)轉(zhuǎn)。FBG中心波長(zhǎng)為1550nm，直徑為35μm的包層外鍍有厚度為300nm的鈀膜。FBG裝在一個(gè)體積為300cm3的鐵氟龍?zhí)坠軆?nèi)，有兩個(gè)口分別為出氣口和進(jìn)氣口。第12頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期一系統(tǒng)所處環(huán)境的溫度保持恒定室溫。解調(diào)系統(tǒng)是波長(zhǎng)解調(diào)儀，當(dāng)氫氣濃度超過一定值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在敏感氫氣濃度的范圍內(nèi)0.3%~1.8%左右線性度非常好。所以解調(diào)系統(tǒng)報(bào)警時(shí)氫氣濃度值設(shè)為1.5%。第13頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

待解決的問題

1.系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間.我們可以把鍍鈀的FBG放置在充滿氫氣和氮?dú)饣旌蠚怏w的容器中,其中氫氣含量為2%。每隔1s記錄一次反射波長(zhǎng),傳感器的布拉格波長(zhǎng)為1550nm。2.精確度：即系統(tǒng)能感應(yīng)的最小的氫氣濃度變化值，也可以通過上述辦法得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。第14頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.溫度變化后系統(tǒng)的改進(jìn)：若系統(tǒng)所處的環(huán)境沒有恒溫的條件，可以另外加一個(gè)中心波長(zhǎng)不同的FBG，只隨溫度的改變而改變，將其與鍍鈀的FBG作對(duì)比，從而排除溫度對(duì)測(cè)氫FBG的影響。第15頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.Pd膜厚度小PHx容易飽和，使測(cè)試范圍較?。籔d膜太厚，則機(jī)械強(qiáng)度低，穩(wěn)定性差，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。為了提高測(cè)試范圍和對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性，可采用氫敏感復(fù)合膜：①Pd合金膜：Pd/Ni、Pd/Ag合金等。②Pd/無(wú)機(jī)膜：主要有Pd/WO3