1. 研究目的与意义（文献综述）

当今社会，由于化石燃料具有有限性及其引发的污染问题和温室效应，使得开发利用新能源成为研究热点。氢能具有燃烧效率高，产物无污染等优点，同时氢气在电子工业，汽车业，冶金工业，石油化工和航空航天等方面具有广泛的应用。某些特殊设施也会产生一定量的氢气，比如核反应堆冷却系统由于高温导致水分解产生氢气，而现代社会中越来越多的场合应用到的电力变压器会由于各种各样的原因而产生氢气，常常会出现油中氢气含量超标。而氢气分子量很小，在生产、储存运输及使用过程中很容易发生泄漏，且遇到明火则有可能导致爆炸事故。鉴于氢气的广泛使用性及其不安全性，必须在使用氢气时对其浓度进行检测因此，为了能够安全利用氢能，研制出快速反应、可靠的氢气检测装置显得尤为重要。目前，国内外已经进行了大量关于氢气传感器的研究，目前氢气传感器主要有电化学型、电学型、光学型三大类。

电化学型氢气传感器是将化学信号转变为电信号从而实现氢气浓度检测的氢气传感器。电学型氢气传感器则是利用了材料的电学特性与氢气浓度存在一定的函数关系，通过检测电学物理量测得氢气浓度。基于光纤技术的光纤氢气传感器则是利用光纤中微弱的光信号作为传感信号。如今国内主要采用的氢气传感器是电化学类传感器，通过采用电信号作为传感和解调信号，可迅速检测出氢气浓度，但其灵敏度的保证需要通过电加热使其探头敏感部分处于较高工作温度下，从而增加了其潜在的爆炸可能性。而无论是基于物理还是化学传感原理的监测，都存在电磁兼容性能差，运行易受电磁干扰和环境破坏，这样就会造成远程监控中心数据与端口不匹配的情况。而光纤氢气传感器采用弱光信号作为传输信号，其自身具有无电的传感特性，使得该类传感器具有体积小、本质安全、远程控制传输及抗电磁干扰等优点，具有很大的研究价值。

近几十年来，光纤氢气器传感器发展迅速，在传感原理、解调补偿方法、氢气敏感材料优化等方面都有了很大的突破。目前国内外主要采用氢气敏感材料和不同光纤结果的结合来制成光纤传感器的传感探头，根据光信号检测的原理光纤氢气传感器主要分为微镜型^[3,]、干涉型^[4]、spr型^[5]、消逝场型^[6]、f-p型^[9] 及光纤光栅型^[10]。美国桑迪亚国家实验室butler等人^[3]于1988年提出了基于马赫-曾德尔干涉原理光纤氢气传感器，利用pd膜吸附氢气发生膨胀使两路的光信号的光程差发生变化，从而改变干涉光强，检测不同氢气浓度下的干涉光强的变化就可以建立对应关系，但是该类传感器的氢气浓度测量精度较低，容易受到环境温度的影响。该实验室在1994年制作了微透镜型光纤氢气传感器，基于氢气敏感薄膜的微透镜型光纤氢气传感器结构简单，它属于单端式探头结构，只适合于点式测量，且此类传感器测量精度容易受到温湿度影响，响应灵敏度与响应时间互相干扰，很容易引起测量误差。spr型光纤氢气传感器具有诸多优点如成本低、使用方便、机械强度大、灵敏度高及性能稳定等，有极大的应用前景。但是在检测准确度、抗环境干扰等方面仍然存在许多问题，需要进一步研究。f-p型 、消逝场型也具有明显的缺陷。国内研究光纤氢气传感器和wo₃氢气敏感材料的单位主要有重庆大学、中山大学、华中科技大学、同济大学、武汉理工大学和台湾的逢甲大学，利用复合薄膜作为氢气敏感薄膜，传感器的重复性得到改善，但仍然存在温度和湿度补偿问题。

2. 研究的基本内容与方案

研究基本内容：

由于所采用的光纤光栅传感器体积小巧，可直接内置于变压器油室内部，与变压器油直接接触，但需要对样品进行封装保护。为了排除光源、光纤损耗、温度变化带来的影响，构建自补偿光纤氢气传感器光路系统提高其抗干扰性。为了提高变压器油中氢气检测的灵敏度，拟分别采用三氧化钨（wo₃）和合金（pd/ni）两种材料镀膜的方案，以提高光纤氢气传感器的灵敏度。

研究目标：

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解光纤氢气传感的基本原理，确定方案，完成开题报告。

第4－8周：完成一篇不少于5000字英文文献翻译，进行光纤氢气传感器制备实验。

第9－13周：进行变压器油中氢含量监测的实验，记录实验数据，分析各项影响因素。

4. 参考文献（12篇以上）

1. dai j, peng w, wang g, et al. improved performance of fiber optic hydrogen sensor based on wo 3 -pd 2 pt-pt composite film and self-referenced demodulation method[j]. sensors amp; actuators b chemical, 2017, 249:210-216.

2. 江军, 马国明, 宋宏图, 李成榕, 罗颖婷. 基于侧边抛磨光纤布拉格光栅的变压器油中溶解氢气传感器[j]. 电工技术学报, 2017, 13: 264-270.

3. m. a. butler*. micromirror optical-fiber hydrogen sensors. sensors and actuators b: chemical, 1994, 22(2): 155–163.

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