一种基于弹性光纤的氢气探测器

1.本发明涉及氢气检测技术领域，具体涉及一种基于弹性光纤的氢气探测器。


背景技术：

2.氢气是无色并且密度比空气小的气体，相同体积比空气轻得多。氢是主要的工业原料，也是最重要的工业气体和特种气体。此外，由于氢气的资源丰富、热值高、洁净等优点，氢气还被用作燃料。
3.氢气的分子量小，容易泄露。当空气中的体积分数为4％-75％时，遇到火源，可引起爆炸。氢气虽无毒，在生理上对人体是惰性的，但若空气中氢气含量增高，将引起缺氧性窒息。随着氢的应用越来越广泛，对低浓度氢的高灵敏度检测具有重要意义。
4.基于波导结构的光纤氢气探测器具有集成度高、器件尺寸小等优点。例如，基于消逝场的光纤氢气探测器的制作方法是：西安将光纤外包层去掉，然后在处理过的光纤表面设置钯膜；光纤中的能量泄露都钯膜内，钯膜吸收氢气后，钯膜的折射率变化，改变了光纤内传播的光，从而实现氢气探测。虽然基于波导结构的光纤氢气探测器实现了较高的氢气检测灵敏度，但是需要削薄光纤，并且较高要求的控制钯膜厚度，对制备工艺的要求高。


