光纤传感【DOC精选】.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;Λ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 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