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光纤氢传感器的研究进展 |
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作者：臧新梅 刘建胜 樊惠隆 张扬 |
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一、引言
无论是为了预防氢的积累还是要利用氢的场合都需要对氢的含量进行测量和监控，而安全、可靠且廉价的氢测量或传感技术是更广泛地安全利用氢的必要保障。截至目前，已经制成多种非光纤的传感器并投入使用，这些传感器在室温和标准大气压下能提供快速而有效的响应，但主要是电化学传感器，传感器与系统的连接是通过金属铜线来完成，这样，一来增加了载荷的重量、功率的消耗——特别是对于多点检测，而更重要的是，潜在的电磁干扰和电火花可能会引起灾难性的后果。而基于光纤技术的光纤氢传感器却能同时满足安全、实时在线检测、不干扰被测环境的要求。 并且，还具有体积小、重量轻、柔韧性好，特别适合于要求载荷轻和安装空间小的应用场合的特点；另外，光纤还能抗化学腐蚀和恶劣的环境温度、无电磁干扰等，适合于远程大规模多点复用检测。 光纤氢传感器工作原理可以参阅相关文献。
二、几种典型的光纤氢传感器的性能分析
（一）干涉型光纤氢传感器
众所周知，金属钯（Pd）在低分压氢气环境中吸收氢气产生伸长效应。若将金属钯蒸镀于某一段光纤上，那么伸长效应会造成光纤的径向及轴向应变，以镀钯光纤作为M-Z干涉仪的信号臂，检测出光的相位变化即可间接得到氢气浓度。 可探测的氢浓度为20 Pa～200Pa，其检测原理如图1所示。
图1 干涉型光纤氢传感器的检测原理图
干涉型光纤氢传感器已有几十年的发展历史，理论上讲，这种传感器具有很高的灵敏度。 而且，这种传感器显示了很好的可重复使用性，连续使用的积累误差小，响应的上升和下降时间较短，它的灵敏度可以通过控制信号臂的长度得到控制。但是，基于这一原理的装置需要电驱动来产生干涉条件，这样就不再具备全光系统的优点，因为没有被广泛应用。另外，这种传感器结构复杂而且受温度的影响较大，使传感器的准确度明显降低。
（二）渐逝场型光纤氢传感器
其探头结构如图2所示。
图2 渐逝场型光纤氢传感器的探头结构
渐逝场型光纤氢传感器是一种新型的光纤氢传感器。这种传感器利用金属覆层中渐逝场的变化来检测氢气的浓度。将光纤的包层削掉，镀上一层氢敏感膜，当光通过光纤时在其周围产生渐逝场。渐逝波是一个沿传播方向的行波， 它的振幅在传播方向按指数形式衰减， 其穿透深度为：
式中 是电磁波中的波矢大小，n2是氢敏感膜的折射率，其值随浓度而变化。一般用钯或钯、钨的氧化物作为传感介质。其中，钯起催化剂的作用。纯的WO3在温度高于400℃时才与氢发生反应，但在有金属催化剂（如钯）的情况下即使在室温也能反应。
其特性如下：
1．传感器的再生能力
在惰性气体中再生能力很弱，而当再暴露于空气中时，光能迅速增加，说明氧气的存在有助于增强传感器的再生能力。将传感器反复暴露于N2和空气环境中可观察到该类传感器好的再生性。
2．灵敏度特性
在干或湿的环境中，光能几乎没有变化，说明灵敏度不受湿度影响。但响应速率和恢复速率变慢。而且，暴露于含1%H2的空气中灵敏度比暴露于1%N2的H2中下降了40%。
3．湿度特性
湿度对恢复速率的影响较大，在潮湿空气中的恢复速率是在干燥空气中的约10倍。在室温下、干燥空气中，传感器需要几个小时才能恢复最初的性能。因此，在膜的制作中水的量的控制非常关键。
4．温度特性
灵敏度和响应速度均随周围温度的下降而下降，但光能变化不大。另外，在500℃时煅烧传感器揭露了这类传感器具有极好的温度特性。
这种传感器的灵敏度和响应速度均较高，且温度性能较好，可在室温附近大的温度范围内使用。另外，传统的传感器只能测量某一点或某几点处的氢气浓度，而利用渐逝波吸收的光纤氢传感器可缠绕在大的容器或管道上使用，对三维空间进行测量。
（三）微透镜型光纤氢传感器
在单模或多模光纤端面上蒸镀一层钯膜，钯膜厚度为10 mm～50 mm。传感器探头结构原理如图3所示。
图3 微透镜型光纤氢传感器结构原理图
注入光纤的光在输出端面上产生反射，当把传感器暴露于氢气中时，钯与氢反应引起钯膜折射率的变化，从而使光强度发生变化。折射率变化的大小与氢浓度有关，通过检测光强度变化可以确定氢的浓度。其特性如下：
1．灵敏度
这种传感器能探测空气中1%的氢，且响应时间不大于10s。在不大于20o范围内改变入射角，响应不变。在低浓度的氢气中时，响应与响应时间随氢气浓度的变化均有明显的变化、可对氢气进行精确测量。当浓度高于2%时，响应随浓度的增加变化不大。而响应时间随氢气浓度的增加而减小，在浓度值接近相变时响应时间较长。AlainTrouuillet等设计了一种纯Pd膜微透镜型微量氢气测试仪器，将氢敏感的光纤探头放入一个保护套管中并用胶固定。这种光纤氢气传感测试装置已经安装在ARIANE V型火箭发动机上，实验数据表明：当氢气浓度为15%，温度为20℃～100℃时,响应时间在10s之内,如果浓度低于15%，温度低于70o，则响应时间小于10s。
