一種光纖氫氣傳感器的制造方法
【專利摘要】一種光纖氫氣傳感器。它是將單模光纖與毛細管直接熔接，向毛細管中填充聚合物，在熔接處留存一定空氣間隙構成法布里?珀羅干涉儀；在毛細管外壁涂敷三氧化鎢載鉑催化劑(Pt?loaded WO3)粉末。利用H2與O2在Pt?loaded WO3粉末催化下發(fā)生放熱反應，以及聚合物較大的熱膨脹系數(shù)，實現(xiàn)氫氣濃度的高靈敏度測量。
【專利說明】
一種光纖氫氣傳感器
技術領域
[0001 ]本實用新型涉及一種檢測氫氣濃度的光纖傳感裝置。
【背景技術】
[0002] 氫氣因其燃燒充分，易制備等特點，成為一種深受歡迎的清潔能源，應用于航天、 發(fā)電等領域。同時，它又具有較寬的爆炸極限(4%_75%體積比），使用時得十分注意其濃度 變化。因此，氫氣泄露檢測或高精度的氫氣濃度檢測顯得尤為重要。
[0003] 光纖傳感器具有抗電磁干擾和便于遠距離遙感等特點，尤其是不涉及任何明火， 因此安全可靠，廣泛應用于各種易燃易爆場合。1984年美國Sandia國家實驗室Butler和 Ginley教授首次研究光纖氫敏傳感技術，隨后美國國家航空航天局、波音公司、馬里蘭大 學、DCH Technologies、華盛頓大學、加拿大多倫多大學、法國的信號與儀器處理實驗室和 澳大利亞的新南威爾士大學等單位相繼開展了此項技術的研究，多種光纖氫氣傳感器被設 計和研制。如基于光纖布拉格光柵、光纖干涉儀、表面等離子結構，以及光纖倏逝場結構等 各種光纖傳感器應運而生。這些傳感器中絕大多數(shù)是在光纖表面涂敷氫敏材料，如Butler 提出在光纖端面鍍一層鈀膜或多層鈀與氧化硅薄膜構成微透鏡型氫氣傳感器;Garcia和 Mandelis提出將半導體激光器發(fā)出的激光通過分束器產生兩束光波并分別照射在氣流室 中鍍有鈀膜的氫氣敏感面和鍍有鋁膜的參考極板上，通過比較兩束光最終的光強來實現(xiàn)探 測氫氣濃度，該方法提高了傳感器對環(huán)境的適應性和測試精度，等。然而，這些傳感器受限 于光纖本身微弱的彈光效應或折射率不敏感特性，導致其氫氣傳感的靈敏度不高，通常都 低于5nm/%(v/v)。表面等離子結構的光纖傳感器具有較高的靈敏度，但是需要精確控制鍍 膜厚度(通常是納米量級），因此其制備較復雜，其使用受到一定限制。
[0004] 三氧化鎢載鉑催化劑(Pt-loaded W03)具有良好的氫敏特性，近年來受到廣泛關 注和研究。如Ying Wang提出通過在選擇性填充的光子晶體光纖干涉儀表面涂敷Pt-loaded W03粉末，利用氫敏粉末的熱效應和光纖干涉儀較高的溫度敏感特性從而實現(xiàn)了氫氣的高 靈敏度檢測。但其缺點是需要應用到價格昂貴的光子晶體光纖，且其選擇性填充需要應用 到飛秒激光器，制備比較復雜，限制該傳感器的廣泛應用。

【發(fā)明內容】

[0005] 為提高光纖氫氣傳感器的靈敏度，且簡化其制作流程和降低制備成本，本實用新 型提出了一種新的光纖氫氣傳感結構，該結構將單模光纖與側面涂敷Pt-loaded W03粉末 且填充聚合物的毛細管相連，在連接處留存一定空氣間隙構成法布里-珀羅干涉儀，從而達 到對氫氣濃度的高靈敏傳感的目的。
[0006] 本實用新型所采用的技術方案是:將一小截毛細管與單模光纖直接熔接，在毛細 管內填充聚合物(其主要成分包括不飽和聚酯或丙烯酸酯、活性稀釋劑和光引發(fā)劑等），在 聚合物與單模光纖和毛細管的熔接界面之間形成一個空氣間隙，然后在毛細管外壁涂敷 Pt-loaded W03粉末。進一步，所用的單模光纖為通信用單模光纖，其包層直徑為125微米。 所用毛細管為石英毛細管，其長度為100-1000微米，內徑為30-100微米，外徑為120-180微 米。毛細管內填充的聚合物具有紫外光照固化的特性，即液態(tài)的聚合物經紫外光照射后會 固化。毛細管外壁涂敷的Pt-loaded W03粉末的厚度為10-50微米。毛細管內填充聚合物后， 在單模光纖和毛細管的熔接處留存一個空氣間隙，其長度為10-50微米。
[0007] 本實用新型的具體工作原理是:毛細管內填充的聚合物與單模光纖和毛細管的熔 接界面之間形成一個空氣間隙，構成一個法布里-珀羅干涉儀。當傳感器接觸到混有出的空 氣時，空氣中的〇2與H 2在Pt-loaded W03粉末作用下發(fā)生放熱反應并且引起局部溫度的升 高，此化學反應過程可表示為：
[0008]
[0009]
