专利名称：一种氢气浓度检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种氢气浓度检测装置，更特别地说，涉及一种基于光纤传感系统的氢气浓度检测装置。属于气体浓度检测设备技术领域。
背景技术：
氢气是重要的化工原料，也是重要的清洁能源，因此得到了广泛应用。在航天工业中，氢已成为航天器发动机的主要燃料。氢气分子非常小，无论是固态还是液态的氢都非常易挥发、易燃、易爆，在存储与运输过程中易发生泄漏。当空气中泄漏的氢气浓度达到4%-74. 2%，空气变得易燃，从而也极易导致空气爆炸。因此，研制能探测氢气爆炸下限范围内浓度变化的探测器显得尤为重要。目前，氢气的检测技术主要有光纤氢气传感器、电化学氢气传感器、半导体氢气传 感器、声表面波(SAW)传感器、光声气体传感器、气相色谱-原子吸收光谱法、质谱法等。与其他类型的传感器相比，光纤氢传感器具有许多独特的优点体积�。亓壳幔沧凹虻ィ杀镜停涣槊舳雀撸煊κ奔涠蹋还庀舜邢低巢灰资艿绱懦「扇牛鼙苊獠鸹ǎ员徊饣肪掣扇判。獠唤瞿芄惶岣呦低车陌踩龋铱梢约跎傥こ杀荆黾邮褂玫目煽慷取８菁觳庠淼牟煌庀饲馄衅鞣治狥-P干涉型、微镜型、消逝场型、布拉格光栅型等类型。F-P干涉型和消逝场型的氢气传感器制造技术复杂、可靠性差；微镜型和布拉格光栅型氢传感器发展较为成熟、开始进入实用检测氢气浓度，由于使用的光纤类型限制，这种技术受温度的影响大，容易产生温度和氢气浓度传感信号交叉，影响其使用效果O本发明提供的是一种基于保偏光子晶体光纤干涉系统的氢气浓度检测装置。传感光纤可以制作成满足检测浓度要求的最佳长度，所镀钯膜的长度可以较长，且钯膜的长度越长，氢气浓度检测灵敏度越高。对于其他类型光纤氢气传感器，例如光栅式传感器的钯膜长度略大于栅区长度，消逝场型传感器的钯膜只能镀在拉锥或研磨区域等，长度一般较短；增加光学检测系统中传感光纤的镀膜长度易于实现，从而提高了氢气检测的灵敏度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了实现高灵敏度的氢气浓度检测，克服温度对氢气浓度检测的传感信号交叉，本发明提供一种新型的基于光纤传感系统的氢气浓度检测装置。见图I、图3、图4A，本发明一种氢气浓度检测装置，它包括有氢气传感头10、集成光信号�？�2和信号处理单元3，彼此之间相互连接；其中，氢气传感头10包括有镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤I、第一光纤稱合器4a、保护套管5、光纤固定架6、光纤适配器7、尾纤护套14 ;集成光信号�？�2包括光源8、光谱接收装置9和第二光纤耦合器4b ;它们之间的位置连接关系及信号光走向是光源8发出的信号光接入第二光纤耦合器4b的反射端R端，从第二光纤稱合器4b的第一出射端A端经光纤适配器7插接入第一光纤稱合器4a的反射端R端；信号光被分成两束光，并从第一光纤稱合器4a的A端和B端输出，进入镀有钮膜的保偏光子晶体传感光纤1，沿顺、逆时针方向传输，在第一光纤耦合器4a中发生干涉；干涉信号从第一光纤耦合器4a反射端R端输出，返回至第二光纤耦合器4b的第一出射端A端，并从第二光纤耦合器4b透射端T端接入光谱接收装置9。镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤I置于光纤固定架6内，并在保护套管5内与第一光纤耦合器4a连接；保护套管5与光纤固定架6连接为一体；尾纤护套14 一端与保护套管5连接，另一端与光纤适配器7连接；第一光纤耦合器4a的第一出射端A端、第二出射端B端分别与镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤I的两端熔接；第二光纤耦合器4b的第一出射端A端与第一光纤耦合器4a的反射端R端引出的光纤适配器7插接；第二光纤耦合器4b的反射端R端与光源8熔接，透射端T端与光谱接收装置9熔接；信号处理单元3与光谱接收装置9通过数据线连接，接收输出的光谱特性，得到反射端干涉光谱极小峰值波长的移动，计算并输出氢气浓度值。