2．再生能力
将传感器交替置于纯N2中和含4%H2的中N2，可以观察到传感器的响应和响应时间在宽的温度范围内（-196～23℃）有较好的再生能力。但随使用时间的加长，响应有减小的趋势，而响应时间有增大的趋势。
3．温度
在含4%H2的N2中，相变发生在36℃附近。在75℃时传感器工作于α相，响应时间很短但灵敏度较小；在-45℃时传感器工作于β相，响应时间较大、但灵敏度达到最大值。实验结果表明相变转换取决于温度和浓度两个因素，另外，要想传感器工作于α相获得高的响应速度、在浓度一定时应增加钯膜的温度。这一结论与装置工作于低温时不符，故应对钯膜局部加热使得在任何环境温度下，都能获得小的响应时间。
4．厚度
钯膜是传感器中最关键的部分，膜的厚度对响应时间和灵敏度都有影响。对各种厚度的膜（<200mm）的实验表明，厚的膜比薄的膜的响应时间要长，这是因为达到相同浓度的吸收，厚的膜需要的氢的量大，增大了吸氢反应的时间。但厚膜的灵敏度较高。所以，应根据具体要求来选择适当厚度的膜。
这种传感器是目前发展较为完善的一种光纤氢传感器。其制作工艺相对简单、信号提取与处理简单而且价格便宜，具有较高的灵敏度和快的响应速度。但这种传感器复用能力有限，需用光转换器来实现传感器之间切换，不适合对三维空间进行测量。
（四）基于布喇格光栅型光纤氢传感器
光纤布喇格光栅型传感器（FBGS）结构简单，可通过紫外线照射制作在纤芯上。FBGS有一个单模光纤的纤芯，光纤的折射率沿这段光纤周期性地变化。类似于一个窄带滤波器、反射回与布喇格光栅波长具有相同波长的光。光栅的布喇格波长。其中，neff为光纤的等效折射率，∧为光栅周期。
当镀有钯膜的光纤布喇格光栅暴露于氢气中时，钯与氢反应生成钯的氢化物。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。钯膜膨胀还使得光纤拉伸，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， 故布喇格波长的变化量与氢气浓度有关，从而通过布喇格波长可以确定该处氢气浓度的大小。其特性为：
1．灵敏度
该传感器适合低浓度氢的测量，当氢气浓度在0.3%～1.8%，布喇格波长随氢气浓度线性变化，灵敏度为nm/1%H2.氢气浓度高于1.8%时灵敏度降低，且钯层易出现脱落现象。
2．温度特性
当环境温度变化时，钯膜高的膨胀率和收缩率使得光栅拉伸或收缩，导致光栅周期和有效折射率的变化当在氢气浓度一定时，在20℃和布喇格波长为829.73nm，布喇格波长随温度的变化为5.53×10-3nm/℃。
传感器的响应分别受氢气浓度和环境温度的影响。加大钯膜的厚度或者减小栅格的大小可获得高的灵敏度，但是，这将提高传感器的温度灵敏度，而且，栅格小于30μm～40μm时光纤易碎，不实用。
FBGS具有其他光纤传感器所具有的所有优点，另外，在一根光纤上可复用多个FBGS。目前，文献中涉及的此类传感器多用来测张力或温度，可用在桥梁、道路、船舶等建筑物中测量内部各点的张力。基于布喇格光栅的化学光纤传感器也得到较大的发展，这种传感器具有内在基准、可复用性好、无电信号、体积小、轻便等优点。但是，由于对波长位移的测量需要较复杂的技术和较昂贵的仪器或光纤器件，而且需要大功率的宽带光源或波长可调谐光源作为激励，因此检测的分辨率和动态范围会受到一定限制，使用这种传感器的成本也会很高。
三、发展趋势
氢的应用已经扩展到各个领域，制作廉价、轻便、稳定、安全的氢传感器也成了一个迫切需要解决的问题。氢气应用领域的扩大，给光纤氢传感器提供了一个广阔的发展空间。截至目前，相继研发的光纤氢传感器也较多，在欧洲，一种光纤氢传感器已成功地应用在火箭发动机中，NAS的ALangley研究中心与Sanders公司合作完成了单模分布式FBGS传感器在X-33可重复使用低温液氢贮箱上的布设，检测应变和氢浓度。氢气传感器的应用领域还扩大到氢气生产与贮存、氢燃料汽车和食品工业等，但是这些传感器在实际使用中不同程度地存在某些缺点，如由于敏感膜的结构原因不能产生线性的氢敏浓度响应，灵敏度不够高、响应时间长、检测仪器成本高等，另外有些光纤氢传感器不能很好地解决温度、湿度、压强等的影响，导致无法实用化。因此光纤氢传感器未来研究的重点和发展方向为：研究成本底、性能好、使用方便、以及具有好的复用能力的光纤氢传感器。
四、结束语
随着激光技术的发展和对敏感膜材料性能的进一步研究以及工艺制作方面的进步，光纤氢传感器在光源的选择、材料的的敏感性和稳定性等各方面都将有较大的突破，光纤氢传感器必将得到更为广泛的应用。(end)
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(3/18/2006) |
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