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1、氢光纤传感器本讲稿第一页，共十七页设计意义布拉格光栅工作原理氢传感器的传感原理传感器系统设计待解决的问题目录目录本讲稿第二页，共十七页设计意义设计意义氢气是重要的化工原料,也是重要的清洁能源使用和贮存氢气都是很危险的事情,如果泄露到空气中的氢气原子数量达到易于点火的比例(在室温和一个大气压下最低为4%,最高为74.5%),则有可能引起爆炸事故，故在氢气的使用中必须对环境中氢气的含量进行检测并对其泄漏进行监测。本讲稿第三页，共十七页布拉格光栅工作原理布拉格光栅工作原理光纤布拉格光栅是一种全光纤无源器件。当一束光进入FBG时,它能对波长满足Bragg反射条件的入射光产生反射。本讲稿第四页，共十七页
2、光纤布拉格光栅中心反射波长为：(1)neff为导波模的有效折射率;为光栅的周期。在受应力时会由于光栅周期的伸缩及弹光效应引起波长的改变;而温度的影响则是由于热膨胀效应和热光效应。经研究证明,热效应和力效应相互独立。本讲稿第五页，共十七页I.应变的测量:波长漂移 和它所受的纵向应变 的关系式(2)(3)其中 是光纤的弹光系数，和 是光纤的光学应力张量分量；是泊松系数。本讲稿第六页，共十七页II.温度的测量：设温度变化为 ,与之相对应的FBG中心波长的变化 由下式给出(4)是光纤的热光系数。本讲稿第七页，共十七页氢传感器的传感原理氢传感器的传感原理当钯暴露于氢气环境中，氢气分子会吸附于钯的表面，并
3、逐渐分解为氢原子，然后氢原子会渗入到金属钯内与钯作用生成氢化物。本讲稿第八页，共十七页在室温条件下，钯可以吸收自身体积900倍的氢气，钯吸收大量氢气时并不丧失其延展性,形成了多晶钯氢化物。钯对氢气的吸收和释放是可逆的过程(5)钯膜膨胀使得光纤拉伸，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，故布拉格波长的变化量与氢气浓度有关，从而通过布拉格波长可以确定该处氢气浓度的大小。本讲稿第九页，共十七页Sutapun等人对钯材料和氢分子之间的相互作用建立了理论模型(6)当环境的温度变化时，光纤和钯膜都会扩展。由钯膜膨胀而引起的波长漂移量为：(7)本讲稿第十页，共十七页传感器系统设计传感器
4、系统设计宽带光源隔离器耦合器进气口出气口FBG解 调系 统流量计由980nm的LD泵浦经过一段掺Er光纤形成波段为15251565nm的ASE宽带光源。本讲稿第十一页，共十七页隔离器的作用是防止FBG反射回来的光进入宽带光源内，而影响其正常运转。FBG中心波长为1550nm，直径为35m的包层外镀有厚度为300nm的钯膜。FBG装在一个体积为300cm3的铁氟龙套管内，有两个口分别为出气口和进气口。本讲稿第十二页，共十七页系统所处环境的温度保持恒定室温。解调系统是波长解调仪，当氢气浓度超过一定值时发出报警信号。在敏感氢气浓度的范围内0.3%1.8%左右线性度非常好。所以解调系统报警时氢气浓度值
5、设为1.5%。本讲稿第十三页，共十七页待解决的问题待解决的问题1.系统的响应时间.我们可以把镀钯的FBG放置在充满氢气和氮气混合气体的容器中,其中氢气含量为2%。每隔1s 记录一次反射波长,传感器的布拉格波长为1550nm。2.精确度：即系统能感应的最小的氢气浓度变化值，也可以通过上述办法得到实验结果。本讲稿第十四页，共十七页3.温度变化后系统的改进：若系统所处的环境没有恒温的条件，可以另外加一个中心波长不同的FBG，只随温度的改变而改变，将其与镀钯的FBG作对比，从而排除温度对测氢FBG的影响。本讲稿第十五页，共十七页4.Pd膜厚度小PHx容易饱和，使测试范围较小；Pd膜太厚，则机械强度低，稳定性差，响应时间长。为了提高测试范围和对环境变化的适应性，可采用氢敏感复合膜：Pd合金膜：Pd/Ni、Pd/Ag合金等。Pd/无机膜：主要有Pd/WO3和Pd/V2O5。Pd/聚合物膜：典型的为Pd/PVDF氢气敏感膜。本讲稿第十六页，共十七页THANK YOU!本讲稿第十七页，共十七页