專利名稱：一種光纖光柵傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖光柵傳感器，是借助光纖和光纖光柵進(jìn)行探測氫氣變化的傳感 器，該方法屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氫是種清潔高效的能源，目前，航天飛機(jī)主要采用氫作為燃料，汽車也正在探索利 用氫作為能源。但由于氫易燃易爆，所以在使用時(shí)必須隨時(shí)探測是否有泄漏以保證安全 使用。傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器易產(chǎn)生電火花，所以基本上不適于探測氫氣，所以現(xiàn)在采用光 纖技術(shù)進(jìn)行氫氣探測是一種主要的解決方法。其基本技術(shù)手段就是將金屬把與光纖傳感 器結(jié)合，利用用金屬鈀吸氫變形這一特性進(jìn)行氫氣探測。由于光纖布拉格光柵具有許多 其它光纖傳感器所不具備的許多優(yōu)點(diǎn)，所以采用光纖布拉格光柵與金屬把結(jié)合是目前國 內(nèi)外研究的重點(diǎn)，也進(jìn)行了一些較為成功的嘗試。但目前采用的是寬光源加精密波長解 調(diào)裝置來實(shí)現(xiàn)，其設(shè)備復(fù)雜，維護(hù)成本高，無法滿足很多生產(chǎn)生活的實(shí)際需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種測量精度高，易于集成和封裝的基于光纖 布拉格光柵的氫傳感設(shè)備。
為此，本發(fā)明提出了一種光纖光柵傳感器，包括光源、光纖、探測器和安置于光纖 上的位于測量點(diǎn)的用于氫變化的光纖光柵，其特征在于-
一該光纖光柵表面鍍有一層金屬鈀，
一光源輸出的探測光信號(hào)從光纖的稱為入射端的一端注入，探測光信號(hào)的波長不 在光纖光柵的選擇性作用波長帶內(nèi)，并與所述的選擇性作用波長帶有預(yù)設(shè)波長差值，
一當(dāng)被監(jiān)測氫變化達(dá)到一定量值時(shí)，位于測量點(diǎn)處的光纖光柵的選擇性作用波長帶 至少漂移了上述的預(yù)設(shè)波長差值，從而使該選擇性作用波長帶至少覆蓋了所述探測光信號(hào) 波長帶的一部分，這時(shí)，該測量點(diǎn)處的光纖光柵就對(duì)探測光信號(hào)產(chǎn)生了一定的反射或耗散， 即探測光信號(hào)的一部分反射或耗散，從而在光纖的入射端的另一端出射端，則探測到透射 光的變化，從而探測到氫的變化。
本發(fā)明是探測受監(jiān)測氫變化的一種光纖光柵傳感器，是在光纖光柵表面鍍有一層金屬 鈀，其厚度為20-50納米，當(dāng)金屬鈀吸收或釋放氫氣并使其自身發(fā)生變形時(shí)，光纖光柵也 隨之改變，從而使光纖光柵發(fā)生軸向應(yīng)變，導(dǎo)致光纖光柵選擇性作用波長帶位置漂移，如 果在一個(gè)光纖光柵附近的受監(jiān)測的氫發(fā)生了變化，且發(fā)生的變化達(dá)到了我們關(guān)心的程度， 這時(shí)光纖光柵的選擇性作用波長帶至少漂移了預(yù)設(shè)波長差值，從而使該選擇性作用波長帶 至少覆蓋了探測光信號(hào)波長帶的一部分，這時(shí)，該測量點(diǎn)處的光纖光柵就對(duì)探測光信號(hào)產(chǎn) 生了一定的反射或耗散，即探測光信號(hào)的一部分反射或耗散掉，探測器檢測到透射光的變 化，這說明有應(yīng)力存在，從而可探測到相應(yīng)氫的變化。
在實(shí)際工程中，我們常常只需要獲取一部分氫變化的數(shù)據(jù)，就可以達(dá)到我們的目標(biāo)， 如在一個(gè)需要監(jiān)測氫濃度的工場中的氫報(bào)警系統(tǒng)中，對(duì)不大于0.05%時(shí)的氫濃度我們不 是迫切需要了解，我們只需設(shè)定一個(gè)監(jiān)測報(bào)警濃度，如0.1%氫濃度，然后在作為傳感器 的光纖上的鍍有金屬鈀的光纖光柵，測量出該光纖光柵在0.1%氫濃度時(shí)的選擇性作用波 長帶并選取一個(gè)波長作為探測光信號(hào)的波長，然后根據(jù)該波長選擇光源，所述鍍有金屬
