摘 要

光纤光栅氢气传感器由于本质安全、抗电磁干扰、体积小等特点而被广泛关注，但是氢气敏感材料性能的优化和低浓度氢气检测灵敏度的提高等问题仍然亟待解决。

本文从氢气敏感薄膜种类、厚度和工作温度以及测试环境气氛四个方面来研究敏感薄膜的氢敏性能，通过光信号处理模块观察光纤光栅反射光谱，将波长和强度相结合来研究不同氢气敏感薄膜的性能，主要性能参数为灵敏度、长期稳定性和重复性。

实验结果显示300 nm厚度的Pd/Ni薄膜在加热状态下，与氢气反应引起薄膜的物理性质变化较好，导致光栅反射光波长漂移量较大，适合检测高浓度氢气；200 nm的Pt/WO₃薄膜在有氧环境下与氢气反应引起薄膜的物理性质变化较好，薄膜反射光影响弱光栅光强较大，即灵敏度较大，可检测1 ppm氢气浓度变化，适合检测超低浓度氢气，灵敏度。

关键词：光纤光栅传感器；光加热；氢气敏感薄膜；光信号处理

Abstract

Fiber Grating Sensors due to the nature of hydrogen safety, immunity to electromagnetic interference, small size and other characteristics have been widely concerned, however, the optimization of the performance of hydrogen sensitive materials and the improvement of the sensitivity of low concentration hydrogen detection still need to be solved urgently.

In this paper, from four aspects of from the hydrogen-sensitive film types, the thickness, the temperature and the test environment atmosphere to explore the hydrogen response performance of the sensitive film. According to the optical signal processing module, the change of the wavelength and the intensity of the light reflected by the fiber grating is observed to judge the hydrogen response performance of the film. The main performance parameters are sensitivity, long-term stability and repeatability.

The experimental results show that 300nm thickness of Pd/Ni thin film is in the state of heating, and the physical properties of the films are better due to the hydrogen reaction, resulting in a larger wavelength shift of the grating reflected light, it’s suitable for measuring high concentrations of hydrogen. 200 nm Pt / WO3 thin films in ambient oxygen and hydrogen induced changes the physical properties of the films is better, the light reflected from the reflective film ring weak reflection grating light intensity in the measured experiment is larger, namely the maximum sensitivity, up to a maximum of 1 ppm and suitable for the detection of ultra low hydrogen concentration and sensitivity.

Key Words：Fiber Bragg grating sensor；Light heating；Hydrogen sensitive film；Optical signal processing

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 光纤氢气传感器的研究进展及现状 1

1.2.1 光纤氢气传感器研究现状 1

1.2.2 光纤氢气传感器的分类 2

1.3 本文主要研究内容 6

第2章 基于光加热光纤光栅氢气传感系统原理及敏感薄膜响应机理 8

2.1 基于光加热光纤光栅氢气传感系统简介 8

2.1.1 基于光加热光纤光栅氢气传感系统原理 8

2.1.2 基于光加热光纤光栅氢气传感系统平台搭建 8

2.2 氢气敏感薄膜响应机理 9

2.2.1 金属Pd薄膜氢气响应机理 9

2.2.2 WO₃氢气响应机理 10

2.3 光信号处理模块 11

2.4 光纤光栅氢气传感器的封装 16

2.5 本章小结 17

第3章 光纤光栅氢气传感器的响应性能及分析 18

3.1 强度方案 18

3.1.1 不同敏感薄膜下光纤光栅传感器的氢气响应性能 18

3.1.2 Pt/WO₃薄膜在不同环境下氢气响应性能 20

3.1.3 空气环境下Pt/WO₃氢敏性能研究 21

3.2 波长方案 22

3.2.1 加热与不加热的对比 22

3.2.2 不同厚度Pd/Ni 薄膜氢气响应性能 23

3.3 本章总结 24

第4章 总结与展望 25

4.1 总结 25

4.2 展望 25

参考文献 27

致 谢 29

绪论

引言

近年来，我国大气污染和生态环境日趋恶化，特别是能源消耗和环境污染已成为当今社会重点问题，研发和使用新的洁净能源是国家未来发展的战略要求。氢能具有高效、清洁、可再生等优点，在未来非常具有发展潜力。并且氢气可以作为一种高效洁净、可循环利用的重要化工原料，在航空航天、石油加工、半导体制作、食品加工、金属冶炼等领域有着广泛的应用。

氢气因为具有无色无味、分量小、易燃易爆、渗透性强等特性，使氢气的应用受到限制，氢气的易燃范围为4～74.4%，在空气中，当环境氢气浓度超过4%时遇明火就会爆炸，而且氢气容易泄漏，所有与氢气的相关的设施都有可能发生氢气泄漏，从而导致爆炸事故，例如2011年日本福岛核电站就是由于反应堆冷却系统中氢气的爆炸导致了非常严重的核泄漏事故。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。

光纤氢气传感器的研究进展及现状

光纤氢气传感器研究现状

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，而且在相关的系统集成以及软件开发方面也有了可观的进步。