【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及氫氣傳感器，具體涉及一種基于游標效應的溫度不敏感型探針式光纖氫氣傳感器。
技術介紹
1、相較于傳統的電學式氫氣傳感器，光纖氫氣傳感器因其具有較強的抗電磁干擾特性，且在使用過程中無電火花產生而被廣泛研究。目前常見的光纖氫氣傳感器主要分為干涉型、表面等離子共振型、光纖光柵型和倏逝場型等幾類。
2、干涉型光纖氫氣傳感器其結構以基于琺布里-珀羅干涉原理的較為常見，傳感性能主要取決于氫氣敏感薄膜，其具有制備工藝簡單、響應速度快、靈敏度高等技術優勢，但易受外界環境溫度影響且穩定性相對較低。表面等離子共振型光纖氫氣傳感器具有結構緊湊，靈敏度高等優點，但其制造工藝較為復雜難以大批量制備，且易受環境溫度影響，不利于實際應用。
3、光纖光柵型氫氣傳感器因其具有波長復用能力而被應用于分布式測量，但其靈敏度較低且如何抑制溫度的影響是困擾其實際應用的難題。表面等離子共振型光纖氫氣傳感器具有體積小、靈敏度高等優勢，但也易受環境溫度影響且制備過程繁瑣。
4、而基于倏逝場原理的光纖氫氣傳感器具有結構靈活緊湊，靈敏度高和便于批量制備等技術優勢，但同樣易受外界環境溫度影響。
5、綜上所述，現有的光纖氫氣傳感器存在的技術缺陷是靈敏度較低、易受外界環境溫度影響。
技術實現思路
1、為了克服以上現有技術存在的缺陷，本專利技術提出一種基于游標效應的溫度不敏感型探針式光纖氫氣傳感器，利用游標效應提升傳感器氫氣測量靈敏度的同時消除環境溫度對測量結果的影響。該氫氣傳感器
2、為了實現上述目的，本專利技術采用的技術方案是：
3、一種基于游標效應的溫度不敏感型探針式光纖氫氣傳感器，包括寬帶光源1、光譜分析儀2；
4、所述寬帶光源1的輸出端連接光纖環形器3的a端口，光譜分析儀2輸入端與光纖環形器3的b端口相連；
5、所述光纖環形器3上的c端口連接長距離單模光纖4的輸入端；
6、長距離傳輸單模光纖4、傳感單元5、單模光纖6、參考單元7依次相連；
7、所述的傳感單元5用于敏感外界氫氣；
8、所述參考單元7用于為傳感單元5提供參考光譜，通過引入參考光譜進而形成光學游標效應，用以提升氫氣傳感的靈敏度并降低外界環境溫度對測量系統的影響。
9、所述的傳感單元5包括第一多芯光纖8和鈀膜9，第一多芯光纖8經過熔融拉錐后形成錐區和腰區，其中，錐區位于腰區兩側，通過磁控濺射在腰區覆蓋鈀膜9；
10、當第一多芯光纖8的腰區直徑達到數十微米時，各纖芯的能量發生強烈的耦合，從而改變各纖芯之間的耦合狀態，形成超模干涉，進而實現對輸入光的光譜調制；
11、所述的鈀膜9通過磁控濺射方式覆蓋在第一多芯光纖8的腰區；磁控濺射可以保證獲得致密、均勻且附著力強的鈀膜，因此可以使鈀膜9具有較好的均勻性并緊密貼合與光纖表面。
12、所述的參考單元7包括第二多芯光纖10和金膜11，第二多芯光纖10經過熔融拉錐后形成錐區和腰區，其中，錐區位于腰區兩側，通過磁控濺射第二多芯光纖10的端面在覆蓋金膜11；所述的金膜11用于將光反射；
13、所述的第二多芯光纖10經過熔融拉錐后情況與第一多芯光纖8相同，各纖芯直徑和芯間距根據拉錐長度發生等比例的減小；
14、當第二多芯光纖10的腰區直徑達到數十微米時，各纖芯的能量發生強烈的耦合，從而改變各纖芯之間的耦合狀態，形成超模干涉，進而實現對輸入光的光譜調制；
15、所述的金膜11通過磁控濺射方式覆蓋在第二多芯光纖10的端面，磁控濺射可以保證獲得致密、均勻且附著力強的金膜，因此可以使金膜11具有較好的均勻性并緊密貼合與光纖端面，更加利于光的反射；
