黎啟勝，張 毅，莊 志，張 敏，楊 振

(1.中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽(yáng)621900;2.清華大學(xué)電子工程系光纖傳感研究室，北京100084)

氫氣作為一種理想的清潔能源，在工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的用途，同時(shí)它也是一種爆炸極限較低的危險(xiǎn)氣體，所以氫氣的可靠監(jiān)測(cè)對(duì)防止事故有重要意義，比如在石油提煉、金屬焊接、航空航天中燃料泄露監(jiān)測(cè)等方面［1－2］。特別是某些特殊研究領(lǐng)域，比如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件貯存試驗(yàn)中，其主要零部件存放在一個(gè)高濃度氮?dú)饧訅旱拿荛]容器中，內(nèi)部氫氣的變化不但可引起金屬零部件的腐蝕，濃度過(guò)高時(shí)(超過(guò)4%)還易產(chǎn)生爆炸，危及整個(gè)產(chǎn)品和人員的安全。

目前，氫氣的檢測(cè)技術(shù)主要有氫敏傳感器、聲表面波(SAW)傳感器、光聲氣體傳感器、氣相色譜－原子吸收光譜法、質(zhì)譜法等。與其他檢測(cè)技術(shù)相比，光纖傳感器具本質(zhì)安全、體積小等特點(diǎn)，特別適用于高危及狹小空間內(nèi)的氫氣監(jiān)測(cè)。有些光纖氫氣傳感器已經(jīng)被提出，主要有干涉型、透鏡型、消逝場(chǎng)型、光纖布拉格光柵型等類(lèi)型［3－7］，而基于長(zhǎng)周期光纖光柵的氫氣傳感器還未見(jiàn)報(bào)道。

1 傳感檢測(cè)原理

長(zhǎng)周期光纖光柵的纖芯基模能量耦合至同向傳輸?shù)陌鼘踊Ｖ?，?dǎo)致相應(yīng)波長(zhǎng)的傳輸損耗，透射譜中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)損耗峰，外界溫度、應(yīng)力、折射率等環(huán)境變化均會(huì)引起包層模式有效折射率發(fā)生變化，進(jìn)而引起損耗峰特性(波長(zhǎng)和幅度)改變［8］。相比于單個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵，級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵在監(jiān)測(cè)環(huán)境參量時(shí)具有更高的靈敏度和分辨力［9］，已被應(yīng)用于測(cè)量應(yīng)變［9］、折射率［10］、溫度［11］和橫向載荷［12］，當(dāng)其表面鍍氫敏膜后將可應(yīng)用于測(cè)量氫氣濃度。

光束在兩級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵中傳輸機(jī)理如圖1所示，光纖纖芯中傳輸?shù)墓饨?jīng)過(guò)第一個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵LPG1后，一部分能量被耦合至包層中，由于間隔光纖的長(zhǎng)度很小，在包層中傳輸?shù)墓饽芰克p可忽略，所以在通過(guò)第二個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵LPG2時(shí)，包層部分的光能量重新耦合回纖芯。纖芯和包層中的光由于光程不同，會(huì)在第二個(gè)光柵處產(chǎn)生干涉，使得透射譜出現(xiàn)一系列干涉條紋。

圖1 級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵光傳輸框圖

圖2是單個(gè)LPG(點(diǎn)線)和級(jí)聯(lián)LPG(實(shí)線)的理想透射譜曲線，級(jí)聯(lián)LPG干涉譜是由若干受單個(gè)LPG透射譜曲線調(diào)制的周期性正弦函數(shù)組成，干涉峰個(gè)數(shù)僅與光柵間距L和光柵長(zhǎng)度d的比值有關(guān)，呈中心對(duì)稱(chēng)分布，峰值波長(zhǎng)處干涉峰消光比為最大值，與峰值波長(zhǎng)間隔越大處消光比越小［13－15］。

圖2 級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵透射譜曲線

級(jí)聯(lián)LPG透射譜曲線可由式(1)進(jìn)行描述［16］:

纖芯基模和包層模的相位差取決于光柵造成的相位延遲(βc0－βc1)L和它們的光程差φ。由于光柵的耦合系數(shù)不太大，式(1)可以近似為式(2)

傅里葉變換是實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜分析的有效手段，由式(2)可知傳感器輸出頻譜中除余弦函數(shù)的線譜外，還有反映直流分量的零頻、反映局部畸變的高頻噪聲干擾，但它們與反映相位變化的余弦函數(shù)線譜在頻域上完全分離且互不干擾，因此傅里葉變換解調(diào)方法可以消除波形中局部畸變的干擾，也可消除條紋計(jì)數(shù)解調(diào)法存在的粗大誤差。由于在光柵表面鍍鈀銀合金膜會(huì)使βc1和α發(fā)生變化，這些變化反映在干涉條紋的對(duì)比度中。而干涉條紋對(duì)比度可由傅里葉分析可得:

