为了实现液相中氢气体积分数的准确检测, 该文利用钯、氧化硅超疏水溶胶和倾斜光纤光栅制备了氢气传感器。首先, 在倾斜光纤光栅表面采用磁控溅射法涂覆了一层致密的钯膜, 用于响应氢气体积分数变化信息; 然后, 采用镀膜提拉法在钯膜表面涂覆一层氧化硅超疏水膜, 用于阻止水分子进入钯膜内部, 导致钯膜从光纤表面脱落, 进而增强了传感器在液相环境下运行的稳定性。实验研究了钯膜厚度对传感器氢敏响应特性的影响, 并利用传感器对液相中的氢气体积分数进行了检测。研究结果表明, 传感器能准确响应液相中氢气体积分数的变化信息, 当钯膜厚度为120 nm时, 灵敏度达到-15.29 pm/%, 最大相对误差为8.67%。

为了实现高温高湿环境下氢气浓度稳定准确的检测,提出了一种新的光纤布拉格光栅(FBG)氢气传感器制作方法。首先,在FBG表面自聚合组装聚多巴胺涂层,并将组装成的涂层用于吸附氯化钯溶液中的钯离子、形成钯核,以增强钯核在光纤表面的黏附强度。其次,利用还原剂为钯离子提供还原位点,将钯核生长为致密的钯膜。再次,在钯膜表面涂覆一层氧化硅超疏水薄膜,以增强光纤在高湿环境下运行的稳定性。最后,引入温度补偿单元,消除温度对氢浓度测量产生的影响。实验研究了聚多巴胺厚度、还原剂种类、钯膜厚度和温湿度对传感器氢敏响应特性的影响。研究发现,在温度为30~70 ℃、相对湿度为20%~90%的范围内,传感器能稳定准确地响应氢气浓度的变化,灵敏度达10.80 pm/%、相对误差小于7.2%。

为了有效监测氢气管道的氢泄漏, 该文提出了一种基于相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)的准分布式氢泄漏实时在线监测系统。首先去除单模光纤包层, 接着在去除包层的光纤表面采用化学镀膜法镀上对氢气敏感的钯膜, 其次在钯膜表面涂上一层疏水溶胶, 然后将涂覆有疏水溶胶的氢敏光纤安装在聚四氟乙烯槽中, 最后采用Φ-OTDR分布式氢传感系统对氢气管道氢泄漏进行监测。结果表明, 光纤Φ-OTDR分布式氢传感系统能准确地对氢气管道周界氢浓度的微小变化做出快速响应, 响应时间为60 s, 位置分辨率达到50 mm, 氢气浓度检测下限达到1 000×10-6。研究结果表明, 基于光纤Φ-OTDR的测量系统能对长距离、大范围内的氢气管道氢泄漏进行准确检测。

利用微型机电系统(MEMS)加工工艺制备微悬臂梁,开发了一种由镀钯薄膜微悬臂梁和光纤布拉格光栅(FBG)组成的氢气敏光纤传感器,通过光栅波长的变化测量微悬臂梁吸收氢气时产生的位移,从而反映出环境中的氢浓度。应用弹性力学理论分析其工作原理,建立了传感器最大波长变化量与氢浓度关系的数学模型。结果表明,改变钯膜/硅悬臂梁厚度比可以提高传感器的灵敏度,厚度比为0.4时,传感器响应量最大。通过实验研究了传感器的氢响应特性,理论模型预测的最大波长变化量与实验结果十分吻合。

提出了一种基于钯膜的非本征法布里-珀罗光纤氢气传感器的方案。钯在氢气环境中吸收一定量的氢并使其体积膨胀, 而传感器腔长在应力的作用下发生变化。分析了其应力的传递过程,建立了法布里-珀罗腔腔长变化与氢浓度关系的数学模型。通过实验研究了该传感器的氢响应特性,理论模型预测的氢气浓度与实验结果吻合。

分析了光纤氢传感器在氢气浓度探测中显现的特殊优势,综述了目前国内外光纤氢传感技术发展的现状与应用,简述了光纤氢气传感器的工作原理,分别介绍了干涉型光纤氢传感器、微透镜型光纤氢传感器、布拉格光栅型光纤氢传感器、标准具型光纤氢气传感器以及渐逝场型光纤氢传感器的结构、检测原理及性能,展望了光纤氢传感器的广阔应用前景。