[0010] 溫度的升高引起毛細管內聚合物的受熱膨脹，進而引起法布里-珀羅干涉儀腔長 的改變，進一步導致該干涉儀的反射光譜波長漂移。該反射光譜波長漂移量的大小與氫氣 濃度的大小存在正相關的關系。通過檢測波長漂移量，從而實現(xiàn)氫氣濃度的實時測量。由于 聚合物的熱膨脹系數(shù)遠大于單模光纖和石英毛細管的熱膨脹系數(shù)，因此，該傳感器具有極 高的溫度靈敏度，又由于W〇3粉末的催化下和空氣中0 2反應產生熱效應，從 而實現(xiàn)了該傳感器的高靈敏度氫氣濃度測量。
[0011] 本實用新型的有益效果是：
[0012] 1)傳感器制備簡單，成本低，只需將單模光纖和毛細管直接熔接，然后在毛細管內 注入聚合物，以及在其外壁涂敷Pt-loaded W〇3粉末即可。
[0013] 2)傳感器尺寸小，全長不超過1毫米，方便在狹小空間使用。
[0014] 3)巧妙利用出與02在Pt-loaded W03粉末催化下發(fā)生放熱反應，以及聚合物較大的 熱膨脹系數(shù)，實現(xiàn)了氫氣濃度的高靈敏度測量。
【附圖說明】
[0015] 下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0016] 圖1是本實用新型的結構示意圖。圖中：
[0017] ⑴單模光纖，⑵毛細管，⑶聚合物，⑷三氧化媽載鉬催化劑(Pt-loaded W03) 粉末。
【具體實施方式】
[0018]如圖1，制備傳感器的步驟為:第一步，將通信用單模光纖和毛細管直接熔接;第二 步，在毛細管內注入液態(tài)聚合物，然后置于紫外燈照射下將聚合物固化;第三步，在毛細管 的外壁涂敷Pt-loaded W03粉末。其特征為:利用的通信用單模光纖包層直徑為125微米，所 用毛細管為石英毛細管，其長度為100-1000微米，內徑為30-100微米，外徑為120-180微米。 毛細管內填充的聚合物具有紫外光照固化的特性，即液態(tài)的聚合物經紫外光照射后會固 化。毛細感外壁涂敷的三氧化鎢載鉑催化劑粉末的厚度為10-50微米。毛細管內填充聚合物 后，在單模光纖和毛細管的熔接處形成一個空氣間隙，其長度為10-50微米，構成一個法布 里-?自羅干涉儀。
[0019]使用時，傳感器的單模光纖輸入端與光纖環(huán)行器的輸出端相連，該環(huán)行器的兩個 輸入端分別與寬帶光源和光譜儀相連。當傳感器接觸到混有出的空氣時，空氣中的02與Η2在 Pt-loaded W03粉末作用下發(fā)生放熱反應并且引起局部溫度的升高。溫度的升高引起毛細 管內聚合物的受熱膨脹，進而引起法布里-珀羅干涉儀腔長的改變，進一步導致該干涉儀的 反射光譜波長漂移。該反射光譜波長漂移量的大小與氫氣濃度的大小存在正相關的關系。 通過檢測波長漂移量，從而實現(xiàn)氫氣濃度的實時測量。
【主權項】
1. 一種光纖氫氣傳感器，其特征在于:該傳感器包括單模光纖（1)、毛細管（2)，毛細管 內填充有聚合物(3)，并且毛細管外壁涂敷Pt-loaded W03粉末(4)。2. 根據(jù)權利要求1所述的光纖氫氣傳感器，其特征在于:單模光纖（1)與毛細管(2)直接 熔接，且單模光纖(1)為通信用單模光纖，其包層直徑為125微米。3. 根據(jù)權利要求1所述的光纖氫氣傳感器，其特征在于:毛細管（2)的長度為100-1000 微米，內徑為30-100微米，外徑為120-180微米，其內填充的聚合物(3)具有紫外光照固化的 特性，且毛細管外壁涂敷的Pt-loaded W03粉末(4)的厚度約為10-50微米。4. 根據(jù)權利要求1所述的光纖氫氣傳感器，其特征在于:毛細管（2)內填充的聚合物與 單模光纖（1)和毛細管(2)的熔接界面之間形成一個空氣間隙，該空氣間隙長度為10-50微 米。
【文檔編號】G01N21/25GK205656120SQ201521143688
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年12月31日 公開號201521143688.5, CN 201521143688, CN 205656120 U, CN 205656120U, CN-U-205656120, CN201521143688, CN201521143688.5, CN205656120 U, CN205656120U
【發(fā)明人】楊易, 徐賁
【申請人】中國計量學院