其中，F(xiàn)(I){v}是以 v為變量的譜函數(shù)，v=(nc0－nc1)/λ。

2 實(shí)驗(yàn)及分析

2.1 鍍膜前后級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵的透射光譜

采用CO2激光器在單模光纖上制作出兩個(gè)參數(shù)相同的LPG，用磁控濺射工藝在光柵表面鍍一層厚度為300 nm的鈀銀合金膜，兩者用光纖連接并間隔一定距離制成級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光柵氫氣敏感單元，光柵周期為400 μm，L=44 mm、d=12 mm。傳感單元通過(guò)光纖耦合器一端連接至寬光譜光源，另一端連接至光譜儀，光譜儀波長(zhǎng)分辨力為0.1 nm，幅度分辨力為0.01 dB，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖

測(cè)量鍍膜前(實(shí)線)和鍍膜后(虛線)光柵的透射光譜如圖4所示。從圖中可以看出鍍膜后透射光譜發(fā)生變化，其干涉條紋幅值顯著降低，所以在兩光柵間建議不鍍膜，避免引入很大的包層模傳輸損耗，導(dǎo)致無(wú)法獲得理想的透射曲線。

圖4 鍍膜前后級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵透射光譜

2.2 氫氣濃度響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

依靠圖3所示的高精度配氣系統(tǒng)來(lái)為氫氣傳感器標(biāo)定提供標(biāo)準(zhǔn)濃度氫氣，即利用高純標(biāo)準(zhǔn)濃度的氫氣和氮?dú)?，通過(guò)靜態(tài)容差法在測(cè)量氣室中配得所需低濃度的標(biāo)準(zhǔn)氫氣，將傳感器放置其中。在恒溫環(huán)境下，將氫氣濃度從0%升高至4%，分別測(cè)得不同氫氣濃度下鍍鈀銀合金膜長(zhǎng)周期光纖光柵的透射光譜，見(jiàn)圖5。

圖5 不同氫氣濃度下透射譜曲線

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，4%氫氣濃度時(shí)透射光譜峰值顯著降低，說(shuō)明傳感器的透射光譜對(duì)氫氣濃度的變化非常敏感，伴隨著氫氣濃度的增大損耗加大。但是由于光源的不穩(wěn)定、傳輸光纖的抖動(dòng)等都可能會(huì)給測(cè)量帶來(lái)誤差，出現(xiàn)0%濃度時(shí)的透射光譜在1%濃度以下的情況，所以通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)直接測(cè)量峰值誤差較大，為此采用干涉條紋對(duì)比度來(lái)測(cè)量氫氣濃度，由實(shí)驗(yàn)曲線可看出伴隨氫氣濃度的增加，干涉峰對(duì)比度逐漸降低，1%濃度的對(duì)比度明顯比0%對(duì)比度小，所以通過(guò)此方法可以消除測(cè)量誤差。

根據(jù)式(2)計(jì)算出干涉條紋對(duì)比度，干涉條紋對(duì)比度隨氫氣濃度的變化如圖6中所示，其中氫氣濃度逐漸增加時(shí)如響應(yīng)曲線1所示，氫氣濃度逐漸降低時(shí)如響應(yīng)曲線2所示。

圖6 不同氫氣濃度下長(zhǎng)周期光纖光柵的干涉條紋對(duì)比度

由圖6可見(jiàn)，干涉條紋對(duì)比度隨氫氣濃度的上升而下降。當(dāng)氫氣濃度從0%升至2%時(shí)，條紋對(duì)比度下降很快，當(dāng)氫氣濃度從2%升至4%時(shí)，下降速度變緩。這個(gè)現(xiàn)象可從PdHx化合物的固有性質(zhì)來(lái)分析，有研究發(fā)現(xiàn)Pd吸氫后有α相和β相兩種固溶體存在，改變H2濃度能影響PdHx晶格相的轉(zhuǎn)化，當(dāng)氫氣濃度低于2%時(shí)，Pd－H處于α相變，干涉條紋對(duì)比度的變化明顯。氫氣濃度高于2%時(shí)，Pd－H處于β相變，條紋干涉對(duì)比度變化減弱一些。當(dāng)氫氣濃度上升時(shí)擬合曲線1 為 y=0.015 9x2－0.126 8x+0.402 3，氫氣濃度下降時(shí)擬合曲線2為y=0.014 2x2－0.122 4x+0.404，其中y是對(duì)比度，x是氫氣濃度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以求出傳感器的重復(fù)性誤差為5.4%。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于鈀銀合金膜的級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵氫氣傳感器。當(dāng)鈀銀合金膜處于氫氣環(huán)境時(shí)，由于吸收氫氣會(huì)使光纖有效折射率改變，從而影響級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵的透射光譜。初步實(shí)驗(yàn)證明通過(guò)測(cè)量級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵的條紋對(duì)比度變化可監(jiān)測(cè)氫氣濃度變化，但是由于氫敏膜的厚度對(duì)傳感器的靈敏度、響應(yīng)時(shí)間等特性影響很大，對(duì)其參數(shù)還需要進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，而且針對(duì)外部環(huán)境如溫度濕度等變化，需要進(jìn)一步的深入研究提出補(bǔ)償方法來(lái)降低環(huán)境干擾。

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