3鈀的光纖光柵在不大于0.05%時(shí)的氫濃度時(shí)，其選擇性作用波長帶與選定的探測光信號(hào) 的波長有波長差，將該傳感器安裝在監(jiān)測的地方，在通常情況下，環(huán)境氫濃度在不大于 0.05%時(shí)的氫濃度時(shí)，注入傳感器光纖中的探測光信號(hào)在損失較少的通過了光纖和光纖 光柵，在光纖的出射端的探測器可以測得透過光信號(hào)的強(qiáng)度，并以此為基準(zhǔn)，只有當(dāng)測 量點(diǎn)處的氫濃度接近或達(dá)到0.1%氫濃度時(shí)，該測量點(diǎn)處的鍍有金屬鈀的光纖光柵選擇性 作用波長帶就會(huì)漂移并與探測光信號(hào)的波長帶交叉重疊，并對(duì)探測光信號(hào)產(chǎn)生相當(dāng)?shù)姆?射或耗散，這時(shí)，探測器上會(huì)監(jiān)測到透過光信號(hào)的強(qiáng)度的明顯的變化，從而觸發(fā)了氫濃 度報(bào)警條件，達(dá)到了監(jiān)測的目的。
在實(shí)際工程條件下，僅監(jiān)測氫濃度的一個(gè)量值常常是不夠的，所以可以設(shè)置波長不同 的多個(gè)探測光信號(hào)，就可以監(jiān)測氫濃度多個(gè)量值，同時(shí)就可以看出測量點(diǎn)氫濃度變化的趨 勢，以便更好的監(jiān)測。


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圖1是表示一個(gè)布拉格光柵的反射光譜、 一個(gè)探測光信號(hào)的光譜及兩者的關(guān)系圖； 圖2是表示一個(gè)長周期光纖光柵的透射光譜、 一個(gè)探測光信號(hào)的光譜及兩者的關(guān)系
圖3是表示有關(guān)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)框圖； 圖4是表示有關(guān)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)框圖； 圖5是表示有關(guān)本發(fā)明的第三實(shí)施方式的光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)框圖中3， 3a， 3b， 3n—光源，
9a， 9b—光分路器，
5 —鍍有金屬鈀的光纖光柵 6， 6a， 6b， 6n—光探測器， 7 —光纖， 8—光開關(guān)， 10a， 10b， 10n—固定式濾波器。
具體實(shí)施例方式
圖1中的曲線1示意性地表示了一個(gè)布拉格光柵的反射光譜，A i和入2分別是該布拉 格光柵反射波長的下限和上限波長,在這兩個(gè)波長內(nèi)所有的波長都是布拉格光柵可以反射 的波長，這里稱為反射波長帶。曲線2示意性地表示了一個(gè)探測光信號(hào)的光譜，入3和入4 分別是該探測光信號(hào)的下沿和上沿波長，入2和入3之間的距離就是所述的預(yù)設(shè)波長差。
圖2中的曲線11示意性地表示了一個(gè)長周期光纖光柵的透射光譜，X,和入2分別是 該長周期光纖光柵耦合衰減波長的下限和上限波長,長周期光纖光柵對(duì)在這兩個(gè)波長內(nèi)所 有的波長都是有衰減的，這里稱為耗散波長帶。曲線2示意性地表示了一個(gè)探測光信號(hào)的 光譜，入3和、分別是該探測光信號(hào)的下沿和上沿波長，、和^3之間的距離就是所述的 預(yù)設(shè)波長差。
第一實(shí)施方式
