基于可控光加热的光纤氢气传感器的改性研究

摘要

在当今时代，煤、石油、天然气等化石燃料的储量日益枯竭，找到一种能够替代化石燃料同时对环境污染较小的能源十分关键。氢气本身所具有的燃烧产物无污染，能量转换率高的优点，在汽车、材料存储、航空航天等领域得到了广泛的研究和应用。但是，氢气分子是现阶段知道的最小分子，在生产、运输、存储和使用的过程中极易发生泄漏，而当空气中的氢气含量超过4%的时候，遇明火就会有爆炸的危险。为了氢气安全的生产、使用以及人身、设备的安全，实时监测环境中的氢气浓度十分必要。传统的氢气传感器大多基于电特性，而这种传感器在使用的过程中有可能产生电火花，存在较大的安全隐患。而光纤氢气传感器则充分发挥了光纤的本质安全、抗电磁干扰、重量轻、体积小等优点。现阶段影响光纤氢气传感器推广使用的因素是这种传感器在长期稳定性和可靠性方面存在着一定的缺陷。本文将光纤光栅与Pd/Ni氢气敏感材料相结合，利用Pd吸氢膨胀的特性，结合监测光纤光栅中心波长漂移的原理，制备出一种具有温度自补偿的光纤光栅氢气传感器。对于这种类型的氢气传感器，全文主要展示了以下几点研究内容和结果： （1）利用磁控溅射镀膜的方法，在腐蚀过后的光栅侧面镀上不同厚度的氢气敏感材料。将制备好的不同厚度氢气敏感材料的传感探头一起放置于测试环境中，然后依次测试探头在1%氢气浓度条件下的重复性和梯度性。对比不同厚度氢气敏感材料探头的氢气响应性能得出一个相对最佳的氢气敏感材料厚度。将光栅腐蚀到不同的直径，然后镀上相同厚度的氢气敏感材料，对比各个腐蚀直径下传感探头的氢气响应性能，以期找到最佳的光栅腐蚀直径。 （2）探头所处环境的温度会影响氢气敏感材料的活性，从而影响传感探头的灵敏度。本文引入980nm泵浦光源对传感探头进行加热，对比不同加热强度下传感探头的氢气响应性能，明确温度对传感探头的影响。激光光源的输出光功率在全量程并非线性，为后续引进光加热温度自补偿作准备，探索了本文中所用激光光源的线性工作区域。 （3）本文采用双光栅的方案，一个作为参考光栅，另一个作为传感光栅。结合PID控制技术，保证980nm泵浦光源工作在线性输出范围的前提下，将传感探头的工作温度控制在一个相对稳定的条件。然后对比在引入温度自补偿前后传感探头对1%氢气浓度的重复性、梯度性和长期稳定性，得出环境温度对传感探头氢气响应性能的影响，有效地提高了传感探头的稳定性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1 氢气 测量的意义

1.1.2 光纤 氢气传感器的优势

1.2光纤氢气传感器的研究现状

1.2.1 光纤氢气传感器

1.2.2 氢气敏感材料厚度和光栅直径对传感器性能的影响

1.2.3 光加热与光纤氢气传感器的结合

1.3 PID控制技术的研究现状

1.4本文的主要研究内容和思路

第2章 光纤光栅传感原理及Pd氢气敏感材料

2.1光纤光栅

2.1.1 光纤光栅的制作

2.1.2 光纤光栅传感原理

2.2 Pd氢气敏感材料

2.2.1 Pd 与氢气反应原理

2.2.2 Pd薄膜应力

2.2.3 Pd基氢气敏感材料

2.3本章小结

第3章 基于Pd/Ni合金的氢气传感器制备和性能分析

3.1磁控溅射镀膜

3.1.1 磁控溅射镀膜原理

3.1.2 影响磁控溅射工艺的因素

3.2实验平台的搭建

3.3氢气传感探头的制备

3.3.1 光栅的腐蚀

3.3.2 腐蚀光栅的干燥

3.3.3 沉积氢气敏感材料

3.4氢气敏感材料厚度影响传感器性能的研究

3.4.1 1%氢气重复性

3.4.2 梯度性实验

3.5光栅腐蚀直径影响传感器性能的研究

3.5.1 传感探头光谱

3.5.2 1%氢气重复性

3.5.3 梯度性实验

3.5.4 长期稳定性

3.6本章小结

第4章 光加热对光纤氢气传感器的改性的原理和研究

4.1半导体激光加热

4.1.1 半导体激光器工作原理

4.1.2 半导体激光器的工作特性

4.2 PID控制技术

4.2.1 PID控制原理

4.2.2 PID控制技术与光加热结合

4.3光加热性能测试

4.3.1 响应回复时间对比

4.3.2 合适的加热功率的探索

4.3.3 光加热一致性探索

4.3.4 PID控制过程

4.3.5 光加热综合性能对比

4.4本章小结

第5章 总结与展望

5.1本文内容及创新点总结

5.2后续工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果