摘 要

由于化石燃料的有限性及其引起的环境污染，新能源的开发是近年来的研究热点。氢能作为一种新能源，其优点包括发热值高、污染小、可循环利用并适应多种环境的应用要求，可应用于航空航天、冶金工业、黄金焊接、食品工业、电子工业等各种领域。而氢气又是一种易燃易爆、易泄露的气体，使其储运和使用过程中都存在安全隐患，因此在未来氢气的应用发展中，氢气浓度的检测有着十分重要的意义。

本文在详细讨论受激布里渊散射和光纤中氢溶解机制的基础上，理论分析并推导氢气浓度和光纤布里渊散射频移之间的关系；推导了采用增益包络技术（gain profile tracing, GPT）的布里渊光时域分析技术（Brilliouin optical time domain analysis，BOTDA）系统的理论模型。

搭建了GPT-BOTDA系统，并用其检测载氢光纤的布里渊频移量，实验探究氢气的渗透对光纤布里渊頻移的作用。论文的主要工作和创新点在于：

（1）理论分析和仿真了氢气浓度和光纤布里渊频移量的关系。

（2）设计并搭建了GPT-BOTDA氢气传感系统，并利用该系统完成了对光纤中氢浓度引起的布里渊频移量的检测。

关键词：氢气；受激布里渊散射；布里渊頻移；

Abstract

Due to the limited nature of fossil fuels and the environmental pollution,in recent years the development of new energy sources have been a hotspot As is a new energy source, Hydrogen energy’s advantages is high calorific value, low pollution, can be recycled and adapt to a variety of environmental application requirements. It can be applied to aerospace, metallurgical industry, gold welding, food industry, electronic industry and other field. Hydrogen is also a kind of flammable, explosive and leaky gas, which poses potential safety hazards during storage, transportation and use. Therefore, in the future application of hydrogen, the detection of hydrogen concentration has a very important significance.

In this paper,we explored the relationship between hydrogen concentration and fiber Brillouin scattering frequency shift theoretically and deduced based on the detailed discussion of stimulated Brillouin scattering and the mechanism of hydrogen dissolution in optical fibers and derived the Theoretical Model of Brilliouin Optical Time Domain Analysis (BOTDA) System based on Gain Profile Pracing(GPT).

In the experiment,we built a GPT-BOTDA system which is used to detect the Brillouin frequency shift of the hydrogen-loaded fiber and investigated the effect of hydrogen on the fiber. The main innovations of the paper are:

(1) Analyze the relationship between the hydrogen concentration and the fiber Brillouin frequency shift theoretically.

(2) Build a GPT-BOTDA hydrogen sensing system to detect the Brillouin frequency shift caused by hydrogen in fiber.

Keywords: stimulated Brillouin scattering; hydrogen; optical time domain analysis technique; center frequency;

目 录

第一章 绪论 1

1.1氢气传感技术的研究现状 1

1.1.1 光纤中的氢溶解与扩散 1

1.1.2 氢气浓度测量技术 1

1.2 受激布里渊散射和BOTDA技术 3

1.3 本文主要工作及安排 4

第二章 BOTDA技术的理论研究 5

2.1 受激布里渊散射的原理 5

2.1.1 受激布里渊散射的物理过程 5

2.1.2 受激布里渊散射增益和强度 5

2.1.3 受激布里渊散射的特性 6

2.2 布里渊光时域分析技术 6

2.3 采用GPT技术的BOTDA系统模型 7

2.3.1 GPT-BOTDA系统原理 7

2.3.2 氢气与光纤的相互作用原理 8

2.4 本章小结 10

第三章 GPT-BOTDA氢气传感系统的仿真 11

3.1 未载氢的GPT-BOTDA传感系统仿真 11

3.2 载氢后的GPT-BOTDA传感系统仿真 14

3.2.1 载氢光纤的纤芯折射率和布里渊频移 14

3.2.2 GPT-BOTDA时域信号仿真分析 16

3.3 本章小结 20

第四章 GPT-BOTDA系统的氢气传感实验 21

4.1 GPT-BOTDA传感系统的原理及结构 21

4.1.1 GPT-BOTDA氢气传感系统工作原理 21

4.1.2 GPT-BOTDA氢气传感系统的技术参数 21

4.2 GPT-BOTDA氢气传感系统实验 22

4.2.1 实验参数和实验数据分析 22

4.2.2 实验误差分析 25

4.3 本章小结 25

第五章 总结和展望 26

5.1 结论 26

5.2 展望 26

参考文献 27

致谢 29

第一章 绪论

1.1氢气传感技术的研究现状

氢气由于分子结构原因，在可见到红外波段没有吸收峰，这使得氢气的光学测量难上加难。而通信光纤的主材为SiO₂，由于氢是自然界中最小的分子，因此成为常温常压条件下能够渗透进入光纤中的少数气体分子之一，这为光纤用于氢气的测量提供了一大机遇。

