红外与激光工程
2022, 51(1): 20211114
中国计量大学 光学与电子科技学院, 杭州 310018
光纤布喇格光栅(FBG)因其响应速度快和准分布式测量等优势广泛应用于氢气测量领域。为进一步扩大氢气浓度测量范围, 提出一种基于介孔型掺铂三氧化钨(Pt/WO3)粉末的FBG氢气传感器, 并级联一个FBG传感头用以温度补偿。实验结果表明: 将氢气浓度从0递增到32%, FBG的中心波长最大飘移量为320 pm, 响应时间约为10 s, 并且在0~14%氢气浓度范围内有较好的线性关系, 灵敏度为11.69 pm/%H2, 可以实现准分布的氢气浓度传感。
氢气传感器 布喇格光纤光栅 温度补偿 大范围氢气浓度 Pt/WO3粉末 hydrogen sensor fiber Bragg grating temperature compensation wide range of hydrogen concentration Pt/WO3 powder
湖北文理学院机械工程学院, 湖北 襄阳 441053
制备了一种纳米棒Pt-WO3螺旋微结构光纤布拉格光栅(FBG)氢传感器。采用飞秒激光对光纤布拉格光栅包层进行了螺旋微结构的制备,通过水热法合成了纳米棒WO3,然后分解Pt(acca)2前驱体,合成Pt-WO3纳米棒颗粒,将两种金属的原子比控制在Pt∶W=1∶5,将纳米棒Pt-WO3镀在FBG微结构包层上。相比镀Pt-WO3膜的标准FBG,Pt-WO3纳米棒微结构FBG氢传感器灵敏度提高了1.5倍,传感器在1%氢气体积分数下的响应时间为15~30 s,该传感器在氢气传感领域具有良好的应用前景。
激光器 光纤光栅 氢气传感器 纳米棒 飞秒激光 激光与光电子学进展
2020, 57(21): 211405
1 国网电力科学研究院 武汉南瑞有限责任公司, 湖北 武汉 430074
2 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院六氟化硫气体特性分析与净化处理技术国网公司重点实验室, 安徽 合肥 230022
高灵敏度、快速响应的光纤氢气传感技术是未来氢气传感技术的发展方向, 对保障氢能系统安全具有重要意义。针对纳米尺度的钯基氢敏材料难以与光器件耦合的问题, 本文采用水相合成及离心沉积方法制备具有快速氢气响应特性的Au-Pd核壳纳米颗粒膜, 搭建了含有Au-Pd核壳纳米颗粒氢敏膜阵列的透射式传感系统, 实现了光信号与多层纳米颗粒膜阵列的耦合, 通过提高敏感材料对光信号的调制能力增强了传感器的灵敏度。实验研究表明, 本文制备的Au-Pd核壳纳米颗粒膜粒径为48 nm, Pd层厚度约为4 nm。该敏感薄膜对4%浓度氢气的响应时间小于3 s, 且在循环测试中显示了良好的重复性和稳定性。通过3片薄膜阵列传感, 在不影响传感器响应速度的同时将传感器灵敏度提升至最高, 为单片膜的2.7倍。该研究为开发高性能光纤氢气传感器提供了重要指导。
氢气传感 光纤氢气传感器 Au-Pd纳米颗粒 多层膜增敏 hydrogen detection optical fiber hydrogen Au-Pd nanoparticles mutli-layer sensitivity enhancement
1 湖北文理学院机械工程学院, 湖北 襄阳 441053
2 武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室, 湖北 武汉 430070
制备了交叉螺旋微结构的光纤光栅氢气传感器。利用飞秒激光在布拉格光纤光栅(FBG)包层加工出交叉螺旋微槽,采用水热法制备片状Pt-WO3粉末,在微结构光纤光栅表面镀Pt-WO3膜,对比无微结构探头,螺旋微结构探头增大了传感器灵敏度,微结构探头灵敏度是无微结构探头的1.55倍。通过理论数值计算传感器灵敏度,探讨仿真值与实验结果差异性。制备的传感器具有灵敏度高、响应速度快、重复性好的特点,具有监测氢气泄漏的应用前景。
传感器 飞秒激光 氢气传感器 Bragg光纤光栅 微结构 中国激光
2019, 46(12): 1210001
1 湖北文理学院 机械工程学院, 湖北 襄阳 441030
2 武汉理工大学 光纤传感技术国家工程实验室, 武汉 430070
研究了不同钯银合金原子比例复合膜对微结构光纤光栅氢气传感特性的影响.使用飞秒激光在布拉格光栅光纤包层加工螺旋微结构, 将磁控溅射方法制备的不同钯银原子比例的合金膜镀在螺旋微结构表面, 研制优化钯银合金比例的新型微结构布拉格光栅光纤氢气传感器.采用扫描电子显微镜和能谱仪对Pd-Ag薄膜进行表征和分析, 对三种不同钯银原子含量(Pd∶Ag=2∶1, 4∶1, 6∶1)的微结构布拉格光栅光纤探头进行氢气传感测试.在室温条件下, 钯银原子比例为4∶1的微结构探头具有最佳的氢气传感性能, 钯银原子比例为2∶1的微结构探头响应速度最快, 但是灵敏度最低.在4%氢气浓度下, 螺旋微结构传感器的漂移量达到107 pm, 对比同类型布拉格光栅光纤氢气传感器, 具有更高的灵敏度和更快响应速度.