技术实现要素：

5.为解决以上问题，本发明提供了一种基于弹性光纤的氢气探测器，包括光源、光探测器、衬底、弹性层、第一弹性光纤、第二弹性光纤、钯膜，弹性层置于衬底上，第一弹性光纤和第二弹性光纤置于弹性层上，第一弹性光纤和第二弹性光纤的端面间设有间隙，第一弹性光纤和第二弹性光纤上端面处设有钯膜，第一弹性光纤的另一端连接光源，第二弹性光纤的另一端连接光探测器。应用时，钯膜处于待测环境中，钯膜吸附待测环境中的氢气后，产生膨胀，带动第一弹性光纤和第二弹性光纤伸长，从而改变了间隙的宽度，从而改变了第一弹性光纤和第二弹性光纤之间的耦合特性，或者说改变了第一弹性光纤至第二弹性光纤之间的传播特性；通过光探测器探测耦合特性或传播特性的变化实现氢气探测。
6.更进一步地，第一弹性光纤和第二弹性光纤为塑料光纤。塑料光纤具有较好的弹性，便于钯膜膨胀时，更多地改变第一弹性光纤和第二弹性光纤之间的距离。
7.更进一步地，弹性层的材料为pmma。
8.更进一步地，弹性层的厚度大于100微米。
9.更进一步地，钯膜的厚度小于10微米。
10.更进一步地，间隙的宽度小于1微米，更进一步地，间隙的宽度小于100纳米，以便于在第一弹性光纤和第二弹性光纤伸长时，间隙宽度的相对变化更多，更多地改变间隙的耦合特性或传播特性。
11.更进一步地，第一弹性光纤和第二弹性光纤的端面为锥形。锥形的端面减小了第一弹性光纤和第二弹性光纤的相对面积，第一弹性光纤至第二弹性光纤的耦合特性或传播特性更严重地依赖于二者之间的距离，以便实现更高灵敏度的氢气探测。
12.更进一步地，在间隙处，弹性层的表面设有凹坑，第一弹性光纤和第二弹性光纤的端部呈悬空状态。当第一弹性光纤和第二弹性光纤的端部悬空时，第一弹性光纤和第二弹性光纤与弹性层再不接触，减小了第一弹性光纤、第二弹性光纤与弹性层的粘附力或作用力，以便于在钯膜膨胀时，第一弹性光纤和第二弹性光纤更多地膨胀，更多地改变间隙的宽度，从而实现更高灵敏度的氢气探测。
13.更进一步地，钯膜连接第一弹性光纤和第二弹性光纤的端部。也就是说，钯膜既设置在第一弹性光纤和第二弹性光纤的端部上，也设置在间隙的上侧。这样一来，当钯膜膨胀时，增加了间隙的宽度，也改变了间隙的传播特性，通过传播特性的变化，也能够实现氢气探测。应用钯膜连接第一弹性光纤和第二弹性光纤能够更多地改变间隙的宽度，从而实现更高灵敏度的氢气探测。
14.更进一步地，在第一弹性光纤和第二弹性光纤上，钯膜薄；在间隙上侧，钯膜厚。这样既保证了钯膜吸附氢气时，间隙产生更多的宽度变化，又保证了钯膜连接第一弹性光纤和第二弹性光纤的牢固性。
15.本发明的有益效果：本发明提供了一种基于弹性光纤的氢气探测器，包括光源、光探测器、衬底、弹性层、第一弹性光纤、第二弹性光纤、钯膜，弹性层置于衬底上，第一弹性光纤和第二弹性光纤置于弹性层上，第一弹性光纤和第二弹性光纤的端面间设有间隙，第一弹性光纤和第二弹性光纤上端面处设有钯膜，第一弹性光纤的另一端连接光源，第二弹性光纤的另一端连接光探测器。应用时，钯膜处于待测环境中，钯膜吸附待测环境中的氢气后，产生膨胀，带动第一弹性光纤和第二弹性光纤伸长，从而改变了间隙的宽度，从而改变了第一弹性光纤和第二弹性光纤之间的耦合特性，或者说改变了第一弹性光纤至第二弹性光纤之间的传播特性；通过光探测器探测耦合特性或传播特性的变化实现氢气探测。本发明仅需要切割光纤，不需要削薄光纤，并且对钯膜厚度的精确度要求不高，便于推广应用，在氢气探测领域具有良好的应用前景。
16.以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
17.图1是一种基于弹性光纤的氢气探测器的示意图。
18.图2是又一种基于弹性光纤的氢气探测器的示意图。
19.图3是再一种基于弹性光纤的氢气探测器的示意图。
20.图4是再一种基于弹性光纤的氢气探测器的示意图。
21.图中：1、衬底；2、弹性层；3、第一弹性光纤；4、第二弹性光纤；5、间隙；6、钯膜。
具体实施方式
22.为使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本技术作进一步详细说明。
23.实施例1
24.本发明提供了一种基于弹性光纤的氢气探测器。该基于弹性光纤的氢气探测器包括光源、光探测器、衬底1、弹性层2、第一弹性光纤3、第二弹性光纤4、钯膜6。如图1所示，弹性层2置于衬底1上。衬底1的材料不作限制。衬底1可以做固定用，选择合适的衬底1的材料，
