基于Pd/WO3复合膜的渐逝场型光纤氢气传感器的研究

摘要

氢气作为一种高效洁净的新型能源，可无限循环利用，可以说是取之不尽用之不竭的燃料，在能源严重短缺的今天，越来越受到人们的关注。但由于它易泄漏，易燃易爆，在生产、运输、使用的过程中非常的危险，因此，对氢气进行实时监测非常重要。考虑到氢气在很大范围内遇到明火或电火花会发生爆炸，而传统的电化学型氢气传感器又难以避免电信号的存在，本文通过研究开发出一种新型的基于侧边抛磨的光纤氢气传感器。
　　 通过将光纤包层部分抛磨后，再在抛磨区表面镀上氢敏感薄膜，使得敏感膜能够更加有效的影响到光纤中光的传输，从而提高了传感器的灵敏度和响应速度。从光纤的传输理论上详细介绍了渐逝场型光纤氢气传感器的光传输原理和特点，数值模拟分析了抛磨前后光纤中光传输的变化，随着抛磨深度的不断增加，从光纤透射出来的光功率呈逐渐降低的趋势。通过抛磨前后布拉格光栅(FBG)中心波长的对比分析发现当抛磨掉部分包层后，直接与空气接触，其有效折射率就会发生变化，中心波长向短波长偏移，从FBG反射回来的中心波长峰值随着抛磨深度的加深出现降低的趋势。
　　 本文研究了氢敏薄膜的制备工艺，并对所镀薄膜做了相关氢敏特性分析，得出Pd/WO3分层和共溅射复合膜的稳定性和灵敏度都优于单一的Pd膜，Pd/WO3共溅射复合膜具有更好的机械稳定性。通过具体实验对比分析了镀有单一Pd膜、Pd/WO3分层复合膜和Pd/WO3共溅射复合膜的单/多模光纤氢气传感器的透射功率随氢气浓度的变化情况，结果表明Pd/WO3复合膜光纤氢气传感器在灵敏度、响应时间、线性关系以及可重复性方面都比单一Pd膜好，其中镀有Pd/WO3共溅射复合膜而制成的光纤氢气传感器将是检测氢气浓度的极佳选择。通过单模光纤和多模光纤的对比，得到单模光纤的线性和稳定性比多模光纤好。还对比分析了不同抛磨程度对传感器性能的影响，结果表明将光纤包层侧边抛磨到透射功率减少到抛磨前功率的1/10和1/20为理想的抛磨程度。对镀有Pd膜的侧边抛磨FBG氢气传感器的研究表明，FBG中心波长随着氢气浓度的增加依次向短波长偏移，在0.01％氢气浓度下向短波长偏移25pm，在4％的氢气浓度下，波长相对于在空气中偏移了约90pm。最后通入100％纯氢气时，有明显的向短波长方向偏移，其偏移量约为180pm。