1.1.1 光纤中的氢溶解与扩散

1993年P.J.Lemaire等人提出了载氢法，其基本原理主要是将光纤在高温高压的条件在在氢气中放置一段时间后，氢气逐渐扩散到光纤的纤芯和包层之中，当用特定波长的紫外线照射光纤时，纤芯中的部分氢分子会和锗发生化学反应生成Ge-OH和Ge-H键，从而使特定部分的纤芯折射率发生永久性的改变^[1]。F.Bilodeau等人在1993年提出氢氧焰火刷法，氢氧焰的温度最高可达3000℃，并且其氢含量高于氧含量，在高温的条件下可以使大量的氢扩散到光纤纤芯之中，最高可使纤芯折射率变化达到10^-3。两种方法对比来说，载氢法成本低廉，制作简单。氢氧焰火刷法光纤经过高温处理后使光纤变脆，应用范围较窄。传统的载氢盘制作和近年来提出的自动化载氢装置等都是基于上述原理。

1.1.2 氢气浓度测量技术

目前工业上一般通过氢气传感器测量氢气浓度。氢气传感器主要包括电化学型、电学型、光学型三类传感器。

电化学型氢气传感器的基本原理是将氢气的化学信号转换为电信号从而检测氢气浓度。2012年，L.Dai等人采用高温烧结的方法将CaZr_0.9In0.1O_3-δ覆盖在以ZnO材料为低的电极上成功制作出电化学型氢气传感器^[2]。电学型氢气传感器主要利用相关材料的电学性质和氢气浓度一定的函数关系，通过检测电阻率、电容等物理量得到氢气浓度。2013年，Tonny-Roksana Rashid等人用对氢气选择性高的8nm厚的钯纳米膜覆盖在ZnO纳米带上制作出电学型氢气传感器，在室温条件下测得的氢气浓度范围为0.2ppm-1000ppm，这种氢气传感器的响应速度极快并且性能稳定^[3]。

光学氢气传感器根据工作原理的不同又可以分为光纤氢气传感器、声表面波氢气传感器和光声氢气传感器。其中光纤氢气传感器主要传感机理是使光纤和氢敏材料相结合，氢敏材料和氢气相互作用会改变光纤内传输光的光学特性，通过检测光纤输出光的对应物理量可测得氢气浓度^[4]。光纤氢气传感器又可以细分为微透镜型、干涉型、消逝场型和光纤布拉格光栅型。

微透镜型光纤氢气传感器的主要制作过程是在光纤端面覆盖一层钯膜，钯和氢气会发生化学反应生成氢化钯，传输光在通过氢钯薄膜时反射率和折射率都会发生改变，分析传输光的光谱变化可测量氢气浓度。2010年，武汉理工大学的孙艳通过把Pd/WO₃薄膜覆盖在光纤端面上制作了此类传感器，最高可分辨出0.01%的氢气浓度^[5]，此类氢气传感器的优点在于制作工艺简单，成本较低，但是其复用能力有限。

光纤在镀制钯膜后在氢气环境下会发生膨胀，导致其光程增加，传输光的相位发生改变。干涉型光纤氢气传感器就是通过测量传输光的相位变化得到氢气浓度。2013年，王闵曾利用飞秒加工技术和磁控溅射镀膜技术制作了Mach-Zehnder、Fabry-Perot、Michelson三种不同类型的干涉型光纤氢气传感器，该类传感器精度较高且误差小^[6]。消逝型光纤氢气传感器的工作原理为通过去掉光纤的部分包层可光纤上形成一个消逝场，传输光通过该区域时其光强会发生指数性衰减，镀有氢敏材料的光纤和氢气发生化学反应后其消逝场性质也会改变，通过检测传输光光强的变化即可测得氢气浓度。2008年，严启发等人利用传感头镀膜技术成功制作了此类氢气传感器，其性能稳定，复用能力强，但是制备条件要求较高^[7]。光纤布拉格光栅（FBG）氢气传感器的主要原理是当氢气和镀有钯膜的光纤反应后会增大光栅删距，通过测量光栅反射光的中心波长可得到氢气浓度。2013年，Said.SAAD等人利用Pd膜制作的FBG氢气传感器响应时间为6s，可测量0.1%到4%的氢气浓度^[8]。此类氢气传感器的优点在于稳定性高，光源扰动作用小，但是其寿命有限，信号解调方法较为复杂。

声表面波氢气传感器的基本原理是氢敏感膜和氢气反应后声表面波的光学特性会发生变化，根据声表面波的频率变化量即可测量氢气浓度^[9]。2015年，顾春虎等人利用磁控溅射技术制得了此类氢气传感器^[10]，其优点在于测量精度高，但是一般寿命较短且制作成本高。

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