全文摘要
本实用新型公开了一种基于腰椎放大M‑Z干涉的温度不敏感光纤氢检测仪，由自发辐射激光器，光纤耦合器，气室，进气口，出气口，普通单模光纤，第一腰椎放大光纤结构，光子晶体光纤，第二腰椎放大光纤结构，Pd\/WO3混合膜，光谱仪组成。当光纤处于含有氢气的环境中，其表面的Pd\/WO3混合膜与氢气反应，体积膨胀，膜对光纤产生轴向应变力，使得由自发辐射激光器发出的光通过第一腰椎放大光纤结构与第二腰椎放大光纤结构后产生的干涉光谱发生变化，即光谱仪接收到的干涉光谱峰值波长产生漂移，从而获得氢气浓度与波长位移变化量的关系，从而实现氢气浓度的检测。由于普通光纤优秀的物理、化学特性以及光子晶体光纤的温度不敏感性，该发明具有耐火、耐腐蚀，且抗温度干扰能力强、抗电磁干扰能力强、复用性好、使用方便的优点，具有很好的实用价值和应用前景。
主设计要求
1.基于腰椎放大M-Z干涉的温度不敏感光纤氢检测仪，由自发辐射激光器(1)，光纤耦合器(2)，光纤转换头(3)，气室(4)，进气口(5)，出气口(6)，第一腰椎放大光纤结构(7)，光子晶体光纤(8)，第二腰椎放大光纤结构(9)，Pd\/WO3混合膜(10)，光谱仪(11)组成；其特征在于：自发辐射激光器(1)通过光纤与光纤耦合器(2)与光纤转换头(3)连接到第一腰椎放大光纤结构(7)；光纤转换头(3)与气室(4)两端相连，与气室(4)及其内部的光纤结构构成一个整体模块；第一腰椎放大光纤结构(7)固定在密闭不透光的气室(4)中，第一腰椎放大光纤结构(7)和第二腰椎放大光纤结构(9)之间光子晶体光纤(8)长度为14毫米，光子晶体光纤(8)为带间隙型光子晶体光纤，第一腰椎放大光纤结构(7)和第二腰椎放大光纤结构(9)的腰椎直径为165微米，腰椎长度为265微米，Pd\/WO3混合膜(10)的厚度为40纳米，Pd\/WO3混合膜(10)中WO3层厚度为5纳米，WO3和Pd混合膜的厚度为5纳米，Pd层的厚度为30纳米，Pd\/WO3混合膜(10)沿光纤轴向长度为8毫米；第二腰椎放大光纤结构(9)与光纤转换头(3)相连并通过光纤耦合器(2)连接到光谱仪(11)，气室(4)中的氢气浓度发生变化时，光谱仪(11)接收到的干涉光谱发生变化，从而产生干涉光谱峰值波长的漂移，获得氢气浓度与波长位移变化量的关系，从而实现氢气浓度的检测，光子晶体光纤(8)的温度不敏感性实现氢气检测的温度不敏感。
设计方案
1.基于腰椎放大M-Z干涉的温度不敏感光纤氢检测仪，由自发辐射激光器(1)，光纤耦合器(2)，光纤转换头(3)，气室(4)，进气口(5)，出气口(6)，第一腰椎放大光纤结构(7)，光子晶体光纤(8)，第二腰椎放大光纤结构(9)，Pd\/WO3混合膜(10)，光谱仪(11)组成；其特征在于：自发辐射激光器(1)通过光纤与光纤耦合器(2)与光纤转换头(3)连接到第一腰椎放大光纤结构(7)；光纤转换头(3)与气室(4)两端相连，与气室(4)及其内部的光纤结构构成一个整体模块；第一腰椎放大光纤结构(7)固定在密闭不透光的气室(4)中，第一腰椎放大光纤结构(7)和第二腰椎放大光纤结构(9)之间光子晶体光纤(8)长度为14毫米，光子晶体光纤(8)为带间隙型光子晶体光纤，第一腰椎放大光纤结构(7)和第二腰椎放大光纤结构(9)的腰椎直径为165微米，腰椎长度为265微米，Pd\/WO3混合膜(10)的厚度为40纳米，Pd\/WO3混合膜(10)中WO3层厚度为5纳米，WO3和Pd混合膜的厚度为5纳米，Pd层的厚度为30纳米，Pd\/WO3混合膜(10)沿光纤轴向长度为8毫米；第二腰椎放大光纤结构(9)与光纤转换头(3)相连并通过光纤耦合器(2)连接到光谱仪(11)，气室(4)中的氢气浓度发生变化时，光谱仪(11)接收到的干涉光谱发生变化，从而产生干涉光谱峰值波长的漂移，获得氢气浓度与波长位移变化量的关系，从而实现氢气浓度的检测，光子晶体光纤(8)的温度不敏感性实现氢气检测的温度不敏感。
设计说明书
技术领域
本发明属于氢浓度测量的技术领域，具体涉及一种基于腰椎放大M-Z干涉的温度不敏感光纤氢检测仪。
背景技术
基于马赫-曾德尔干涉仪结构的各种功能型光纤传感器自1991年开始迅速发展，极大的推动了传感技术的发展，拓宽了光纤的应用范围。
由于光纤具有轻便，价格低廉，抗电磁干扰，耐腐蚀等优点，在传感检测中具有很好的实用价值。
温度不敏感的马赫-曾德尔腰椎放大光纤结构是将一段光子晶体光纤两端分别与两段单模光纤放大熔接，结构简单，避免了蚀刻等加工过程，制备过程便捷。
由于钯对于氢气有唯一选择性与较高的响应速度，Pd\/WO3混合层能有效消除了纯钯与氢气反应时产生相变、零点漂移的现象，加强Pd\/WO3混合层与光线表面的结合力，故Pd\/WO3 是理想的氢气检测传感材料，所以在本发明中采用三氧化钨、钯作为传感材料。