圖3是表示第一實(shí)施方式的光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。第一實(shí)施方式的光纖光柵 傳感器由光源3、光探測器6、位于測量點(diǎn)處用于監(jiān)測氫濃度變化的鍍有金屬鈀的光纖光柵5以及光纖7構(gòu)成。各部件之間以光纖連接。
從光源3輸出的探測光信號(hào)，探測光信號(hào)的波長不在鍍有金屬鈀的光纖光柵5的選 擇性作用波長帶內(nèi)，并與之有預(yù)設(shè)的波長差值，探測光信號(hào)通過光纖7和光纖光柵5， 并由光探測器6檢測探測光信號(hào)的強(qiáng)度，在被監(jiān)測氫濃度無變化或變化未達(dá)到我們關(guān)心 的程度時(shí)，探測光信號(hào)的波長不在位于測量點(diǎn)的鍍有金屬鈀的光纖光柵5的選擇性作用 波長帶內(nèi)，即光纖光柵5并不對(duì)探測光信號(hào)反射或耗損，這時(shí)光探測器6探測到是基本 無衰減的光信號(hào)，并將該強(qiáng)度作為基準(zhǔn)，當(dāng)被監(jiān)測點(diǎn)的氫濃度變化到我們關(guān)心的程度時(shí)， 位于所述測量點(diǎn)的鍍有金屬鈀的光纖光柵5的選擇性作用波長帶至少漂移了所述的預(yù)設(shè) 波長差值，這時(shí)所述的選擇性作用波長帶至少覆蓋了探測光信號(hào)波長帶的一部分，該光 纖光柵5就對(duì)探測光信號(hào)產(chǎn)生了相當(dāng)?shù)姆瓷浠蚝纳?，這時(shí)光探測器6檢測到探測光信號(hào) 的強(qiáng)度有明顯的變化，從而檢測到氫濃度的變化。
第二實(shí)施方式
圖4是表示第二實(shí)施方式的光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。第二實(shí)施方式的光纖光柵 傳感器由光源3a、光源3b、光源3n、光探測器6、光開關(guān)8、位于測量點(diǎn)用于監(jiān)測氫濃 度變化的鍍有金屬鈀的光纖光柵5以及光纖7構(gòu)成。各部件之間以光纖連接。
從光源3a、光源3b、光源3n輸出的不同波長的探測光信號(hào)，探測光信號(hào)的波長均 不在鍍有金屬鈀的光纖光柵5的選擇性作用波長帶內(nèi)，并與之有不同的預(yù)設(shè)波長差值， 光開關(guān)8可以選擇不同光源的探測光信號(hào)通過光纖7和光纖光柵5，到達(dá)光探測器6，這 時(shí)光探測器6探測到是基本無衰減的光信號(hào)，并將該強(qiáng)度作為基準(zhǔn)，被監(jiān)測氫濃度的變 化會(huì)引起鍍有金屬鈀的光纖光柵5的選擇性作用波長帶的漂移，當(dāng)選擇性作用波長帶漂 移了不同的預(yù)設(shè)波長差值時(shí)，我們可以檢測到輸入的不同的探測光信號(hào)的強(qiáng)度變化，這 樣就可以檢測到氫濃度變化的多個(gè)量值。
第三實(shí)施方式
圖5是表示第三實(shí)施方式的光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。第三實(shí)施方式的光纖光柵 傳感器由光源3a、光源3b、光源3n、濾波器10a、濾波器10b、濾波器10n、光探測器 6a、光探測器6b、光探測器6n、光分路器9a、光分路器9b、位于測量點(diǎn)用于監(jiān)測氫濃 度變化的鍍有金屬鈀的光纖光柵5以及光纖7構(gòu)成。各部件之間以光纖連接。
從光源3a、光源3b、光源3n輸出的不同波長的探測光信號(hào)，探測光信號(hào)的波長均 不在光纖光柵5的選擇性作用波長帶內(nèi)，并與之有不同的預(yù)設(shè)波長差值，探測光信號(hào)通 過光分路器9a，再通過光纖7、光纖光柵5和光分路器9b，分別通過不同的濾波器進(jìn)入 到不同的探測器，每個(gè)濾波器與光源是一一對(duì)應(yīng)的，且僅允許對(duì)應(yīng)波長的探測光信號(hào)通 過，將其他的探測光信號(hào)過濾掉，并將氫濃度未變化時(shí)各個(gè)探測光信號(hào)的強(qiáng)度作為基準(zhǔn)， 