光纖氫傳感器的研究進展
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無論是為了預(yù)防氫的積累還是要利用氫的場合都需要對氫的含量進行測量和監(jiān)控，而安全、可靠且廉價的氫測量或傳感技術(shù)是更廣泛地安全利用氫的必要保障。截至目前，已經(jīng)制成多種非光纖的傳感器并投入使用，這些傳感器在室溫和標準大氣壓下能提供快速而有效的響應(yīng)，但主要是電化學傳感器，傳感器與系統(tǒng)的連接是通過金屬銅線來完成，這樣，一來增加了載荷的重量、功率的消耗——特別是對于多點檢測，而更重要的是，潛在的電磁干擾和電火花可能會引起災(zāi)難性的后果。而基于光纖技術(shù)的光纖氫傳感器卻能同時滿足安全、實時在線檢測、不干擾被測環(huán)境的要求。 并且，還具有體積小、重量輕、柔韌性好，特別適合于要求載荷輕和安裝空間小的應(yīng)用場合的特點；另外，光纖還能抗化學腐蝕和惡劣的環(huán)境溫度、無電磁干擾等，適合于遠程大規(guī)模多點復(fù)用檢測。 光纖氫傳感器工作原理可以參閱相關(guān)文獻。
二、幾種典型的光纖氫傳感器的性能分析
（一）干涉型光纖氫傳感器
眾所周知，金屬鈀（Pd）在低分壓氫氣環(huán)境中吸收氫氣產(chǎn)生伸長效應(yīng)。若將金屬鈀蒸鍍于某一段光纖上，那么伸長效應(yīng)會造成光纖的徑向及軸向應(yīng)變，以鍍鈀光纖作為M-Z干涉儀的信號臂，檢測出光的相位變化即可間接得到氫氣濃度。 可探測的氫濃度為20 Pa～200Pa，其檢測原理如圖1所示。
圖1 干涉型光纖氫傳感器的檢測原理圖
（二）漸逝場型光纖氫傳感器
其探頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 漸逝場型光纖氫傳感器的探頭結(jié)構(gòu)
是電磁波中的波矢大小，n2是氫敏感膜的折射率，其值隨濃度而變化。一般用鈀或鈀、鎢的氧化物作為傳感介質(zhì)。其中，鈀起催化劑的作用。純的WO3在溫度高于400℃時才與氫發(fā)生反應(yīng)，但在有金屬催化劑（如鈀）的情況下即使在室溫也能反應(yīng)。 其特性如下：
1．傳感器的再生能力
在惰性氣體中再生能力很弱，而當再暴露于空氣中時，光能迅速增加，說明氧氣的存在有助于增強傳感器的再生能力。將傳感器反復(fù)暴露于N2和空氣環(huán)境中可觀察到該類傳感器好的再生性。
2．靈敏度特性
在干或濕的環(huán)境中，光能幾乎沒有變化，說明靈敏度不受濕度影響。但響應(yīng)速率和恢復(fù)速率變慢。而且，暴露于含1%H2的空氣中靈敏度比暴露于1%N2的H2中下降了40%。
3．濕度特性
濕度對恢復(fù)速率的影響較大，在潮濕空氣中的恢復(fù)速率是在干燥空氣中的約10倍。在室溫下、干燥空氣中，傳感器需要幾個小時才能恢復(fù)最初的性能。因此，在膜的制作中水的量的控制非常關(guān)鍵。
4．溫度特性
靈敏度和響應(yīng)速度均隨周圍溫度的下降而下降，但光能變化不大。另外，在500℃時煅燒傳感器揭露了這類傳感器具有極好的溫度特性。
這種傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度均較高，且溫度性能較好，可在室溫附近大的溫度范圍內(nèi)使用。另外，傳統(tǒng)的傳感器只能測量某一點或某幾點處的氫氣濃度，而利用漸逝波吸收的光纖氫傳感器可纏繞在大的容器或管道上使用，對三維空間進行測量。
（三）微透鏡型光纖氫傳感器
在單?；蚨嗄９饫w端面上蒸鍍一層鈀膜，鈀膜厚度為10 mm～50 mm。傳感器探頭結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。
圖3 微透鏡型光纖氫傳感器結(jié)構(gòu)原理圖
1．靈敏度
