摘 要：化石燃料的廣泛使用引發(fā)了一系列嚴(yán)峻的環(huán)境問題，促使全球目光聚焦于高效清潔能源汽車——?dú)淠茉雌嚨拈_發(fā)與應(yīng)用。然而，氫氣泄漏帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)成為其大規(guī)模發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸之一。針對(duì)這一問題，本文提出了一種基于光纖光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）的氫氣傳感器。該傳感器在0-3.2%氫氣濃度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)0.13nm/%的傳感靈敏度，并兼具制備簡(jiǎn)單、易于重現(xiàn)、安全可靠（無(wú)火花產(chǎn)生）等顯著優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器在性能與安全性方面表現(xiàn)出色，有望為氫能源汽車和相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用提供重要的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：氫氣檢測(cè) 氫能源汽車 光纖

在全球化的背景下，氣候變化已成為全人類共同面臨的重大挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)（碳達(dá)峰與碳中和），不僅是國(guó)際社會(huì)的共同承諾，更是推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動(dòng)力[1]。為有效落實(shí)“雙碳”目標(biāo)，必須減少對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴，并加強(qiáng)對(duì)清潔能源的開發(fā)和利用?！稓淠墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035年）》明確了氫能源的戰(zhàn)略地位，將其定義為來(lái)源廣泛、綠色低碳、應(yīng)用領(lǐng)域廣闊的二次能源?；趯?duì)中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)政策的研究，我國(guó)已在氫燃料電池堆及其關(guān)鍵材料、動(dòng)力系統(tǒng)、整車集成和氫能基礎(chǔ)設(shè)施等核心技術(shù)領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展，形成了涵蓋研發(fā)、制備、儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用的完整氫能產(chǎn)業(yè)鏈[2]。

氫能源汽車的發(fā)展對(duì)緩解全球氣候變暖問題具有重要意義。然而，氫氣作為一種無(wú)色無(wú)味、易燃易爆的氣體，其濃度在4.65%-74.7%范圍內(nèi)極易發(fā)生爆炸。因此，實(shí)現(xiàn)氫氣泄漏的精準(zhǔn)檢測(cè)是氫能源汽車發(fā)展過程中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。最新研究顯示，電化學(xué)傳感器的氫氣濃度檢測(cè)范圍可達(dá)20%-99.99%[3]。然而，大多數(shù)基于電化學(xué)傳感原理的設(shè)備存在使用壽命短、易受環(huán)境溫濕度影響、電信號(hào)易受電磁干擾等缺陷，且在運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生電火花，存在本質(zhì)安全隱患[3-5]。這些問題可能引發(fā)嚴(yán)重事故，造成巨大損失。相比之下，光纖氫氣傳感器具有電化學(xué)傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，例如本質(zhì)安全（不產(chǎn)生電火花、無(wú)需帶電工作）、靈敏度高、體積小、重量輕、抗電磁干擾能力強(qiáng)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸和多點(diǎn)連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這些特性使得光纖氫氣傳感器成為全球氫氣傳感技術(shù)發(fā)展的主流方向。

在這項(xiàng)工作中，我們制備了一種基于光纖光柵的氫氣傳感器，利用其穩(wěn)定的、實(shí)用的特性，在0-3.2%氫氣濃度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了0.13nm/%氫氣傳感，適用于氫能源汽車中氫氣泄露檢測(cè)。

1 光纖光柵（FBG）傳感器工作原理

FBG是一種利用光纖材料的光敏性，在光纖纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，使其折射率呈周期性調(diào)制的光纖傳感器件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

一束寬帶光從光纖中入射到光柵時(shí)，其內(nèi)具有周期性折射率分布的結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)特定波長(zhǎng)的窄帶光產(chǎn)生布拉格反射，且反射光的中心波長(zhǎng)λB=2neff∧。其中，neff為光纖光柵的有效折射率，∧為光柵周期。當(dāng)FBG受到溫度、應(yīng)變的影響時(shí)，會(huì)使∧和neff發(fā)生變化，從而FBG中心波長(zhǎng)的漂移。同時(shí)，光彈效應(yīng)也會(huì)引起光柵折射率變化，導(dǎo)致起FBG中心波長(zhǎng)的漂移。光纖光柵的波長(zhǎng)偏移量與溫度和光彈效應(yīng)的關(guān)系為：