所述镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤I是在光纤外径上镀有钯膜的保偏光子晶体光纤，该保偏光子晶体光纤可以为实芯保偏光子晶体光纤，也可以为空芯保偏光子晶体光纤。 所述信号处理单元3是在计算机上通过VC语言编写的峰值解调程序和信号解算程序，通过数据线连接计算机接受光谱接收装置9输出的光谱特性，峰值解调程序实时采集得到光谱特性中的极小峰值波长的移动，再利用根据数学模型设计的信号解算程序计算并输出氢气浓度值。所述第一光纤稱合器4a和第二光纤稱合器4b是米用ORTE Photonics公司生产的典型的四端口结构的50/50分光的光纤耦合器，能够对中心波长为1550nm的光进行传输，反射端R端、透射端T端一般为光纤稱合器的入纤端，A端、B端为光纤稱合器的出射端。所述保护套管5是呈圆柱形的空芯管，适合装入光纤耦合器。第一光纤耦合器4a粘接固定在保护套管5中，保护套管5 —端与光纤固定架6连接成一体，另一端引出由尾纤护套14加固保护的第一光纤耦合器4a反射端R端尾纤。所述光纤固定架6是由四根支柱和固定支柱上下的环形支架连接组成，每个支柱上带有阵列通孔，传感光纤盘旋穿过阵列通孔。盘旋的传感光纤各圈之间有一定间距，保证镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤I与气氛充分接触。所述光纤适配器7是连接敏感光路与光源及波长解调部分的接头，接头形式可以是 FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC、ST/PC 或者 ST/APC。所述光源8可以是Micron Optics公司生产的SM125型光纤光栅解调仪内部集成的扫描激光器，其扫描波长范围为1510nm至1590nm ;也可以是宽谱的掺铒光纤光源(SFS),其中心波长为1545nm，输出功率大于10mW，带宽大于40nm。所述光谱接收装置9可以是光纤光栅解调仪内部集成的光探测器；也可以是日本横河电机公司(Y0K0GAWA公司)生产的AQ6370型光谱分析仪。所述尾纤护套14是在保护套管5的出纤口处填充硅胶并外覆聚合物材料护套，保护第一光纤耦合器4a的反射端R端的尾纤。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是根据所建立的氢气浓度检测数值模型，通过对获得的反射光谱的极小值波长进行测试，实现对氢气浓度的检测。
本发明的氢气浓度的检测的数学模型为
权利要求
1.一种氢气浓度检测装置，其特征在于它由氢气传感头(10)、集成光信号�？�(2)和信号处理单元(3)组成，彼此之间相互连接；其中，氢气传感头(10)包括有镀有钯膜的保偏光子晶体传 感光纤(I)、第一光纤稱合器4a、保护套管(5)、光纤固定架(6)、光纤适配器(7)、尾纤护套(14);集成光信号�？�(2)包括光源(8)、光谱接收装置(9)和第二光纤耦合器4b ;光源(8)发出的信号光接入第二光纤稱合器4b的反射端R端,从第二光纤稱合器4b的第一出射端A端经光纤适配器(7)插接入第一光纤稱合器4a的反射端R端；信号光被分成两束光，并从第一光纤稱合器4a的A端和B端输出，进入镀有钮膜的保偏光子晶体传感光纤(I)，沿顺、逆时针方向传输，在第一光纤耦合器4a中发生干涉；干涉信号从第一光纤耦合器4a反射端R端输出，返回至第二光纤耦合器4b的第一出射端A端，并从第二光纤耦合器4b透射端T端接入光谱接收装置(9);镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤(I)置于光纤固定架(6)内，并在保护套管(5)内与第一光纤耦合器4a连接；保护套管(5)与光纤固定架(6)连接为一体；尾纤护套(14) 