這種傳感器能探測空氣中1%的氫，且響應(yīng)時間不大于10s。在不大于20o范圍內(nèi)改變?nèi)肷浣?，響?yīng)不變。在低濃度的氫氣中時，響應(yīng)與響應(yīng)時間隨氫氣濃度的變化均有明顯的變化、可對氫氣進行精確測量。當濃度高于2%時，響應(yīng)隨濃度的增加變化不大。而響應(yīng)時間隨氫氣濃度的增加而減小，在濃度值接近相變時響應(yīng)時間較長。AlainTrouuillet等設(shè)計了一種純Pd膜微透鏡型微量氫氣測試儀器，將氫敏感的光纖探頭放入一個保護套管中并用膠固定。這種光纖氫氣傳感測試裝置已經(jīng)安裝在ARIANE V型火箭發(fā)動機上，實驗數(shù)據(jù)表明：當氫氣濃度為15%，溫度為20℃～100℃時,響應(yīng)時間在10s之內(nèi),如果濃度低于15%，溫度低于70o，則響應(yīng)時間小于10s。
2．再生能力
將傳感器交替置于純N2中和含4%H2的中N2，可以觀察到傳感器的響應(yīng)和響應(yīng)時間在寬的溫度范圍內(nèi)（-196～23℃）有較好的再生能力。但隨使用時間的加長，響應(yīng)有減小的趨勢，而響應(yīng)時間有增大的趨勢。
3．溫度
在含4%H2的N2中，相變發(fā)生在36℃附近。在75℃時傳感器工作于α相，響應(yīng)時間很短但靈敏度較??；在-45℃時傳感器工作于β相，響應(yīng)時間較大、但靈敏度達到最大值。實驗結(jié)果表明相變轉(zhuǎn)換取決于溫度和濃度兩個因素，另外，要想傳感器工作于α相獲得高的響應(yīng)速度、在濃度一定時應(yīng)增加鈀膜的溫度。這一結(jié)論與裝置工作于低溫時不符，故應(yīng)對鈀膜局部加熱使得在任何環(huán)境溫度下，都能獲得小的響應(yīng)時間。
4．厚度
鈀膜是傳感器中最關(guān)鍵的部分，膜的厚度對響應(yīng)時間和靈敏度都有影響。對各種厚度的膜（200mm）的實驗表明，厚的膜比薄的膜的響應(yīng)時間要長，這是因為達到相同濃度的吸收，厚的膜需要的氫的量大，增大了吸氫反應(yīng)的時間。但厚膜的靈敏度較高。所以，應(yīng)根據(jù)具體要求來選擇適當厚度的膜。
這種傳感器是目前發(fā)展較為完善的一種光纖氫傳感器。其制作工藝相對簡單、信號提取與處理簡單而且價格便宜，具有較高的靈敏度和快的響應(yīng)速度。但這種傳感器復(fù)用能力有限，需用光轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)傳感器之間切換，不適合對三維空間進行測量。
（四）基于布喇格光柵型光纖氫傳感器
光纖布喇格光柵型傳感器（FBGS）結(jié)構(gòu)簡單，可通過紫外線照射制作在纖芯上。FBGS有一個單模光纖的纖芯，光纖的折射率沿這段光纖周期性地變化。類似于一個窄帶濾波器、反射回與布喇格光柵波長具有相同波長的光。光柵的布喇格波長。其中，neff為光纖的等效折射率，∧為光柵周期。
當鍍有鈀膜的光纖布喇格光柵暴露于氫氣中時，鈀與氫反應(yīng)生成鈀的氫化物。PdHx密度較小使得鈀膜膨脹產(chǎn)生張力，這一張力可以通過比較FBG的發(fā)射譜和反射譜確定。鈀膜膨脹還使得光纖拉伸，從而引起光柵周期∧與折射率變化。由于張力的大小由氫氣濃度決定， 故布喇格波長的變化量與氫氣濃度有關(guān)，從而通過布喇格波長可以確定該處氫氣濃度的大小。其特性為：
1．靈敏度
該傳感器適合低濃度氫的測量，當氫氣濃度在0.3%～1.8%，布喇格波長隨氫氣濃度線性變化，靈敏度為nm/1%H2.氫氣濃度高于1.8%時靈敏度降低，且鈀層易出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。
2．溫度特性
當環(huán)境溫度變化時，鈀膜高的膨脹率和收縮率使得光柵拉伸或收縮，導(dǎo)致光柵周期和有效折射率的變化當在氫氣濃度一定時，在20℃和布喇格波長為829.73nm，布喇格波長隨溫度的變化為5.53×10-3nm/℃。
傳感器的響應(yīng)分別受氫氣濃度和環(huán)境溫度的影響。加大鈀膜的厚度或者減小柵格的大小可獲得高的靈敏度，但是，這將提高傳感器的溫度靈敏度，而且，柵格小于30μm～40μm時光纖易碎，不實用。
FBGS具有其他光纖傳感器所具有的所有優(yōu)點，另外，在一根光纖上可復(fù)用多
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