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光纤氢传感技术
日期:2009-5-26 21:27:48 来源:本站整理  
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干涉型光纤氢传感器

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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20~200Pa。这种传感器具有很高的灵敏度。而且有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。
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渐逝场型光纤氢传感器

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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,其特性如下:
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(1)氧气的存在有助于增强传感器的再生能力。
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(2)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% H 的空气中灵敏度比暴露于含1% H 的N 中下降了40%。
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(3)湿度特性 在潮湿空气中的恢复速率是在干燥空气中的10倍左右。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。
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(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。
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微透镜型光纤氢传感器

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在单模或多模光纤端面上蒸镀一层钯膜,钯膜厚度为10—50nm。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 。
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其特性如下:
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(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。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。
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(2)再生能力 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。
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(3)温度 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a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
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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。
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(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。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。
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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。
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基于布喇格光栅型光纤氢传感器

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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。

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其特性为:
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(1)灵敏度该传感器 适合低浓度氢的测量,当氢气浓度在O.3~1.8%,布喇格波长随氢气浓度线性变化,灵敏度为nm/1% H 。氢气浓度高于1.8%时灵敏度降低,且钯层易出现脱落现象 。
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(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。
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