光纖氫傳感器的研究進(jìn)展
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時(shí)間：2011-03-27
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無(wú)論是為了預(yù)防氫的積累還是要利用氫的場(chǎng)合都需要對(duì)氫的含量進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)控，而安全、可靠且廉價(jià)的氫測(cè)量或傳感技術(shù)是更廣泛地安全利用氫的必要保障。截至目前，已經(jīng)制成多種非光纖的傳感器并投入使用，這些傳感器在室溫和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下能提供快速而有效的響應(yīng)，但主要是電化學(xué)傳感器，傳感器與系統(tǒng)的連接是通過(guò)金屬銅線來(lái)完成，這樣，一來(lái)增加了載荷的重量、功率的消耗——特別是對(duì)于多點(diǎn)檢測(cè)，而更重要的是，潛在的電磁干擾和電火花可能會(huì)引起災(zāi)難性的后果。而基于光纖技術(shù)的光纖氫傳感器卻能同時(shí)滿(mǎn)足安全、實(shí)時(shí)在線檢測(cè)、不干擾被測(cè)環(huán)境的要求。 并且，還具有體積小、重量輕、柔韌性好，特別適合于要求載荷輕和安裝空間小的應(yīng)用場(chǎng)合的特點(diǎn)；另外，光纖還能抗化學(xué)腐蝕和惡劣的環(huán)境溫度、無(wú)電磁干擾等，適合于遠(yuǎn)程大規(guī)模多點(diǎn)復(fù)用檢測(cè)。 光纖氫傳感器工作原理可以參閱相關(guān)文獻(xiàn)。
二、幾種典型的光纖氫傳感器的性能分析
（一）干涉型光纖氫傳感器
眾所周知，金屬鈀（Pd）在低分壓氫氣環(huán)境中吸收氫氣產(chǎn)生伸長(zhǎng)效應(yīng)。若將金屬鈀蒸鍍于某一段光纖上，那么伸長(zhǎng)效應(yīng)會(huì)造成光纖的徑向及軸向應(yīng)變，以鍍鈀光纖作為M-Z干涉儀的信號(hào)臂，檢測(cè)出光的相位變化即可間接得到氫氣濃度。 可探測(cè)的氫濃度為20 Pa～200Pa，其檢測(cè)原理如圖1所示。
圖1 干涉型光纖氫傳感器的檢測(cè)原理圖
（二）漸逝場(chǎng)型光纖氫傳感器
其探頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 漸逝場(chǎng)型光纖氫傳感器的探頭結(jié)構(gòu)
是電磁波中的波矢大小，n2是氫敏感膜的折射率，其值隨濃度而變化。一般用鈀或鈀、鎢的氧化物作為傳感介質(zhì)。其中，鈀起催化劑的作用。純的WO3在溫度高于400℃時(shí)才與氫發(fā)生反應(yīng)，但在有金屬催化劑（如鈀）的情況下即使在室溫也能反應(yīng)。 其特性如下：
1．傳感器的再生能力
在惰性氣體中再生能力很弱，而當(dāng)再暴露于空氣中時(shí)，光能迅速增加，說(shuō)明氧氣的存在有助于增強(qiáng)傳感器的再生能力。將傳感器反復(fù)暴露于N2和空氣環(huán)境中可觀察到該類(lèi)傳感器好的再生性。
2．靈敏度特性
在干或濕的環(huán)境中，光能幾乎沒(méi)有變化，說(shuō)明靈敏度不受濕度影響。但響應(yīng)速率和恢復(fù)速率變慢。而且，暴露于含1%H2的空氣中靈敏度比暴露于1%N2的H2中下降了40%。
3．濕度特性
濕度對(duì)恢復(fù)速率的影響較大，在潮濕空氣中的恢復(fù)速率是在干燥空氣中的約10倍。在室溫下、干燥空氣中，傳感器需要幾個(gè)小時(shí)才能恢復(fù)最初的性能。因此，在膜的制作中水的量的控制非常關(guān)鍵。
4．溫度特性
靈敏度和響應(yīng)速度均隨周?chē)鷾囟鹊南陆刀陆?，但光能變化不大。另外，?00℃時(shí)煅燒傳感器揭露了這類(lèi)傳感器具有極好的溫度特性。
這種傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度均較高，且溫度性能較好，可在室溫附近大的溫度范圍內(nèi)使用。另外，傳統(tǒng)的傳感器只能測(cè)量某一點(diǎn)或某幾點(diǎn)處的氫氣濃度，而利用漸逝波吸收的光纖氫傳感器可纏繞在大的容器或管道上使用，對(duì)三維空間進(jìn)行測(cè)量。
（三）微透鏡型光纖氫傳感器
在單?；蚨嗄９饫w端面上蒸鍍一層鈀膜，鈀膜厚度為10 mm～50 mm。傳感器探頭結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。
圖3 微透鏡型光纖氫傳感器結(jié)構(gòu)原理圖
1．靈敏度