由于光子晶体光纤具有温度不敏感性，所以在本发明中采用光子晶体光纤作为传感材料的载体。
光谱仪是把复杂的光信号分解为光谱线的光电检测仪器，它的工作原理是基于空间色散与光的调制技术,利用这一技术可以实现对谱线不同波长位置强度的测量，且具有测量迅速准确、灵敏度高等优点，已经被广泛使用。
发明内容
针对现有光纤结构氢气传感器的不足，本发明的目的在于以基于腰椎放大的M-Z干涉结构为传感器主要结构，以干涉光谱的干涉峰波长的位移为基础，及光纤熔接结构简单，制备便捷的优点,实现氢气浓度的测量，解决了基于布拉格光纤光栅(FBG)的氢传感器敏感度低，制备过程繁琐、复杂的缺点。
本发明通过以下技术方案实现：基于腰椎放大M-Z干涉的温度不敏感光纤氢检测仪，由自发辐射激光器(1)，光纤耦合器(2)，光纤转换头(3)，气室(4)，进气口(5)，出气口(6)，第一腰椎放大光纤结构(7)，光子晶体光纤(8)，第二腰椎放大光纤结构(9)， Pd\/WO3混合膜(10)，光谱仪(11)组成；其特征在于：自发辐射激光器(1)通过光纤与光纤耦合器(2)连接到第一腰椎放大光纤结构(7)，第一腰椎放大光纤结构(7)固定在密闭不透光的气室(4)中，第一腰椎放大光纤结构(7)和第二腰椎放大光纤结构(9)之间光子晶体光纤(8)长度为14毫米，光子晶体光纤(8)为带间隙型光子晶体光纤，第一腰椎放大光纤结构(7)和第二腰椎放大光纤结构(9)的腰椎直径为165微米，腰椎长度为265微米，Pd\/WO3混合膜(10)的厚度为40纳米，Pd\/WO3混合膜(10)中WO3层厚度为5纳米，WO3和Pd混合膜的厚度为5纳米，Pd层的厚度为30纳米，Pd\/WO3混合膜(10)沿光纤轴向长度为8毫米；第二腰椎放大光纤结构(9)与光纤耦合器(2)相连并连接到光谱仪 (11)，气室(4)中的氢气浓度发生变化时，光谱仪(11)接收到的干涉光谱发生变化，从而产生干涉光谱峰值波长的漂移，获得氢气浓度与波长位移变化量的关系，从而实现氢气浓度的检测，光子晶体光纤(8)的温度不敏感性实现氢气检测的温度不敏感。
所述的气室(4)的材料为聚乙烯，为双开口立方体，长为25mm，宽度为15mm，高为15mm，厚度为3mm。
光纤转换头(3)与气室(4)两端相连，这样气室(4)与其内部的光纤结构就构成了一个整体模块，便于携带，也便于随时与光源、光谱仪进行连接。
钯对于氢气具有很强的选择性，当氢气遇到合金层内的钯时，会以很快的速度分解为两个氢原子，并与钯发生反应，产生钯氢化物，体积随之膨胀。钯氢化物具有与钯不同的光学性质，它的复介电常数的实部与虚部都更小，这使得Pd\/WO3混合膜内表面与光子晶体光纤包层外表面的边界条件以及纤芯模与包层模之间的有效折射率发生改变。同时，WO3对氢气具有良好的敏感性与光学特性，WO3与光纤材料SiO2性质相近，与SiO2的结合力相较于钯膜更强，但其对氢气的选择性低。Pd\/WO3混合膜(10)综合了Pd与WO3的优点，使得传感光纤在保证了对的氢选择性与敏感性的基础上也具有较高的稳定可靠性。
当温度变化作用于光子晶体光纤时，仅会使其干涉条纹的强度发生改变而波长不产生漂移，因此在使用基于光子晶体光纤的腰椎放大光纤结构进行波长位移的测量时，可以忽略温度对测量的影响。
本发明的工作原理是：基于腰椎放大M-Z干涉结构的干涉特性，当单色平行光入射到光纤中，第一腰椎放大光纤结构(7)可以激发包层模，在两个腰椎之间的光纤中就会同时有纤芯模与包层模的传输，传输到第二腰椎放大光纤结构(9)时，包层模与纤芯模发生干涉效应，并耦合到输出单模光纤的纤芯传输，其产生干涉场的干涉光强为：
式中I1<\/sub>表示纤芯模的光强，I2<\/sub>表示包层模的光强，L表示传感光纤的长度，λ表示在空气中光的波长， 申请码:申请号:CN201920005330.8 申请日:2019-01-03 公开号:公开日:国家:CN 国家/省市:86(杭州) 授权编号:CN209485974U 授权时间:20191011 主分类号:G01N 21/31 专利分类号:G01N21/31 范畴分类:31E; 申请人:中国计量大学 第一申请人:中国计量大学 申请人地址:310018 浙江省杭州市下沙高教园区学源街258号 发明人:方泽昊;沈常宇;朱周洪 第一发明人:方泽昊 当前权利人:中国计量大学 代理人:代理机构:代理机构编号:优先权:关键词:当前状态:审核中 类型名称:外观设计设计图
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