三光束干涉型氢气传感器

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氢能作为一种储量丰富、热值高、无污染的新能源,是解决我国能源短缺问题的重要途径之一。目前,液态氢能已经成为航天飞机和运载火箭的主要燃料之一,在新能源汽车、石油化工、食品加工、国防军事等许多领域也发挥着十分重要的作用。但随之而来的,则是关于氢气生产、存储、运输和使用中的安全隐患。本文研究了一种基于腐蚀渐变折射率多模光纤的三光束干涉型光纤氢气传感器,主要研究其作为折射率传感器和氢气传感器的性能:(1)首先,我们制作了210多个传感器进行分析。我们分别对传感器的对比度和光斑大小进行了分析,发现随着GI-MMF长度的增加,反射光谱干涉条纹对比度和端面光斑大小都呈现周期性的变化,其中端面光斑大小变化的周期大约是520μm,这与我们用Rsoft软件仿真的结果一致,反射光谱干涉条纹对比度变化的周期大约是其一半。(2)其次,我们研究了三光束干涉型光纤传感器测量液体折射率的性能。通过单个传感器的折射率实验,我们发现这种传感器的光谱随着折射率的增大,光谱的干涉条纹对比度发生了明显变化。通过温度实验,我们发现干涉条纹随着温度的变化发生了漂移,但是经过FFT变换,传感器对应的峰值却没有发生明显变化,因此,我们从FFT变换谱上来看折射率引起的峰值变化,就可以忽略温度对传感器的影响。提取峰值进行线性拟合,可以看到数据点分布在一条直线附近,对数据点进行线性拟合,发现数据点满足线性关系:V1.603131.07985n0,拟合线性度为0.99713,归一化之后的灵敏度可以达到-1.07985/RIU。(3)然后,我们研究了传感器测量液体折射率的复用性能。四个传感器的折射率复用实验表明,这种传感器能满足至少10个传感器的复用,FFT变换谱有明显变化。折射率与传感器FFT变换谱峰值的变化量的曲线符合线性拟合曲线关系:V0.18578-0.14036n0,拟合线性度达到-0.99634。同时我们对复用传感器做了100℃以下的温度实验,发现选定的传感器FFT变换谱峰值并没有明显变化,第二个传感器FFT峰值的改变量只有0.00068,灵敏度为8.5×10-6/℃,因此,温度的交叉灵敏度为6.0×10-5RIU/℃,相对于折射率引起的传感器FFT峰值变化来说,这是一个很小的值,我们可以认为传感器在不高于100℃的环境下是对温度不敏感的。(4)最后,我们对镀了氢敏薄膜的传感器进行了研究。镀纯Pd膜和Pd-Y合金膜的传感器均有很好的传感灵敏度,传感器的干涉条纹对比度随着氢气浓度的增加而减小,但是实验中可以看出,Pd-Y合金膜的传感器反应时间更短,使用寿命更长。从温度实验来看,传感器在温度变化范围不大的情况下,温度对传感器干涉条纹对比度的影响不大。
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