（1）

式子中，是光纖光柵的中心波長(zhǎng)，是光纖光柵波長(zhǎng)變化量；是光纖的熱膨脹系數(shù)；是光纖材料本身的熱光系數(shù)；是光纖材料本身的光彈系數(shù)，是光纖光柵的應(yīng)變變化量；n是光纖材料的折射率；△T是光纖光柵的溫度變化量。[6]

2 光纖FBG傳感器溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為探究光纖光柵傳感器的溫度響應(yīng)特性，將光纖FBG傳感器固定于熱臺(tái)上進(jìn)行溫度測(cè)試?；贔BG傳感原理，環(huán)境溫度的變化會(huì)引起其中心波長(zhǎng)的偏移。本研究在20℃至80℃的溫度范圍內(nèi)，以每5℃為間隔，系統(tǒng)性地記錄了FBG中心波長(zhǎng)的漂移情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，如圖2（a）所示，隨著溫度從20℃升高至80℃，F(xiàn)BG中心波長(zhǎng)呈現(xiàn)明顯的紅移現(xiàn)象，這個(gè)可以用公式（1）來(lái)解釋。

進(jìn)一步對(duì)中心波長(zhǎng)與溫度變化進(jìn)行線性回歸分析，得到擬合曲線方程為：y=1537.30+0.01x，如圖2（b）所示。該結(jié)果表明，傳感器的溫度響應(yīng)靈敏度為0.01nm/℃，且線性度（R2=0.999）極好。

3 光纖FBG/鉑載三氧化鎢（Pt-WO3）傳感器氫氣測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1 光纖FBG/鉑載三氧化鎢傳感器氫氣響應(yīng)原理

當(dāng)三氧化鎢（WO3）在鉑（Pt）催化劑的輔助下暴露于氫氣環(huán)境中時(shí)，在氧氣存在的條件下，會(huì)發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，能夠釋放一定的熱量?；谶@一原理，本研究將Pt-WO3納米粉末負(fù)載于光纖光柵表面。當(dāng)環(huán)境中氫氣濃度不同時(shí)，Pt-WO3催化反應(yīng)釋放的熱量也隨之變化，從而導(dǎo)致FBG中心波長(zhǎng)發(fā)生不同程度的偏移。通過檢測(cè)FBG中心波長(zhǎng)的偏移量，可間接實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣濃度的高精度測(cè)量。這一方法不僅充分利用了Pt-WO3對(duì)氫氣的催化反應(yīng)特性，還結(jié)合了FBG對(duì)溫度變化的高靈敏，為氫氣濃度的檢測(cè)提供了一種可靠的傳感策略。

3.2 測(cè)量裝置

圖3展示了氫氣傳感實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。實(shí)驗(yàn)采用尺寸為100×40×20 mm的密閉氣室作為測(cè)試環(huán)境，其中置入FBG氫氣傳感器。傳感器的兩端分別連接寬帶光源（ASE，ALS-C1-17-B-FA，Amonics）和光譜儀（OSA，Yokogawa，AQ6370D），用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)FBG中心波長(zhǎng)的變化。為了精確控制氣室內(nèi)的氫氣濃度，采用氣體流量控制器（七星，D08-3F）調(diào)節(jié)純氫氣與空氣的混合比例。該流量控制器配備兩個(gè)獨(dú)立通道，分別連接氫氣發(fā)生器（QL-500）和空氣氣泵，其流量調(diào)節(jié)范圍為0-10 sccm（氫氣通道）和0-500 sccm（空氣通道），精度達(dá)到±0.1%。為減小氣體流動(dòng)對(duì)傳感器溫度的干擾，實(shí)驗(yàn)中保持總流量恒定在100sccm，并通過微量調(diào)節(jié)純氫氣流量和空氣流量來(lái)控制，實(shí)現(xiàn)氣室內(nèi)氫氣濃度在0-3.2%（體積分?jǐn)?shù)）范圍內(nèi)的精確調(diào)控。所有實(shí)驗(yàn)在室溫為20攝氏度下進(jìn)行。