16、所述的第一多芯光纖8的輸出端連接到單模光纖6的輸入端；所述的單模光纖6的輸出端連接至第二多芯光纖10的輸入端；所述長距離傳輸單模光纖4的輸出端連接到第一多芯光纖8的輸入端。
17、所述第一多芯光纖8為七芯光纖或四芯光纖，一個纖芯位于中央，其余邊芯圍繞中芯呈正六邊形分布，各芯間距為30～40μm。通過熔融拉錐使其相鄰纖芯的倏逝場發生嚴重重疊，激發超模干涉；
18、所述第二多芯光纖10為七芯光纖或四芯光纖，一個纖芯位于中央，其余邊芯圍繞中芯呈正六邊形分布，各芯間距為30～40μm，并且通過相同的熔融拉錐處理激發超模干涉進而形成游標光譜。
19、所述第一多芯光纖8長度約為10～12mm，鈀膜9厚度為5～10nm，長度需要覆蓋腰區為1cm左右；所述的參考單元7所使用的第二多芯光纖10長度約為10～12mm，金膜11厚度為100～150nm。
20、一種基于游標效應的溫度不敏感型探針式光纖氫氣傳感器的使用方法，包括以下步驟；
21、步驟1：光從寬帶光源1(波長范圍1540nm-1660nm)發出進入光纖環形器3的a端口，然后光通過光纖環形器3的c端口和長距離傳輸單模光纖4后進入傳感單元5并通過熔融拉錐后的第一多芯光纖8產生超模干涉；
22、步驟2：產生超模干涉的光通過單模光纖6進入參考單元7并通過熔融拉錐后的第二多芯光纖10在原有超模干涉光譜上疊加第二次超模干涉光譜，進而產生游標光譜；
23、步驟3：產生游標光譜之后光通過金膜11反射再次通過第二多芯光纖10、單模光纖6、第一多芯光纖8和長距離傳輸單模光纖4后通過c端口回到光纖環形器3，最后經過光纖環形器3的b端口進入光譜分析儀2中。
24、所述步驟1中，第一多芯光纖8的有效折射率neff1和鈀膜9的折射率，表示為：
25、
26、其中k0為真空中的波束，η為光在第一多芯光纖8中的傳輸比例，β為傳播常數，n1、npd分別為第一多芯光纖8和鈀膜9的折射率；
27、當外界環境中存在氫氣時，鈀膜9的折射率與氫氣濃度的關系表示為：
28、
29、其中，n0為無氫氣下鈀的折射率，a、b分別為常數，為外界氫氣濃度。
30、所述步驟2中，當第一多芯光纖8和第二多芯光纖10產生的干涉光譜自由光譜范圍(freespectrumrange，fsr)在幾納米范圍內時就會產生游標效應，且兩者對應的干涉光譜fsr1和fsr2分別為：
31、
32、其中neff1為第一多芯光纖8的有效折射率，r1為各纖芯之間的距離，l1為第一多芯光纖8的長度；neff2為第二多芯光纖10的有效折射率，r2為各纖芯之間的距離，l2為第二多芯光纖10的長度。
33、其中，r1＝r2，通過調整長度l1和l2使兩者的fsr相近；
34、第一多芯光纖8產生的超模干涉光譜和第二多芯光纖10產生的超模干涉光譜相疊加后的自由光譜范圍表示為：
35、
36、經游標效應所產生fsr是fsr1的數本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于游標效應的溫度不敏感型探針式光纖氫氣傳感器，其特征在于，包括寬帶光源(1)、光譜分析儀(2)；
2.根據權利要求1所述的一種基于游標效應的溫度不敏感型探針式光纖氫氣傳感器，其特征在于，所述的傳感單元(5)包括第一多芯光纖(8)和鈀膜(9)，第一多芯光纖(8)經過熔融拉錐后形成錐區和腰區，其中，錐區位于腰區兩側，通過磁控濺射在腰區覆蓋鈀膜(9)；
3.根據權利要求2所述的一種基于游標效應的溫度不敏感型探針式光纖氫氣傳感器，其特征在于，所述的參考單元(7)包括第二多芯光纖(10)和金膜(11)，第二多芯光纖(10)經過熔融拉錐后形成錐區和腰區，其中，錐區位于腰區兩側，通過磁控濺射第二多芯光纖(10)的端面在覆蓋金膜(11)；所述的金膜(11)用于將光反射；
