微纳光纤布喇格光栅氢气传感器研究

摘要

近年来随着氢气在能源和工业领域的应用逐渐深入，在含氢环境中作业（车间、矿井等）中的对氢气浓度进行监测至关重要。传统电学氢气浓度传感器，有可能产生会产生发热、电荷堆积、电磁效应甚至是迸发电火花的情况，使得传感器本身在含氢环境中成为了新的安全隐患。光纤氢传感器通过在光纤的表面镀钯膜，通过膜结构吸收氢气引起的光纤中光强、相位、偏振态等参量的变化实现氢气浓度检测。与电传感器相比，光纤氢气传感器具有本质安全性，但面临着灵敏度不高、温度交叉敏感性强等难题。本文针对以上问题，提出微纳光纤光栅氢传感器方案。通过将传统单模光纤熔融拉锥至直径数微米，形成微纳光纤，在光纤上进行布喇格光栅并镀钯膜。当钯膜吸氢使膜折射率发生变化时，由于光与金属膜之间的倏逝场作用，光栅反射波长发生变化，通过对波长漂移量的测量感测氢气浓度。与现有技术相比，我们的方案具有高灵敏度，低温度交叉响应等优点。
　　本文主要研究内容如下：
　　（1）分析了微纳光纤的光学特性和倏逝场传感原理，通过熔融拉锥方法制备不同直径的微纳光纤。
　　（2）分析了氢敏材料金属钯（Pd）的吸氢特性，包括与氢元素的结合方式及产生的自身体积膨胀，复折射率变化等。研究并优化了将钯均匀沉积在光纤表面的工艺。
　　（3）以微纳光纤光栅的高效紫外写制为基础并结合钯膜的沉积制备氢气传感器。对不同直径的微纳光纤光栅传感器对氢气浓度的响应进行了测量。结果表明：光栅反射波长随着氢气浓度增加而蓝移，当光纤直径为3.3微米时，光谱漂移量达到-1.08 nm，灵敏度为普通单模光纤光栅氢气传感器的26倍。当微纳光纤直径越小时，光纤光栅氢气传感器的灵敏度越高，这是由于倏逝场随光纤直径减小而增强。镀膜前后微纳光纤光栅温度系数仅增加27％，微纳光纤光栅氢传感器具有更低的温度交叉敏感性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2光纤氢气传感器国内外研究现状

1.3 本文的主要内容

第二章 感测原理

2.1金属钯的吸氢特性

2.2 微纳光纤的光学特性

2.3微纳光纤布喇格光栅的模式耦合特征

2.4微纳光纤光栅的氢气感测原理

第三章 传感器制备

3.1微纳光纤的制备

3.2光栅刻写

3.3钯膜的均匀沉积

3.4氢气传感装置搭建

第四章 测量结果与讨论

4.1氢气浓度响应

4.2温度交叉响应

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

攻读硕士期间参加的科研项目

致谢