這種傳感器能探測(cè)空氣中1%的氫，且響應(yīng)時(shí)間不大于10s。在不大于20o范圍內(nèi)改變?nèi)肷浣?，響?yīng)不變。在低濃度的氫氣中時(shí)，響應(yīng)與響應(yīng)時(shí)間隨氫氣濃度的變化均有明顯的變化、可對(duì)氫氣進(jìn)行精確測(cè)量。當(dāng)濃度高于2%時(shí)，響應(yīng)隨濃度的增加變化不大。而響應(yīng)時(shí)間隨氫氣濃度的增加而減小，在濃度值接近相變時(shí)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。AlainTrouuillet等設(shè)計(jì)了一種純Pd膜微透鏡型微量氫氣測(cè)試儀器，將氫敏感的光纖探頭放入一個(gè)保護(hù)套管中并用膠固定。這種光纖氫氣傳感測(cè)試裝置已經(jīng)安裝在ARIANE V型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：當(dāng)氫氣濃度為15%，溫度為20℃～100℃時(shí),響應(yīng)時(shí)間在10s之內(nèi),如果濃度低于15%，溫度低于70o，則響應(yīng)時(shí)間小于10s。
2．再生能力
將傳感器交替置于純N2中和含4%H2的中N2，可以觀察到傳感器的響應(yīng)和響應(yīng)時(shí)間在寬的溫度范圍內(nèi)（-196～23℃）有較好的再生能力。但隨使用時(shí)間的加長(zhǎng)，響應(yīng)有減小的趨勢(shì)，而響應(yīng)時(shí)間有增大的趨勢(shì)。
3．溫度
在含4%H2的N2中，相變發(fā)生在36℃附近。在75℃時(shí)傳感器工作于α相，響應(yīng)時(shí)間很短但靈敏度較??；在-45℃時(shí)傳感器工作于β相，響應(yīng)時(shí)間較大、但靈敏度達(dá)到最大值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相變轉(zhuǎn)換取決于溫度和濃度兩個(gè)因素，另外，要想傳感器工作于α相獲得高的響應(yīng)速度、在濃度一定時(shí)應(yīng)增加鈀膜的溫度。這一結(jié)論與裝置工作于低溫時(shí)不符，故應(yīng)對(duì)鈀膜局部加熱使得在任何環(huán)境溫度下，都能獲得小的響應(yīng)時(shí)間。
4．厚度
鈀膜是傳感器中最關(guān)鍵的部分，膜的厚度對(duì)響應(yīng)時(shí)間和靈敏度都有影響。對(duì)各種厚度的膜（200mm）的實(shí)驗(yàn)表明，厚的膜比薄的膜的響應(yīng)時(shí)間要長(zhǎng)，這是因?yàn)檫_(dá)到相同濃度的吸收，厚的膜需要的氫的量大，增大了吸氫反應(yīng)的時(shí)間。但厚膜的靈敏度較高。所以，應(yīng)根據(jù)具體要求來(lái)選擇適當(dāng)厚度的膜。
這種傳感器是目前發(fā)展較為完善的一種光纖氫傳感器。其制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、信號(hào)提取與處理簡(jiǎn)單而且價(jià)格便宜，具有較高的靈敏度和快的響應(yīng)速度。但這種傳感器復(fù)用能力有限，需用光轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器之間切換，不適合對(duì)三維空間進(jìn)行測(cè)量。
（四）基于布喇格光柵型光纖氫傳感器
光纖布喇格光柵型傳感器（FBGS）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可通過(guò)紫外線照射制作在纖芯上。FBGS有一個(gè)單模光纖的纖芯，光纖的折射率沿這段光纖周期性地變化。類(lèi)似于一個(gè)窄帶濾波器、反射回與布喇格光柵波長(zhǎng)具有相同波長(zhǎng)的光。光柵的布喇格波長(zhǎng)。其中，neff為光纖的等效折射率，∧為光柵周期。
當(dāng)鍍有鈀膜的光纖布喇格光柵暴露于氫氣中時(shí)，鈀與氫反應(yīng)生成鈀的氫化物。PdHx密度較小使得鈀膜膨脹產(chǎn)生張力，這一張力可以通過(guò)比較FBG的發(fā)射譜和反射譜確定。鈀膜膨脹還使得光纖拉伸，從而引起光柵周期∧與折射率變化。由于張力的大小由氫氣濃度決定， 故布喇格波長(zhǎng)的變化量與氫氣濃度有關(guān)，從而通過(guò)布喇格波長(zhǎng)可以確定該處氫氣濃度的大小。其特性為：
1．靈敏度
該傳感器適合低濃度氫的測(cè)量，當(dāng)氫氣濃度在0.3%～1.8%，布喇格波長(zhǎng)隨氫氣濃度線性變化，靈敏度為nm/1%H2.氫氣濃度高于1.8%時(shí)靈敏度降低，且鈀層易出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。
2．溫度特性
當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，鈀膜高的膨脹率和收縮率使得光柵拉伸或收縮，導(dǎo)致光柵周期和有效折射率的變化當(dāng)在氫氣濃度一定時(shí)，在20℃和布喇格波長(zhǎng)為829.73nm，布喇格波長(zhǎng)隨溫度的變化為5.53×10-3nm/℃。
傳感器的響應(yīng)分別受氫氣濃度和環(huán)境溫度的影響。加大鈀膜的厚度或者減小柵格的大小可獲得高的靈敏度，但是，這將提高傳感器的溫度靈敏度，而且，柵格小于30μm～40μm時(shí)光纖易碎，不實(shí)用。
FBGS具有其他光纖傳感器所具有的所有優(yōu)點(diǎn)，另外，在一根光纖上可復(fù)用多
評(píng)論