級聯長周期光纖光柵氫氣傳感器

黎啟勝，張 毅，莊 志，張 敏，楊 振

(1.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽621900;2.清華大學電子工程系光纖傳感研究室，北京100084)

氫氣作為一種理想的清潔能源，在工業領域具有廣泛的用途，同時它也是一種爆炸極限較低的危險氣體，所以氫氣的可靠監測對防止事故有重要意義，比如在石油提煉、金屬焊接、航空航天中燃料泄露監測等方面［1－2］。特別是某些特殊研究領域，比如飛機發動機部件貯存試驗中，其主要零部件存放在一個高濃度氮氣加壓的密閉容器中，內部氫氣的變化不但可引起金屬零部件的腐蝕，濃度過高時(超過4%)還易產生爆炸，危及整個產品和人員的安全。

目前，氫氣的檢測技術主要有氫敏傳感器、聲表面波(SAW)傳感器、光聲氣體傳感器、氣相色譜－原子吸收光譜法、質譜法等。與其他檢測技術相比，光纖傳感器具本質安全、體積小等特點，特別適用于高危及狹小空間內的氫氣監測。有些光纖氫氣傳感器已經被提出，主要有干涉型、透鏡型、消逝場型、光纖布拉格光柵型等類型［3－7］，而基于長周期光纖光柵的氫氣傳感器還未見報道。

1 傳感檢測原理

長周期光纖光柵的纖芯基模能量耦合至同向傳輸的包層基模中，導致相應波長的傳輸損耗，透射譜中會出現一個或多個損耗峰，外界溫度、應力、折射率等環境變化均會引起包層模式有效折射率發生變化，進而引起損耗峰特性(波長和幅度)改變［8］。相比于單個長周期光纖光柵，級聯長周期光纖光柵在監測環境參量時具有更高的靈敏度和分辨力［9］，已被應用于測量應變［9］、折射率［10］、溫度［11］和橫向載荷［12］，當其表面鍍氫敏膜后將可應用于測量氫氣濃度。

光束在兩級聯長周期光纖光柵中傳輸機理如圖1所示，光纖纖芯中傳輸的光經過第一個長周期光纖光柵LPG1后，一部分能量被耦合至包層中，由于間隔光纖的長度很小，在包層中傳輸的光能量衰減可忽略，所以在通過第二個長周期光纖光柵LPG2時，包層部分的光能量重新耦合回纖芯。纖芯和包層中的光由于光程不同，會在第二個光柵處產生干涉，使得透射譜出現一系列干涉條紋。

圖1 級聯長周期光纖光柵光傳輸框圖

圖2是單個LPG(點線)和級聯LPG(實線)的理想透射譜曲線，級聯LPG干涉譜是由若干受單個LPG透射譜曲線調制的周期性正弦函數組成，干涉峰個數僅與光柵間距L和光柵長度d的比值有關，呈中心對稱分布，峰值波長處干涉峰消光比為最大值，與峰值波長間隔越大處消光比越小［13－15］。

圖2 級聯長周期光纖光柵透射譜曲線

級聯LPG透射譜曲線可由式(1)進行描述［16］:

纖芯基模和包層模的相位差取決于光柵造成的相位延遲(βc0－βc1)L和它們的光程差φ。由于光柵的耦合系數不太大，式(1)可以近似為式(2)

傅里葉變換是實現信號頻譜分析的有效手段，由式(2)可知傳感器輸出頻譜中除余弦函數的線譜外，還有反映直流分量的零頻、反映局部畸變的高頻噪聲干擾，但它們與反映相位變化的余弦函數線譜在頻域上完全分離且互不干擾，因此傅里葉變換解調方法可以消除波形中局部畸變的干擾，也可消除條紋計數解調法存在的粗大誤差。由于在光柵表面鍍鈀銀合金膜會使βc1和α發生變化，這些變化反映在干涉條紋的對比度中。而干涉條紋對比度可由傅里葉分析可得:

其中，F(I){v}是以 v為變量的譜函數，v=(nc0－nc1)/λ。

2 實驗及分析

2.1 鍍膜前后級聯長周期光纖光柵的透射光譜

采用CO2激光器在單模光纖上制作出兩個參數相同的LPG，用磁控濺射工藝在光柵表面鍍一層厚度為300 nm的鈀銀合金膜，兩者用光纖連接并間隔一定距離制成級聯長周期光柵氫氣敏感單元，光柵周期為400 μm，L=44 mm、d=12 mm。傳感單元通過光纖耦合器一端連接至寬光譜光源，另一端連接至光譜儀，光譜儀波長分辨力為0.1 nm，幅度分辨力為0.01 dB，實驗裝置見圖3。

圖3 實驗裝置圖

測量鍍膜前(實線)和鍍膜后(虛線)光柵的透射光譜如圖4所示。從圖中可以看出鍍膜后透射光譜發生變化，其干涉條紋幅值顯著降低，所以在兩光柵間建議不鍍膜，避免引入很大的包層模傳輸損耗，導致無法獲得理想的透射曲線。

圖4 鍍膜前后級聯長周期光纖光柵透射光譜

2.2 氫氣濃度響應實驗

依靠圖3所示的高精度配氣系統來為氫氣傳感器標定提供標準濃度氫氣，即利用高純標準濃度的氫氣和氮氣，通過靜態容差法在測量氣室中配得所需低濃度的標準氫氣，將傳感器放置其中。在恒溫環境下，將氫氣濃度從0%升高至4%，分別測得不同氫氣濃度下鍍鈀銀合金膜長周期光纖光柵的透射光譜，見圖5。

圖5 不同氫氣濃度下透射譜曲線

由實驗數據可以發現，4%氫氣濃度時透射光譜峰值顯著降低，說明傳感器的透射光譜對氫氣濃度的變化非常敏感，伴隨著氫氣濃度的增大損耗加大。但是由于光源的不穩定、傳輸光纖的抖動等都可能會給測量帶來誤差，出現0%濃度時的透射光譜在1%濃度以下的情況，所以通過實驗發現直接測量峰值誤差較大，為此采用干涉條紋對比度來測量氫氣濃度，由實驗曲線可看出伴隨氫氣濃度的增加，干涉峰對比度逐漸降低，1%濃度的對比度明顯比0%對比度小，所以通過此方法可以消除測量誤差。

根據式(2)計算出干涉條紋對比度，干涉條紋對比度隨氫氣濃度的變化如圖6中所示，其中氫氣濃度逐漸增加時如響應曲線1所示，氫氣濃度逐漸降低時如響應曲線2所示。

圖6 不同氫氣濃度下長周期光纖光柵的干涉條紋對比度

由圖6可見，干涉條紋對比度隨氫氣濃度的上升而下降。當氫氣濃度從0%升至2%時，條紋對比度下降很快，當氫氣濃度從2%升至4%時，下降速度變緩。這個現象可從PdHx化合物的固有性質來分析，有研究發現Pd吸氫后有α相和β相兩種固溶體存在，改變H2濃度能影響PdHx晶格相的轉化，當氫氣濃度低于2%時，Pd－H處于α相變，干涉條紋對比度的變化明顯。氫氣濃度高于2%時，Pd－H處于β相變，條紋干涉對比度變化減弱一些。當氫氣濃度上升時擬合曲線1 為 y=0.015 9x2－0.126 8x+0.402 3，氫氣濃度下降時擬合曲線2為y=0.014 2x2－0.122 4x+0.404，其中y是對比度，x是氫氣濃度。通過實驗數據可以求出傳感器的重復性誤差為5.4%。

3 結論

本文設計了一種基于鈀銀合金膜的級聯長周期光纖光柵氫氣傳感器。當鈀銀合金膜處于氫氣環境時，由于吸收氫氣會使光纖有效折射率改變，從而影響級聯長周期光纖光柵的透射光譜。初步實驗證明通過測量級聯長周期光纖光柵的條紋對比度變化可監測氫氣濃度變化，但是由于氫敏膜的厚度對傳感器的靈敏度、響應時間等特性影響很大，對其參數還需要進一步的優化設計，而且針對外部環境如溫度濕度等變化，需要進一步的深入研究提出補償方法來降低環境干擾。

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