3.3 傳感器對(duì)氫氣濃度測(cè)量

首先，對(duì)所提出的傳感器的氫氣響應(yīng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)性測(cè)試。如圖4（a）所示，隨著氫氣濃度從0%逐步增加至3.2%，傳感器的反射光譜呈現(xiàn)出顯著的變化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器對(duì)氫氣表現(xiàn)出高度敏感性，在檢測(cè)過程中，F(xiàn)BG中心波長(zhǎng)發(fā)生明顯的紅移現(xiàn)象。這一現(xiàn)象可從兩個(gè)方面進(jìn)行解釋：其一，如本文圖2所示，F(xiàn)BG傳感器對(duì)溫度變化具有高靈敏，且隨溫度升高，中心波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)；其二，根據(jù)前文理論分析，Pt-WO3與氫氣之間的放熱反應(yīng)導(dǎo)致溫度升高，從而引起FBG中心波長(zhǎng)的紅移。為進(jìn)一步量化氫氣濃度與共振波長(zhǎng)偏移之間的關(guān)系，采用最小二乘法進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果如圖4（b）所示。分析表明，兩者之間呈現(xiàn)出較好的線性相關(guān)性，其決定系數(shù)R2為0.98。此外，擬合函數(shù)的斜率（即傳感器的氫氣靈敏度）為0.13 nm/%。

3.4 溫度補(bǔ)償

本研究基于的機(jī)理是光纖FBG的熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)，即當(dāng)外界溫度變化時(shí)，會(huì)引起光纖光柵的柵區(qū)長(zhǎng)度和材料的折射率發(fā)生改變，從而導(dǎo)致布拉格波長(zhǎng)發(fā)生漂移，并且由于溫度的變化，會(huì)引起光纖內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)引發(fā)彈光效應(yīng)。因此，無(wú)論是Pt-WO3與氫氣的催化放熱反應(yīng)，還是外界環(huán)境溫度的變化，均會(huì)引起FBG中心波長(zhǎng)的偏移。

基于上述原理，可利用雙FBG串聯(lián)結(jié)構(gòu)的傳感器設(shè)計(jì)方案：通過將兩個(gè)具有不同中心波長(zhǎng)的FBG串聯(lián)，其中FBG1修飾Pt-WO3作為氫氣傳感單元，而FBG2則保持未修飾狀態(tài)作為溫度補(bǔ)償單元。該設(shè)計(jì)的核心優(yōu)勢(shì)在于：當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，F(xiàn)BG1和FBG2的波長(zhǎng)偏移量一致，可通過兩者的共同偏移量精確反演環(huán)境溫度變化，消除溫度對(duì)氫氣檢測(cè)的干擾。氫氣濃度變化時(shí)，Pt-WO3與氫氣的放熱反應(yīng)會(huì)引起FBG1的額外波長(zhǎng)偏移，而FBG2僅反映環(huán)境溫度變化。通過分析FBG1與FBG2的波長(zhǎng)偏移差異，可精確確定氫氣濃度。此外，也可通過該原理，串聯(lián)多個(gè)不同中心波長(zhǎng)的FBG，實(shí)現(xiàn)分布式氫氣傳感需求。

4 結(jié)論

本研究提出一種基于Pt-WO3納米粉末修飾光纖光柵（FBG）的高性能氫氣傳感器，其核心原理利用Pt催化下WO3與氫氣的放熱反應(yīng)，結(jié)合FBG對(duì)溫度變化的高靈敏度特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氫氣濃度的精確檢測(cè)。通過在密閉氣室中調(diào)控氫氣濃度（0-3.2% vol），傳感器表現(xiàn)出顯著的響應(yīng)特性：隨著氫氣濃度增加，Pt-WO3催化反應(yīng)釋放的熱量導(dǎo)致FBG中心波長(zhǎng)發(fā)生紅移，且波長(zhǎng)偏移量與氫氣濃度呈現(xiàn)高度線性關(guān)系（R2=0.98）。實(shí)驗(yàn)測(cè)得傳感器的氫氣靈敏度高達(dá)0.13 nm/%，展現(xiàn)了優(yōu)異的檢測(cè)性能。該研究為氫氣傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了新思路，適用于長(zhǎng)期低氫氣濃度檢測(cè)，未來(lái)可通過進(jìn)一步優(yōu)化FBG傳感結(jié)構(gòu)，提升傳感器的響應(yīng)靈敏度，檢測(cè)范圍，分布式檢測(cè)及長(zhǎng)期穩(wěn)定性，推動(dòng)其在氫能源汽車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

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