氢气传感器 飞秒激光 Pd-Ag合金膜 微结构 布拉格光栅光纤 Hydrogen sensor Femtosecond laser Pd-Ag alloy film Microstructure Fiber Bragg grating
1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
2 北京航空航天大学物理与核能源工程学院, 北京 100191
3 中国工程物理研究院总体工程研究所, 四川 绵阳 621900
提出了一种基于Sagnac干涉仪的保偏光子晶体光纤(PM-PCF)氢气传感器，建立了传感模型并进行了实验研究和验证。采用对靶磁控溅射技术将钯银(Pd/Ag)合金快速均匀地沉积在保偏光子晶体光纤侧面，并利用Pd吸收氢气后的形变调制保偏光子晶体光纤的双折射，通过测量Sagnac干涉仪输出光谱峰值的变化实现氢气浓度的测量。实验结果表明该传感器可检测的氢气浓度范围为0%~4%，且具有良好的重复性。室温下对低浓度氢气具有较高的灵敏度，氢气浓度由0%变化到1%时的波长偏移量达1.307 nm。采用双折射温度不敏感的保偏光子晶体光纤，可很好地抑制外界温度变化对传感器的干扰。
光纤光学 氢气传感器 光子晶体光纤 对靶磁控溅射 Pd/Ag合金膜
1 南京大学现代工程与应用科学学院固体微结构物理国家重点实验室, 江苏 南京 210093
2 南京大学（苏州）高新技术研究院, 江苏 苏州 215123
介绍了一种基于光子晶体光纤(PCF)干涉仪的新型氢气传感器。该传感器采用反射式光路设计，在氢气传感单元中引入一段PCF。该PCF的一端以及一部分包层外壁在真空条件下蒸镀了一层金属钯膜，另一端接入光路，构成一套全光纤氢气传感系统。实验中记录了氢气浓度(体积分数)从0到5%变化时传感单元对应的干涉谐振波长的变化，谐振波长最大的移动可达1.2 nm，相比大多数基于布拉格光栅的光纤氢气传感器，相同条件下灵敏度有很大的提高。整套传感系统未引入任何分立的光学元件，在兼顾了全光纤光路的条件下，实现了较高的检测灵敏度。
传感器 光子晶体光纤 反射型 全光纤 氢气传感器 光学学报
2013, 33(11): 1106003
1 武汉理工大学 光纤传感技术中心，武汉 430070
2 中国工程物理研究院 表面物理与化学重点实验室，四川 绵阳 621907
采用磁控溅射方法在侧边抛磨的光纤光栅（D型光纤光栅）上溅射40 nm WO3Pd复合薄膜，制作了D型光纤光栅氢气传感器.40 nm WO3Pd复合薄膜是由5 nm的WO3、5 nm的WO3/Pd混合膜和30 nm的Pd 薄膜组成.实验中,首先采用射频溅射技术向D型光纤光栅溅射5 nm WO3薄膜，再利用共溅射技术溅射5 nm WO3/Pd混合膜，最后用直流溅射技术溅射30 nm的Pd薄膜.SEM结果显示在多次通氢气后WO3Pd薄膜仍然具有较好的表面形貌，这说明WO3Pd复合薄膜具有较好的机械性能.实验结果表明:该氢气传感器具有较好的重复性，同镀有同样氢气敏感膜的普通FBG相比，D型光纤光栅的灵敏度提高了200%;在氢气体积浓度为6%时，D型光纤光栅传感器的波长变化为15pm.
D型光纤光栅 磁控溅射 WO3 Pd复合膜 氢气传感器 Dshaped fiber Bragg grating Magnetron sputtering WO3Pd composite film Hydrogen sensor