被監(jiān)測氫濃度的變化會(huì)引起鍍有金屬鈀的光纖光柵5的選擇性作用波長帶的漂移，當(dāng)選 擇性作用波長帶漂移了所述的不同預(yù)設(shè)波長差值時(shí)，就會(huì)引起不同的探測光信號(hào)強(qiáng)度的 變化，所有的探測光信號(hào)透過光纖7和光分路器9b,分別通過不同的濾波器進(jìn)入到不同 的探測器，探測器將這時(shí)的各個(gè)探測光信號(hào)的強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)強(qiáng)度比較，這樣我們就 可以檢測到氫濃度變化的多個(gè)量值。
可見，根據(jù)本發(fā)明的探測的方法比現(xiàn)有技術(shù)的方法簡單。
當(dāng)然，本發(fā)明并不限于前面所介紹的實(shí)施方式，我們可以將整個(gè)裝置用另一種等價(jià)裝 置代替，而不超出本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種光纖光柵傳感器，包括光源、光纖、探測器和安置于光纖上的位于測量點(diǎn)的用于監(jiān)測氫濃度變化的光纖光柵，其特征在于一該光纖光柵表面鍍有一層金屬鈀，一光源輸出的探測光信號(hào)從光纖的稱為入射端的一端注入，探測光信號(hào)的波長不在光纖光柵的選擇性作用波長帶內(nèi)，并與所述的選擇性作用波長帶有預(yù)設(shè)波長差值，一當(dāng)被監(jiān)測氫濃度變化達(dá)到一定量值時(shí)，位于測量點(diǎn)處的鍍有金屬鈀的光纖光柵的選擇性作用波長帶至少漂移了上述的預(yù)設(shè)波長差值，從而使該選擇性作用波長帶至少覆蓋了所述探測光信號(hào)波長帶的一部分，這時(shí)，該測量點(diǎn)處的光纖光柵就對(duì)探測光信號(hào)產(chǎn)生了一定的反射或耗散，即探測光信號(hào)的一部分反射或耗散掉，探測器檢測到光纖出射端探測光信號(hào)強(qiáng)度的變化，從而探測到所述氫濃度的變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵傳感器，其特征在于多個(gè)光源從光纖的稱為入射 端的一端注入多個(gè)探測光信號(hào)，其波長均不在所述反射波長帶內(nèi)，并與反射波長帶有不同的 預(yù)設(shè)波長差值，從而可以探測出測量點(diǎn)處氫濃度變化的多個(gè)量值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖光柵傳感器，包括光源、光纖、探測器和安置于光纖上的位于測量點(diǎn)的用于監(jiān)測氫濃度變化的鍍有金屬鈀的光纖光柵，其特征在于一光源輸出的探測光信號(hào)從光纖入射端注入，探測光的波長不在光纖光柵的選擇性作用波長帶內(nèi)，并與選擇性作用波長帶有預(yù)設(shè)波長差值，一當(dāng)被監(jiān)測氫濃度變化達(dá)到一定量值時(shí)，位于測量點(diǎn)處的光纖光柵的選擇性作用波長帶至少漂移了上述的預(yù)設(shè)波長差值，從而使選擇性作用波長帶與探測光信號(hào)波長帶交叉重疊，這時(shí)，該測量點(diǎn)處的光纖光柵就對(duì)探測光信號(hào)產(chǎn)生了一定的反射或耗散，探測器檢測到出射端探測光信號(hào)強(qiáng)度的變化，從而探測到所述氫濃度的變化。
文檔編號(hào)G01M3/02GK101424631SQ200810232240
公開日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2008年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月12日
發(fā)明者兵 杜 申請(qǐng)人:西安金和光學(xué)科技有限公司