光纤传感.doc

探测氢气泄漏的布拉格光栅型传感器王聪 200911688摘 要 氢是重要的航天能源物质,也是影响航天器安全与寿命的重要因素。本文在查阅文献后设计一种氢光纤布拉格光栅传感器，以金属钯可以吸收氢的特性作为基础，在光纤光栅外镀一层金属钯膜，靠光纤光栅的应变来测量空气中氢气的含量。关键词 光纤传感器; 布拉格光栅; 氢气探测; 钯膜1.引言光纤气体和化学传感器在探测气体和化学物质的环境安全方面有着很重要的应用。其中很重要的一个特点是，可以在潜在的爆炸性环境中运转；除此之外，还有设计简单、高灵敏度等优点。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。但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利用氢气传感器对环境中氢气的含量进行检测并对其泄漏进行监测。长期以来,人们一直在寻找选择性好、灵敏度高、响应速度快、能耗低、稳定性好、制作工艺简单且易集成化的廉价氢气传感器1-5。目前，已有多种固态氢传感器用于测量氢浓度，固态氢传感器不但方便易用，而且感知氢能力高，但它主要应用于较低氢浓度的探测，因为在氢浓度高的环境下，电信号有可能引起火花，从而引发爆炸。相比而言,光纤氢传感器不论是传感器还是信号处理单元,采用的都是光信号,这使得光纤传感器可以应用于工作条件恶劣的环境中。已有的光纤氢传感器包括干涉型、微镜型、消逝波型、表面等离子体共振型、波导型和FBG光纤光栅型传感器等6-15 。光纤氢气传感器大都采用金属Pd及其合金作为敏感材料,对氢气具有良好的选择性。光纤氢传感技术是通过光纤技术测量薄膜的透射率、反射率等物理参数的改变实现对氢气体积分数的检测。布拉格光栅型传感器是结构简单,成本低,方便易用。,它是波长解调的,具有自参考能力和在一根光纤上实现多路复用的能力,可以缠绕在大贮箱和管线外,监测大面积的泄漏.2.布拉格光栅工作原理光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating)是一种全光纤无源器件。如图1所示, 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。这种反射是一种窄带反射,其反射谱在Bragg波长处出现峰值,实质上是一个以共振波为中心的窄带滤波器。光纤布拉格光栅中心反射波长为： (1)式中neff为导波模的有效折射率;为光栅的周期。图1.光纤光栅传感原理图 由式(1)可知,中心波长随有效折射率和光栅的周期而改变。Bragg光栅对外界应力和温度都是敏感的。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。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。利用典型的石英的参数，。如果取波长为，光纤光栅弹光效应单位纵向应变引起的波长漂移为。 由式(2)(3)得： (4)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16 (5)是光纤的热光系数。3.氢传感器的传感原理布拉格光栅型光纤氢气传感器的基本原理光纤氢气传感技术通过光纤技术测量FBG的发射谱和反射谱的变化来监测氢气浓度的变化。当钯暴露于氢气环境中，氢气分子会吸附于钯的表面，并逐渐分解为氢原子，然后氢原子会渗入到金属钯内与钯作用生成氢化物。研究表明，钯的4d电子层缺少两个电子，它能与氢生成不稳定的化学键，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17 (6)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。FBG氢光纤传感器示意图及其原理如图2，3所示：图2.FBG氢光纤光栅示意图 氢气吸附扩散钯形变应变传递FBG波长漂移反应图3.FBG氢传感器原理示意图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13.对于独立的钯材料，钯应变与氢含量之间的关系为 (7)为钯中的氢含量，为钯的应变。氢含量和氢气分压的关系遵循西弗特定律： (8)为西弗特系数。由(7)(8)式可以得到钯应变与氢分压之间的关系 (9)为简单起见，我们假设光纤光栅受到的应变是沿轴向的，因为钯膨胀而施加在FBG上的力为，而施加在钯膜上的力为，分别为钯和光纤的杨氏模量，是各自的面积。通过平衡这两个力，得到FBG上的轴向应变为 (10)和为光纤薄层和整个传感器的直径。将(10)代入(4)中得到镀钯FBG在布拉格波长的变化量随氢分压的变化关系如下 (11)当环境的温度变化时，光纤和钯膜都会扩展。所以布拉格光栅因温度变化产生的波长漂移由两部分组成，一是光纤自身的热效应，二是钯膜膨胀产生的应变。前者由式（15）给出，而200C时钯的膨胀系数是比石英光纤的膨胀系数（）大的多，所以我们必须考虑传感器随温度的变化。由钯膜膨胀而引起的波长漂移量为： (12)是钯的膨胀系数。3.传感器设计图4所示为一个氢光纤布拉格光栅对氢含量进行测量的传感器示意图。图4.氢检测示意图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。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，使得光纤光栅实时测量混合气体中的氢气含量，而且控制气体流速保证管内压强始终保持一个大气压。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。因为氢气含量最低为4%就可能引起爆炸，这种方法在敏感氢气浓度的范围内0.3%1.8%左右线性度非常好13。所以解调系统报警时氢气浓度值设为1.5%。4.待解决的问题系统的某些特性需要通过实验进行测量，比如：1.系统的响应时间.为了研究传感器的响应特性,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。波长的增长可以分为两个阶段: 第一阶段波长增长迅速,氢很快就吸附在钯膜上并扩散进入其中; 第二阶段波长增长速度降低,表明氢的吸收正在逐渐趋于饱和。另外,当传感器处于氢氛围中,布拉格波长增加,移除氢后,波长减小,说明传感器具有可逆的性质。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。3.温度变化后系统的改进：上述系统是在恒温下进行的，无需考虑温度的变化，若系统所处的环境没有恒温的条件，需要对系统做一些改进以满足要求。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。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。参考文献 1 Louis Schlapbach, Andreas Zuttel, Hydrogen-storage materials for mobile applications. Nature, 2001 (414): 353 - 358. 2 KatsukiA , Fukui K, H2 selective gas sensor based on SnO2 . Sensors and ActuatorsB, 1998 (52): 30 - 37. 3 Ippolito S J, Kandasamy S, Kalantarzadeh K, et al, Hydrogen sensing characteristics of WO3 thin film conductometric sensors activeated by Pt and Au catalysts. Sensors and Actuators B, 2005 (108): 154 - 158. 4 Fields L L, Zheng J P, Cheng Y, et al, Room-temperature low- power hydrogen sensor based on a single tin dioxide nanobelt . Apply Physics Letters, 2006 (88): 263102. 5 Shukla S, Seal S, Ludwig L, et al, Nano-crystalline indium oxide doped tin oxide thin film as low temperature hydrogen sensor. Sensors and Actuators B, 2004 (97): 256 - 265. 6 Butler M A, Ginley D S. 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