一端与保护套管(5)连接，另一端与光纤适配器(7)连接；第一光纤耦合器4a的第一出射端A端、第二出射端B端分别与镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤(I)的两端熔接；第二光纤耦合器4b的第一出射端A端与第一光纤耦合器4a 的反射端R端引出的光纤适配器(7)插接；第二光纤耦合器4b的反射端R端与光源(8)熔接，透射端T端与光谱接收装置(9)熔接；信号处理单元(3)与光谱接收装置(9)通过数据线连接，接收输出的光谱特性，得到反射端干涉光谱极小峰值波长的移动，计算并输出氢气浓度值； 所述镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤(I)是在光纤外径上镀有钯膜的保偏光子晶体光纤，该保偏光子晶体光纤为实芯或空芯保偏光子晶体光纤； 所述信号处理单元(3)是在计算机上通过VC语言编写的峰值解调程序和信号解算程序，通过数据线连接计算机接受光谱接收装置9输出的光谱特性，峰值解调程序实时采集得到光谱特性中的极小峰值波长的移动，再利用根据数学模型设计的信号解算程序计算并输出氢气浓度值； 所述第一光纤稱合器4a和第二光纤稱合器4b是四端口结构的50/50分光的光纤I禹合器，能够对中心波长为1550nm的光进行传输,反射端R端、透射端T端为光纤稱合器的入纤端，A端、B端为光纤I禹合器的出射端； 所述保护套管(5)是呈圆柱形的空芯管，适合装入光纤耦合器，第一光纤耦合器4a粘接固定在保护套管(5)中，保护套管(5)—端与光纤固定架(6)连接成一体，另一端引出由尾纤护套(14)加固保护的第一光纤耦合器4a反射端R端尾纤； 所述光纤固定架(6)是由四根支柱和固定支柱上下的环形支架连接组成，每个支柱上带有阵列通孔，传感光纤盘旋穿过阵列通孔，盘旋的传感光纤各圈之间有间距，保证镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤(I)与气氛充分接触； 所述光纤适配器(7)是连接敏感光路与光源及波长解调部分的接头，接头形式是FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC、ST/PC 或者 ST/APC ； 所述光源(8)是SM125型光纤光栅解调仪内部集成的扫描激光器,其扫描波长范围为1510nm至1590nm;或者是宽谱的掺铒光纤光源SFS，其中心波长为1545nm，输出功率大于IOmff,带宽大于40nm ； 所述光谱接收装置(9)是光纤光栅解调仪内部集成的光探测器；或者是AQ6370型光谱分析仪； 所述尾纤护套(14)是在保护套管(5)的出纤口处填充硅胶并外覆聚合物材料护套，保护第一光纤耦合器4a的反射端R端的尾纤。
全文摘要
一种氢气浓度检测装置，它由氢气传感头(10)、集成光信号�？�(2)和信号处理单元(3)组成，彼此之间相互连接；其中，氢气传感头(10)包括有镀有钯膜的保偏光子晶体传感光纤(1)、第一光纤耦合器4a、保护套管(5)、光纤固定架(6)、光纤适配器(7)、尾纤护套(14)；集成光信号�？�(2)包括光源(8)、光谱接收装置(9)和第二光纤耦合器4b；该装置采用的光路性能可靠、稳定；采用的镀有钯膜的保偏光子晶体光纤的材料一致性好，具有良好的温度不敏感性；氢敏钯膜的镀膜长度可以根据灵敏度要求设计，实现高灵敏度检测。本发明对温度的变化不敏感，系统结构简单、操作方便，抗干扰能力强、精度高。
文档编号G01N21/35GK102778443SQ20121028082
公开日2012年11月14日 申请日期2012年8月8日 优先权日2012年8月8日
发明者叶淼, 吴长莘, 张星, 杨明伟, 杨远洪 申请人:北京航空航天大学
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