CN115452720A - 一种基于光子准晶体光纤的氢气传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于氢气检测技术领域，提供一种基于光子准晶体光纤的氢气传感器，包括：宽带光源、第一单模光纤、气室、光子准晶体光纤、第二单模光纤、分光光度计及电脑终端。宽谱光源发出的光经过第一单模光纤传送至光子准晶体光纤上，当待测气体氢气进入气室中时，光子准晶体光纤发挥传感作用，光子准晶体光纤测表面空气孔覆盖金属银膜及氢敏感膜，金属银膜在接受入射光条件下发生表面等离子体共振，当侧表面氢敏感膜与氢气发生反应时，会导致氢敏感膜折射率发生变化，从而改变表面等离子体的共振强度，导致分光光度计输出光谱上共振峰位置的变化，再利用计算机终端分析不同气体浓度下共振峰位置的变化情况来实现气体浓度的测量。
Description
技术领域
本发明属于氢气检测技术领域，具体涉及一种基于光子准晶体光纤的氢气传感器。
背景技术
氢气作为一种无污染、可再生和可持续的新能源，已经在航空航天、燃料电池、医疗应用、石油勘测、化学加工等诸多领域得到了广泛应用。然而，由于氢气分子量最小，具有极强的扩散性与渗透性，无色无味，所以非常容易发生泄漏且不易察觉，此外，氢气的低点火能量(0.018mJ)、高燃烧热(285.8kJ/mol)和较宽爆炸浓度范围(4％-75％)，使其成为高度易燃易爆危险性气体。因此，氢气的检测对于工业制造及日常生活的安全都具有重要意义。
目前，基于电化学特性的传统氢传感器已被开发并广泛应用于各个领域。电化学氢传感器是氢气与传感电极发生电化学反应引起电荷传输或电学性质的变化，从而实现氢气浓度检测。例如，中国专利CN201110335970.3公开了一种三电极固体电解质氢气传感器及采用该传感器的氢气浓度测量方法，通过测量一号测量电极与参比电极之间的电动势E1，二号测量电极与参比电极之间的电动势E2，计算两个电动势的比值，进而计算获得氢气浓度。然而，这类电化学氢传感器由于带有潜在的电火花，并且对氢气的选择性是非特异性的，甚至还会收到环境温度的干扰，从而产生误差。其他已申请的专利中的氢气传感器的结构复杂(如CN201921101612.4一种基于固体电解质的电化学氢气传感器)或采用液体电解质(如CN202110400850.0一种氢气传感器及其应用)，存在泄漏腐蚀等问题，成本高昂。
因此，鉴于传统电化学类氢传感器在安全性和气体选择性方面存在不足，发明一种能实现氢气传感且安全灵敏的氢气传感器成为一种迫切需要。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于光子准晶体光纤的氢气传感器，其具有不会产生火花，不受电磁干扰影响，并且能够远程读出数据，不受恶劣环境影响的优点。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于光子准晶体光纤的氢气传感器，包括：宽带光源、第一单模光纤、气室、光子准晶体光纤、第二单模光纤、分光光度计以及电脑终端；所述宽带光源发出的光经所述第一单模光纤传送至所述光子准晶体光纤，再由所述光子准晶体光纤经所述第二单模光纤传送至所述分光光度计，所述分光光度计获得的数据传输至电脑终端；所述光子准晶体光纤位于气室内。
所述光子准晶体光纤侧表面抛光打磨出两个矩形气孔，两个气孔沿光子准晶体光纤轴向对称，气孔表面镀有两层膜，第一层膜为金属银膜，目的是激发表面等离子体共振效应，第二层膜为氢气敏感薄膜WO3，用于改变光纤的有效折射率，所述光子准晶体光纤的材料为二氧化硅。
进一步地，所述光子准晶体光纤，去除其中心的气孔，沿光子准晶体光纤的中心轴线保留两层气孔，其中，内层气孔以正六边形结构排列，相邻的外层气孔与相邻的内层气孔共同构成正方形或正三角形。
进一步地，所述光源光谱范围为200nm～2500nm，所述光源为卤素灯、LED灯、汞灯或钠灯。
进一步地，所述气室中的气体由氮气与氢气组成。
传感方法为：宽谱光源发出的光经过第一单模光纤传送至光子准晶体光纤上，当待测气体氢气进入气室中时，光子准晶体光纤发挥传感作用，光子准晶体光纤测表面空气孔覆盖金属银膜及氢敏感膜，金属银膜在接受入射光条件下发生表面等离子体共振，当氢气敏感膜与氢气发生反应时，导致氢敏感膜折射率发生变化，从而改变表面等离子体的共振强度，导致分光光度计输出光谱上共振峰位置的变化，再利用计算机终端分析不同气体浓度下共振峰位置的变化情况来实现气体浓度的测量。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用光学原理进行检测氢气，不会受到环境温度、湿度等外部因素的干扰，具有极高的稳定性；
2、本发明无污染，并且由于氢敏感膜WO3只会与氢气发生作用，不会受到一氧化碳、二氧化碳和甲烷等其他气体的干扰，特异性高；
3、本发明在光子准晶体光纤侧面抛光打磨形成矩形孔覆盖银膜与氢敏感膜，制作简单，缩短银膜与纤芯之间的距离，加快氢气与氢敏感膜反应速度，灵敏度高；
4、本发明通过计算机终端对分光光度计测定的光谱中的共振峰进行分析，不仅能够实现对氢气的检测，还能构建光谱中的共振峰的位置、强度和线宽等特征的变化与氢气浓度之间的数值关系，从而可以实现对氢气浓度的精确检测；