以便于将本装置固定在某个部件上。弹性层2的材料为pmma，弹性层2的厚度大于100微米，以便于弹性层2具有较高的弹性。第一弹性光纤3和第二弹性光纤4置于弹性层2上。第一弹性光纤3和第二弹性光纤4为塑料光纤。塑料光纤是由高透明聚合物如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚碳酸酯作为芯层材料，pmma、氟塑料等作为皮层材料的一类光纤。相比于普通光纤，塑料光纤具有较好的弹性，便于钯膜6膨胀时，更多地改变第一弹性光纤3和第二弹性光纤4之间的距离。第一弹性光纤3和第二弹性光纤4在一条直线上，第一弹性光纤3和第二弹性光纤4的端面间设有间隙5。间隙5的宽度小于1微米，更进一步地，间隙5的宽度小于100纳米，以便于在第一弹性光纤3和第二弹性光纤4伸长时，间隙5宽度的相对变化更多，更多地改变间隙5的耦合特性或传播特性。第一弹性光纤3和第二弹性光纤4上端面处设有钯膜6。钯膜6的厚度小于10微米，以便于钯膜6吸附氢气产生膨胀时，钯膜6自身较少地抵抗钯膜6自身的膨胀。第一弹性光纤3的另一端连接光源，第二弹性光纤4的另一端连接光探测器。实际应用中，第一弹性光纤3和第二弹性光纤4的另一端均要长于弹性层2，也就是延伸出弹性层2，便于连接光源或光探测器。光探测器可选择性地包括光谱仪，以便于测量不同波长光的透射特性。
25.应用时，钯膜6处于待测环境中，钯膜6吸附待测环境中的氢气后，产生膨胀，带动第一弹性光纤3和第二弹性光纤4伸长，从而改变了间隙5的宽度，从而改变了第一弹性光纤3和第二弹性光纤4之间的耦合特性，或者说改变了第一弹性光纤3至第二弹性光纤4之间的传播特性；通过光探测器探测耦合特性或传播特性的变化实现氢气探测。本发明仅需要切割光纤，不需要削薄光纤，并且对钯膜6厚度的精确度要求不高，便于推广应用，在氢气探测领域具有良好的应用前景。
26.在本发明中，钯膜6还可以设置在弹性层2上，也就是说，钯膜6不仅设置在第一弹性光纤3和第二弹性光纤4上的端面处附近，钯膜6也可以从第一弹性光纤3和第二弹性光纤4上延伸至弹性层2上。由于弹性层2具有弹性，这不会较多地影响本发明的性能，但是，这会导致本发明的制备工艺简单，容易制备。也就是不至于严苛地要求钯膜6制备在第一弹性光纤3和第二弹性光纤4上。
27.实施例2
28.在实施例1的基础上，第一弹性光纤3和第二弹性光纤4的端面为锥形。也就是，沿第一弹性光纤3至间隙5方向、沿第二弹性光纤4至间隙5方向，第一弹性光纤3和第二弹性光纤4逐渐变细。锥形的端面减小了第一弹性光纤3和第二弹性光纤4的相对面积，当第一弹性光纤3和第二弹性光纤4之间的距离改变时，第一弹性光纤3和第二弹性光纤4之间的耦合特性改变更多。也就是说，第一弹性光纤3至第二弹性光纤4的耦合特性或传播特性更严重地依赖于二者之间的距离，以便实现更高灵敏度的氢气探测。
29.实施例3
30.在实施例2的基础上，在间隙5处，弹性层2的表面设有凹坑，第一弹性光纤3和第二弹性光纤4的端部呈悬空状态。当第一弹性光纤3和第二弹性光纤4的端部悬空时，第一弹性光纤3的端部和第二弹性光纤4的端部与弹性层2再不接触，减小了第一弹性光纤3、第二弹性光纤4与弹性层2的粘附力或作用力，以便于在钯膜6膨胀时，第一弹性光纤3和第二弹性光纤4更多地膨胀，更多地改变间隙5的宽度，从而实现更高灵敏度的氢气探测。更进一步地，凹坑的宽度大于第一弹性光纤3和第二弹性光纤4上钯膜6的宽度，以便于钯膜6膨胀时，
弹性层2对第一弹性光纤3和第二弹性光纤4没有阻力，第一弹性光纤3和第二弹性光纤4产生更多的伸长，更多地改变间隙5的宽度和上述耦合特性，从而实现更高灵敏度的氢气探测。
31.实施例4
32.在实施例3的基础上，钯膜6连接第一弹性光纤3和第二弹性光纤4的端部。也就是说，钯膜6既设置在第一弹性光纤3和第二弹性光纤4的端部上，也设置在间隙5的上侧。这样一来，当钯膜6膨胀时，由于钯膜6的挤压作用，增加了间隙5的宽度，也改变了间隙5的传播特性，通过传播特性的变化，也能够实现氢气探测。应用钯膜6连接第一弹性光纤3和第二弹性光纤4能够更多地改变间隙5的宽度，从而实现更高灵敏度的氢气探测。更进一步地，钯膜5覆盖第一弹性光纤3端部、第二光纤端部4、间隙5。由于钯膜6设置在弹性层2上也不会大幅度地影响本装置的性能，所以在弹性层2上方设置覆盖第一弹性光纤3端部、第二弹性光纤4端部、间隙5的钯膜6，将间隙5区域封闭，待测空间的杂质等不会影响到间隙5所在的空间，对第一弹性光纤3和第二弹性光纤4之间的耦合特性影响小，保证了探测结果的准确性。
33.实施例5
34.在实施例4的基础上，在第一弹性光纤3和第二弹性光纤4上，钯膜6薄；在间隙5上侧，所述钯膜6厚。由于间隙5上方的钯膜6厚，钯膜6上下表面吸附的氢气时，间隙5产生更多的宽度变化；间隙5上方的钯膜6厚，又保证了钯膜6连接第一弹性光纤3和第二弹性光纤4的牢固性。第一弹性光纤3和第二弹性光纤4上的钯膜6薄，减轻了钯膜6自身的重量，以免在凹坑上方，钯膜6导致第一弹性光纤3和第二弹性光纤4弯曲。
35.实施例6
36.在实施例1-6的基础上，钯膜6在第一弹性光纤3一侧和钯膜6在第二弹性光纤4一侧分别关于第一弹性光纤3和第二弹性光纤4非对称性设置。例如，在第一弹性光纤3一侧，沿第一弹性光纤3和第二弹性光纤4连线方向，左侧的钯膜6宽、右侧的钯膜6窄；在第二弹性光纤4一侧，沿第一弹性光纤3和第二弹性光纤4连线方向，右侧的钯膜6宽、左侧的钯膜6窄。这样一来，当钯膜6吸附氢气产生膨胀时，导致第一弹性光纤3和第二弹性光纤4产生错位，更多地改变第一弹性光纤3至第二弹性光纤4的光传播特性，从而实现更高灵敏度的氢气探测。
37.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术保护的范围之内。