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申请/专利权人：中国计量大学

摘要：本发明公开了一种基于PDMS的倾斜布拉格光纤光栅氢气传感器，由倾斜布拉格光纤光栅解调仪，计算机，耦合器，单模光纤，气室，参考FBG，掺催化剂的WO3加SiO2混合膜，PDMS，传感TFBG，气体流量控制器，氢气发生器，空气泵，光源组成；其中在涂附着PDMS的传感TFBG上，通过旋涂法镀40nm掺催化剂的WO3加SiO2混合膜。WO3加SiO2混合膜具有较好的机械性能，提高倾斜光纤光栅氢气传感器的性能。

主权项：1.一种基于PDMS的倾斜布拉格光纤光栅氢气传感器，由倾斜布拉格光纤光栅解调仪1，计算机2，耦合器3，单模光纤4，气室5，参考FBG6，掺催化剂的WO3加SiO2混合膜7，PDMS8，传感TFBG9，气体流量控制器10，氢气发生器11，空气泵12，光源13组成；其特征在于：计算机2与倾斜布拉格光纤光栅解调仪1右端连接，倾斜布拉格光纤光栅解调仪1左端与耦合器3右端连接，其中倾斜布拉格光纤光栅解调仪1检测光纤光栅波长随氢气浓度的变化，耦合器3左端与光纤4一端连接，光纤4另一端分别刻有中心波长为1550nm的参考FBG6和涂附着PDMS8基模中心波长为1610nm的传感TFBG9，在PDMS8外层镀有掺催化剂的WO3加SiO2混合膜7，镀有掺催化剂的WO3加SiO2混合膜7的厚度为40nm；传感TFBG9与光源13连接，连接气室5的气体流量控制器10分别连接氢气发生器11和空气泵12，氢气浓度发生变化时，传感TFBG9的中心波长会发生漂移，通过计算检测出的漂移差，可以测得氢气浓度及其变化量，参考FBG6可以用来进行温度漂移校准，传感TFBG9的布拉格波长可以作为零点漂移校准；其中解调仪1检测光纤光栅波长随氢气浓度的变化过程为：利用涂附于倾斜布拉格光纤光栅表面的PDMS的黏附性和受热易膨胀性质，外侧黏附WO3SiO2粉末和催化剂，随着氢气浓度的升高，PtWO3粉末与氢气发生氧化还原反应，化学方程式如下：以铂为催化剂，WO3与氢气发生剧烈反应，向周围环境释放能量；通过热光效应改变倾斜布拉格光纤光栅的有效折射率Δneff，公式如下：Δneff＝ξ·neff·ΔT，通过测量放热反应引起的温度变化，可以计算出氢气浓度。