4.根據權利要求2所述的一種基于游標效應的溫度不敏感型探針式光纖氫氣傳感器，其特征在于，所述的第一多芯光纖(8)的輸出端連接到單模光纖(6)的輸入端；所述的單模光纖(6)的輸出端連接至第二多芯光纖(10)的輸入端；所述長距離傳輸單模光纖(4)的輸出端連接到第一多芯光纖(8)的輸入端。
5.根據權利要求4所述的一種基于游標效應的溫度不敏感型探針式光纖氫氣傳感器，其特征在于，所述第一多芯光纖(8)為七芯光纖或四芯光纖，一個纖芯位于中央，其余邊芯圍繞中芯呈正六邊形分布，各芯間距為30～40μm，通過熔融拉錐使其相鄰纖芯的倏逝場發生嚴重重疊，激發超模干涉；
6.根據權利要求5所述的一種基于游標效應的溫度不敏感型探針式光纖氫氣傳感器，其特征在于，所述第一多芯光纖(8)長度為10～12mm，鈀膜(9)厚度為5～10nm，長度需要覆蓋腰區為1cm；所述第二多芯光纖(10)長度為10～12mm，金膜(11)厚度為100～150nm。
7.根據權利要求1-6任一項所述的一種基于游標效應的溫度不敏感型探針式光纖氫氣傳感器的運行方法，其特征在于，包括以下步驟；
8.根據權利要求7所述的一種基于游標效應的溫度不敏感型探針式光纖氫氣傳感器的運行方法，其特征在于，所述步驟1中，第一多芯光纖(8)的有效折射率neff1和鈀膜(9)的折射率，表示為：
9.根據權利要求7所述的一種基于游標效應的溫度不敏感型探針式光纖氫氣傳感器的使用方法，其特征在于，所述步驟2中，當第一多芯光纖(8)和第二多芯光纖(10)產生的干涉光譜自由光譜范圍在幾納米范圍內時就會產生游標效應，且兩者對應的干涉光譜FSR1和FSR2分別為：
10.根據權利要求9所述的一種基于游標效應的溫度不敏感型探針式光纖氫氣傳感器的運行方法，其特征在于，根據熱光效應，第一多芯光纖(8)和第二多芯光纖(10)的折射率n1、n2隨溫度的變化而變化，表示為：
...【技術特征摘要】
1.一種基于游標效應的溫度不敏感型探針式光纖氫氣傳感器，其特征在于，包括寬帶光源(1)、光譜分析儀(2)；
2.根據權利要求1所述的一種基于游標效應的溫度不敏感型探針式光纖氫氣傳感器，其特征在于，所述的傳感單元(5)包括第一多芯光纖(8)和鈀膜(9)，第一多芯光纖(8)經過熔融拉錐后形成錐區和腰區，其中，錐區位于腰區兩側，通過磁控濺射在腰區覆蓋鈀膜(9)；
3.根據權利要求2所述的一種基于游標效應的溫度不敏感型探針式光纖氫氣傳感器，其特征在于，所述的參考單元(7)包括第二多芯光纖(10)和金膜(11)，第二多芯光纖(10)經過熔融拉錐后形成錐區和腰區，其中，錐區位于腰區兩側，通過磁控濺射第二多芯光纖(10)的端面在覆蓋金膜(11)；所述的金膜(11)用于將光反射；
4.根據權利要求2所述的一種基于游標效應的溫度不敏感型探針式光纖氫氣傳感器，其特征在于，所述的第一多芯光纖(8)的輸出端連接到單模光纖(6)的輸入端；所述的單模光纖(6)的輸出端連接至第二多芯光纖(10)的輸入端；所述長距離傳輸單模光纖(4)的輸出端連接到第一多芯光纖(8)的輸入端。
5.根據權利要求4所述的一種基于游標效應的溫度不敏感型探針式光纖氫氣傳感器，其特征在于，所述第一多芯光纖(8)為七芯光纖或四芯光纖，一個纖芯位于中央，其余邊芯圍繞中芯呈正六邊形分布，各...
【專利技術屬性】
技術研發人員：郭茂森，曾心，丁暉，劉懷遠，李澤遠，張昕，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發明
國別省市：
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