光纤氢传感器的研究进展(2)

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-29 原文发表时间:2007-06-30 人气:1

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1．灵敏度

这种传感器能探测空气中1%的氢，且响应时间不大于10s。在不大于20o范围内改变入射角，响应不变。在低浓度的氢气中时，响应与响应时间随氢气浓度的变化均有明显的变化、可对氢气进行精确测量。当浓度高于2%时，响应随浓度的增加变化不大。而响应时间随氢气浓度的增加而减小，在浓度值接近相变时响应时间较长。AlainTrouuillet等设计了一种纯Pd膜微透镜型微量氢气测试仪器，将氢敏感的光纤探头放入一个保护套管中并用胶固定。这种光纤氢气传感测试装置已经安装在ARIANE V型火箭发动机上，实验数据表明：当氢气浓度为15%，温度为20℃～100℃时,响应时间在10s之内,如果浓度低于15%，温度低于70o，则响应时间小于10s。

2．再生能力

将传感器交替置于纯N2中和含4%H2的中N2，可以观察到传感器的响应和响应时间在宽的温度范围内（-196～23℃）有较好的再生能力。但随使用时间的加长，响应有减小的趋势，而响应时间有增大的趋势。

3．温度

在含4%H2的N2中，相变发生在36℃附近。在75℃时传感器工作于α相，响应时间很短但灵敏度较小；在-45℃时传感器工作于β相，响应时间较大、但灵敏度达到最大值。实验结果表明相变转换取决于温度和浓度两个因素，另外，要想传感器工作于α相获得高的响应速度、在浓度一定时应增加钯膜的温度。这一结论与装置工作于低温时不符，故应对钯膜局部加热使得在任何环境温度下，都能获得小的响应时间。

4．厚度

钯膜是传感器中最关键的部分，膜的厚度对响应时间和灵敏度都有影响。对各种厚度的膜（<200mm）的实验表明，厚的膜比薄的膜的响应时间要长，这是因为达到相同浓度的吸收，厚的膜需要的氢的量大，增大了吸氢反应的时间。但厚膜的灵敏度较高。所以，应根据具体要求来选择适当厚度的膜。

这种传感器是目前发展较为完善的一种光纤氢传感器。其制作工艺相对简单、信号提取与处理简单而且价格便宜，具有较高的灵敏度和快的响应速度。但这种传感器复用能力有限，需用光转换器来实现传感器之间切换，不适合对三维空间进行测量。

（四）基于布喇格光栅型光纤氢传感器

光纤布喇格光栅型传感器（FBGS）结构简单，可通过紫外线照射制作在纤芯上。FBGS有一个单模光纤的纤芯，光纤的折射率沿这段光纤周期性地变化。类似于一个窄带滤波器、反射回与布喇格光栅波长具有相同波长的光。光栅的布喇格波长。其中，neff为光纤的等效折射率，∧为光栅周期。

当镀有钯膜的光纤布喇格光栅暴露于氢气中时，钯与氢反应生成钯的氢化物。PdHx密度较小使得钯膜膨胀产生张力，这一张力可以通过比较FBG的发射谱和反射谱确定。钯膜膨胀还使得光纤拉伸，从而引起光栅周期∧与折射率变化。由于张力的大小由氢气浓度决定，故布喇格波长的变化量与氢气浓度有关，从而通过布喇格波长可以确定该处氢气浓度的大小。其特性为：

1．灵敏度

该传感器适合低浓度氢的测量，当氢气浓度在0.3%～1.8%，布喇格波长随氢气浓度线性变化，灵敏度为nm/1%H2.氢气浓度高于1.8%时灵敏度降低，且钯层易出现脱落现象。

2．温度特性

当环境温度变化时，钯膜高的膨胀率和收缩率使得光栅拉伸或收缩，导致光栅周期和有效折射率的变化当在氢气浓度一定时，在20℃和布喇格波长为829.73nm，布喇格波长随温度的变化为5.53×10-3nm/℃。

传感器的响应分别受氢气浓度和环境温度的影响。加大钯膜的厚度或者减小栅格的大小可获得高的灵敏度，但是，这将提高传感器的温度灵敏度，而且，栅格小于30μm～40μm时光纤易碎，不实用。

FBGS具有其他光纤传感器所具有的所有优点，另外，在一根光纤上可复用多个FBGS。目前，文献中涉及的此类传感器多用来测张力或温度，可用在桥梁、道路、船舶等建筑物中测量内部各点的张力。基于布喇格光栅的化学光纤传感器也得到较大的发展，这种传感器具有内在基准、可复用性好、无电信号、体积小、轻便等优点。但是，由于对波长位移的测量需要较复杂的技术和较昂贵的仪器或光纤器件，而且需要大功率的宽带光源或波长可调谐光源作为激励，因此检测的分辨率和动态范围会受到一定限制，使用这种传感器的成本也会很高。

三、发展趋势

氢的应用已经扩展到各个领域，制作廉价、轻便、稳定、安全的氢传感器也成了一个迫切需要解决的问题。氢气应用领域的扩大，给光纤氢传感器提供了一个广阔的发展空间。截至目前，相继研发的光纤氢传感器也较多，在欧洲，一种光纤氢传感器已成功地应用在火箭发动机中，NAS的ALangley研究中心与Sanders公司合作完成了单模分布式FBGS传感器在X-33可重复使用低温液氢贮箱上的布设，检测应变和氢浓度。氢气传感器的应用领域还扩大到氢气生产与贮存、氢燃料汽车和食品工业等，但是这些传感器在实际使用中不同程度地存在某些缺点，如由于敏感膜的结构原因不能产生线性的氢敏浓度响应，灵敏度不够高、响应时间长、检测仪器成本高等，另外有些光纤氢传感器不能很好地解决温度、湿度、压强等的影响，导致无法实用化。因此光纤氢传感器未来研究的重点和发展方向为：研究成本底、性能好、使用方便、以及具有好的复用能力的光纤氢传感器。

四、结束语

随着激光技术的发展和对敏感膜材料性能的进一步研究以及工艺制作方面的进步，光纤氢传感器在光源的选择、材料的的敏感性和稳定性等各方面都将有较大的突破，光纤氢传感器必将得到更为广泛的应用。 (

• 机器视觉提高质量控制的效率

• 无线传感器网络的安全问题及对策

• 虚拟仪器技术及其在数据采集中的应用

• 激光测量在数控机床定位中的应用

• MASSFLO质量流量计在精细化工中的应用

• 基于TMP04的PIC单片机测温实现

• 新型固体LBCAST JFET图像传感器