全文数据：一种基于PDMS的倾斜布拉格光纤光栅氢气传感器技术领域本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于PDMS的倾斜布拉格光纤光栅氢气传感器。背景技术由于聚二甲基硅氧烷PDMS弹性体有着优良的弹性性能和良好的粘附性等优点，且受热易膨胀，在光纤传感领域是一种很有前景的材料。采用溶胶凝胶法将WO3沉积在光纤光栅，H2PtCl6·6H2O作为催化剂,在不同浓度氢气下光纤光栅的波长具有很大的变化。WO3SiO2粉末用作敏感区域，当传感器暴露在混有氢气的空气中时，氧化还原反应会导致环境温度升高，导致由于PDMS的热膨胀导致传感部分形状变化。SiO2有很多的孔隙，依靠吸附作用来除去潮湿物质中的水分子，即通过固体表面的质点与各种气体、液体等中的水分子发生相互吸引力而将其吸附在固体物质表面上。由于倾斜布拉格光纤光栅TFBG独特的耦合方式使其不仅对周围的环境参量极其敏感,而且能够解决倾斜布拉格光纤光栅的温度和应力交叉敏感的问题，因此在传感等领域内有较多的应用。发明内容针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于PDMS的倾斜布拉格光纤光栅氢气传感器，利用PDMS的受热易膨胀性质，采用溶胶胶凝法制备WO3SiO2前驱体，并加入H2PtCl6·6H2O生成催化剂，再通过旋涂法向倾斜布拉格光纤光栅镀5nmWO3SiO2混合膜，形成氢气传感器。本发明通过以下技术方案实现：一种基于PDMS的倾斜布拉格光纤光栅氢气传感器，由倾斜布拉格光纤光栅解调仪1，计算机2，耦合器3，单模光纤4，气室5，参考FBG6，掺催化剂的WO3SiO2混合膜7，PDMS8，传感TFBG9，气体流量控制器10，氢气发生器11，空气泵12，光源13组成；其特征在于：计算机2与倾斜布拉格光纤光栅解调仪1右端连接，倾斜布拉格光纤光栅解调仪1左端与耦合器3右端连接，其中倾斜布拉格光纤光栅解调仪1检测光纤光栅波长随氢气浓度的变化，耦合器3左端与光纤4一端连接，光纤4另一端分别刻有中心波长为1550nm的参考FBG6和涂附着PDMS8基模中心波长为1610nm的传感TFBG9，在PDMS8外层镀有掺催化剂的WO3SiO2混合膜7，镀有掺催化剂的WO3SiO2混合膜7的厚度为40nm。传感TFBG9与光源13连接，连接气室5的气体流量控制器10分别连接氢气发生器11和空气泵12，氢气浓度发生变化时，传感TFBG9的中心波长会发生漂移，通过计算检测出的漂移差，可以测得氢气浓度及其变化量，参考FBG6可以用来进行温度漂移校准，传感TFBG9的布拉格波长可以作为零点漂移校准。避免了氢气敏感材料易脱落，制作复杂的缺点，能实现快速多次测量，且测量精确度和灵敏度大大提高问题。本发明的工作原理是：利用涂附于倾斜布拉格光纤光栅表面的PDMS的黏附性和受热易膨胀性质，外侧黏附WO3SiO2粉末和催化剂，随着氢气浓度的升高，PtWO3粉末与氢气发生氧化还原反应，化学方程式如下：以铂为催化剂，WO3与氢气发生剧烈反应，向周围环境释放能量。通过测量放热反应引起的温度变化，可以计算出氢气浓度。当没有氢时，WO3-x可以在空气中氧化成WO3。因此基于这些反应的氢传感器可以用于重复测量。当WO3与氢反应时，其光吸收和折射率都会发生变化。但是，由于单模光纤的有效模场直径比纤芯直径大几微米，因此该倾斜布拉格光纤光栅氢气传感器的光学常数变化可以忽略。因此，标准倾斜布拉格光纤光栅的中心波长不受环境折射率的影响，由于WO3在氢响应过程中晶格常数变化较小，因此其体积变化引起的物理应力对传感器性能影响不大。倾斜布拉格光纤光栅的中心波长与温度变化t之间的关系可以用方程表示：ΔλB＝α+ξΔT·λB其中，α是膨胀系数，ξ是热光系数。环境温度可通过热膨胀改变光栅间距∧，公式如下：ΔΛ＝α·Λ·ΔT还可以通过热光效应改变倾斜布拉格光纤光栅的有效折射率Δneff，公式如下：Δneff＝ξ·neff·ΔT因此，温度变化引起的倾斜布拉格光纤光栅波长漂移主要归因于热光效应。为了制备相对安全的氢传感器，当氢浓度在爆炸范围内时，氢敏感材料引起的温度升高不应超过氢的燃烧极限。本发明的有益效果是：本发明的设计中基于PDMS的倾斜布拉格光纤光栅氢气传感器，避免了氢气敏感材料易脱落，制作复杂的缺点，能实现快速多次测量，且测量精确度和灵敏度大大提高，具有很强的创新性和实用价值，有良好的应用前景。附图说明图1是一种基于PDMS的倾斜布拉格光纤光栅氢气传感器结构示意图。具体实施方式如图1所示，一种基于PDMS的倾斜布拉格光纤光栅氢气传感器，由倾斜布拉格光纤光栅解调仪1，计算机2，耦合器3，单模光纤4，气室5，参考FBG6，掺催化剂的WO3SiO2混合膜7，PDMS8，传感TFBG9，气体流量控制器10，氢气发生器11，空气泵12，光源13组成；其特征在于：计算机2与倾斜布拉格光纤光栅解调仪1右端连接，倾斜布拉格光纤光栅解调仪1左端与耦合器3右端连接，其中倾斜布拉格光纤光栅解调仪1检测光纤光栅波长随氢气浓度的变化，耦合器3左端与光纤4一端连接，光纤4另一端分别刻有中心波长为1550nm的参考FBG6和涂附着PDMS8基模中心波长为1610nm的传感TFBG9，在PDMS8外层镀有掺催化剂的WO3SiO2混合膜7，镀有掺催化剂的WO3SiO2混合膜7的厚度为40nm。传感TFBG9与光源13连接，连接气室5的气体流量控制器10分别连接氢气发生器11和空气泵12，氢气浓度发生变化时，传感TFBG9的中心波长会发生漂移，通过计算检测出的漂移差，可以测得氢气浓度及其变化量，参考FBG6可以用来进行温度漂移校准，传感TFBG9的布拉格波长可以作为零点漂移校准。避免了氢气敏感材料易脱落，制作复杂的缺点，能实现快速多次测量，且测量精确度和灵敏度大大提高问题。

权利要求：1.一种基于PDMS的倾斜布拉格光纤光栅氢气传感器，由倾斜布拉格光纤光栅解调仪1，计算机2，耦合器3，单模光纤4，气室5，参考FBG6，掺催化剂的WO3加SiO2混合膜7，PDMS8，传感TFBG9，气体流量控制器10，氢气发生器11，空气泵12，光源13组成；其特征在于：计算机2与倾斜布拉格光纤光栅解调仪1右端连接，倾斜布拉格光纤光栅解调仪1左端与耦合器3右端连接，其中倾斜布拉格光纤光栅解调仪1检测光纤光栅波长随氢气浓度的变化，耦合器3左端与光纤4一端连接，光纤4另一端分别刻有中心波长为1550nm的参考FBG6和涂附着PDMS8基模中心波长为1610nm的传感TFBG9，在PDMS8外层镀有掺催化剂的WO3加SiO2混合膜7，镀有掺催化剂的WO3加SiO2混合膜7的厚度为40nm。传感TFBG9与光源13连接，连接气室5的气体流量控制器10分别连接氢气发生器11和空气泵12，氢气浓度发生变化时，传感TFBG9的中心波长会发生漂移，通过计算检测出的漂移差，可以测得氢气浓度及其变化量，参考FBG6可以用来进行温度漂移校准，传感TFBG9的布拉格波长可以作为零点漂移校准。

百度查询： 中国计量大学 一种基于PDMS的倾斜布拉格光纤光栅氢气传感器