5、本发明结构简单，成本低，体积小，重量轻，携带方便，可以满足实验室、工厂等对氢气检测的需要，便于推广。
附图说明
图1是一种基于光子准晶体光纤的氢气传感器的整体结构示意图。
图2与图3是光子准晶体光纤横截面示意图。
图中：1宽谱光源；2第一单模光纤；3气室；4光子准晶体光纤；5第二单模光纤；6分光光度计；7计算机终端。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
本发明提供一种基于光子准晶体光纤的氢气传感器，如图1所示，包括：宽带光源1、第一单模光纤2、气室3、光子准晶体光纤4、第二单模光纤5、分光光度计6及电脑终端7；具体如下：
宽谱光源1发出的光经过第一单模光纤2传送至由光子准晶体光纤4上，当待测气体氢气进入气室3中时，光子准晶体光纤4发挥传感作用，该光子准晶体光纤4侧表面经过抛光打磨处理形成两个矩形截面，并在截面上镀厚度为40nm的银膜，再将厚度为400nm的氢气敏感膜WO3涂覆在银膜表面。当第一单模光纤传送的光入射到金属银膜与氢气敏感膜分界面时，若入射光波的频率与电子的固有振荡频率相同时会产生等离子体共振，使纤芯模能量转移为金属表面自由电子的集体振动能，导致出射光产生损耗峰。表面等离子体共振对周围介质折射率变化极为敏感，当侧表面氢敏感膜与不同浓度的氢气发生反应导致氢敏感膜折射率发生不同的变化，从而改变表面等离子体的共振强度，对共振波长产生一定的影响，共振波长通过光子准晶体光纤4经第二单模光纤5传送至分光光度计6上，氢气浓度的变化将直接反应在分光光度计6输出光谱上共振峰位置等特征的变化上，再利用计算机终端7分析不同气体浓度下共振峰位置等特征的变化情况来实现气体浓度的测量。
本发明提出的光子准晶体光纤结构如图2和图3所示，去除图3虚线所示中心空气孔以增强与外层金属膜之间的等离子体共振，光子准晶体光纤内部具有两层空气孔。第一层气孔(内层)以正六边形结构排列，相邻的第二层气孔(外层)与相邻的第一层气孔共同构成正方形或内角为60°的正三角形结构，如图3结构示意图所示。第一层中的较大气孔的直径为d1，第一层其余较小气孔及第二层气孔的直径为d2，相邻气孔之间的间距为Λ。合理地调节第一层与第二层空气孔的孔间距和孔直径，可以获得差值较大的折射率，能够更加有效地实现波导色散的控制，从而提高传感器的灵敏度。光子准晶体光纤侧面抛光打磨形成两个矩形截面，并在截面上镀厚度h1为40nm的银膜，再将厚度h2为400nm的氢气敏感膜WO3涂覆在银膜表面。抛光光子准晶体光纤的目的是缩短纤芯与所镀银膜之间的距离，以增强等离子体响应并提高灵敏度，打磨成矩形有利于氢气与氢敏感膜快速反应，提高灵敏度。
光子准晶体光纤具体结构参数如下：光子准晶体光纤直径D为14μm，晶格常数Λ为3μm，两侧表面距离中心L1为5μm，矩形侧孔高度L2为4μm，第一层两个较大气孔直径d1为1.8μm，第一层其余气孔及第二层气孔直径d2为1.5μm，银膜厚度h1为40nm，氢气敏感膜厚度h2为400nm。
本发明提供的上述基于光子准晶体光纤的氢气传感器，可用于监测核电站冷却系统或电力变压器等的氢气浓度，在航空航天工程、石油勘探、冶金炼油厂、低温冷却、化学加工、汽车等众多领域氢气安全检测中有着广泛的应用前景。
Claims (5)
1.一种基于光子准晶体光纤的氢气传感器，其特征在于，所述的基于光子准晶体光纤的氢气传感器包括：宽带光源、第一单模光纤、气室、光子准晶体光纤、第二单模光纤、分光光度计以及电脑终端；所述宽带光源发出的光经所述第一单模光纤传送至所述光子准晶体光纤，再由所述光子准晶体光纤经所述第二单模光纤传送至所述分光光度计，所述分光光度计获得的数据传输至电脑终端；所述光子准晶体光纤位于气室内；
所述光子准晶体光纤侧表面抛光打磨出两个矩形气孔，两个气孔沿光子准晶体光纤轴向对称，气孔表面镀有两层膜，第一层膜为金属银膜，第二层膜为氢气敏感薄膜WO3；所述光子准晶体光纤的材料为二氧化硅。
2.根据权利要求1所述的一种基于光子准晶体光纤的氢气传感器，其特征在于，所述光子准晶体光纤，去除其中心的气孔，沿光子准晶体光纤的中心轴线保留两层气孔，其中，内层气孔以正六边形结构排列，相邻的外层气孔与相邻的内层气孔共同构成正方形或正三角形。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于光子准晶体光纤的氢气传感器，其特征在于，所述光源光谱范围为200nm～2500nm，所述光源为卤素灯、LED灯、汞灯或钠灯。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于光子准晶体光纤的氢气传感器，其特征在于，所述气室中的气体由氮气与氢气组成。
5.根据权利要求3所述的一种基于光子准晶体光纤的氢气传感器，其特征在于，所述气室中的气体由氮气与氢气组成。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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