黎启胜，张 毅，庄 志，张 敏，杨 振

(1.中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳621900;2.清华大学电子工程系光纤传感研究室，北京100084)

氢气作为一种理想的清洁能源，在工业领域具有广泛的用途，同时它也是一种爆炸极限较低的危险气体，所以氢气的可靠监测对防止事故有重要意义，比如在石油提炼、金属焊接、航空航天中燃料泄露监测等方面［1－2］。特别是某些特殊研究领域，比如飞机发动机部件贮存试验中，其主要零部件存放在一个高浓度氮气加压的密闭容器中，内部氢气的变化不但可引起金属零部件的腐蚀，浓度过高时(超过4%)还易产生爆炸，危及整个产品和人员的安全。

目前，氢气的检测技术主要有氢敏传感器、声表面波(SAW)传感器、光声气体传感器、气相色谱－原子吸收光谱法、质谱法等。与其他检测技术相比，光纤传感器具本质安全、体积小等特点，特别适用于高危及狭小空间内的氢气监测。有些光纤氢气传感器已经被提出，主要有干涉型、透镜型、消逝场型、光纤布拉格光栅型等类型［3－7］，而基于长周期光纤光栅的氢气传感器还未见报道。

1 传感检测原理

长周期光纤光栅的纤芯基模能量耦合至同向传输的包层基模中，导致相应波长的传输损耗，透射谱中会出现一个或多个损耗峰，外界温度、应力、折射率等环境变化均会引起包层模式有效折射率发生变化，进而引起损耗峰特性(波长和幅度)改变［8］。相比于单个长周期光纤光栅，级联长周期光纤光栅在监测环境参量时具有更高的灵敏度和分辨力［9］，已被应用于测量应变［9］、折射率［10］、温度［11］和横向载荷［12］，当其表面镀氢敏膜后将可应用于测量氢气浓度。

光束在两级联长周期光纤光栅中传输机理如图1所示，光纤纤芯中传输的光经过第一个长周期光纤光栅LPG1后，一部分能量被耦合至包层中，由于间隔光纤的长度很小，在包层中传输的光能量衰减可忽略，所以在通过第二个长周期光纤光栅LPG2时，包层部分的光能量重新耦合回纤芯。纤芯和包层中的光由于光程不同，会在第二个光栅处产生干涉，使得透射谱出现一系列干涉条纹。

图1 级联长周期光纤光栅光传输框图

图2是单个LPG(点线)和级联LPG(实线)的理想透射谱曲线，级联LPG干涉谱是由若干受单个LPG透射谱曲线调制的周期性正弦函数组成，干涉峰个数仅与光栅间距L和光栅长度d的比值有关，呈中心对称分布，峰值波长处干涉峰消光比为最大值，与峰值波长间隔越大处消光比越小［13－15］。

图2 级联长周期光纤光栅透射谱曲线

级联LPG透射谱曲线可由式(1)进行描述［16］:

纤芯基模和包层模的相位差取决于光栅造成的相位延迟(βc0－βc1)L和它们的光程差φ。由于光栅的耦合系数不太大，式(1)可以近似为式(2)

傅里叶变换是实现信号频谱分析的有效手段，由式(2)可知传感器输出频谱中除余弦函数的线谱外，还有反映直流分量的零频、反映局部畸变的高频噪声干扰，但它们与反映相位变化的余弦函数线谱在频域上完全分离且互不干扰，因此傅里叶变换解调方法可以消除波形中局部畸变的干扰，也可消除条纹计数解调法存在的粗大误差。由于在光栅表面镀钯银合金膜会使βc1和α发生变化，这些变化反映在干涉条纹的对比度中。而干涉条纹对比度可由傅里叶分析可得:

其中，F(I){v}是以 v为变量的谱函数，v=(nc0－nc1)/λ。

2 实验及分析

2.1 镀膜前后级联长周期光纤光栅的透射光谱

采用CO2激光器在单模光纤上制作出两个参数相同的LPG，用磁控溅射工艺在光栅表面镀一层厚度为300 nm的钯银合金膜，两者用光纤连接并间隔一定距离制成级联长周期光栅氢气敏感单元，光栅周期为400 μm，L=44 mm、d=12 mm。传感单元通过光纤耦合器一端连接至宽光谱光源，另一端连接至光谱仪，光谱仪波长分辨力为0.1 nm，幅度分辨力为0.01 dB，实验装置见图3。

图3 实验装置图

测量镀膜前(实线)和镀膜后(虚线)光栅的透射光谱如图4所示。从图中可以看出镀膜后透射光谱发生变化，其干涉条纹幅值显著降低，所以在两光栅间建议不镀膜，避免引入很大的包层模传输损耗，导致无法获得理想的透射曲线。

图4 镀膜前后级联长周期光纤光栅透射光谱

2.2 氢气浓度响应实验

依靠图3所示的高精度配气系统来为氢气传感器标定提供标准浓度氢气，即利用高纯标准浓度的氢气和氮气，通过静态容差法在测量气室中配得所需低浓度的标准氢气，将传感器放置其中。在恒温环境下，将氢气浓度从0%升高至4%，分别测得不同氢气浓度下镀钯银合金膜长周期光纤光栅的透射光谱，见图5。

图5 不同氢气浓度下透射谱曲线

由实验数据可以发现，4%氢气浓度时透射光谱峰值显著降低，说明传感器的透射光谱对氢气浓度的变化非常敏感，伴随着氢气浓度的增大损耗加大。但是由于光源的不稳定、传输光纤的抖动等都可能会给测量带来误差，出现0%浓度时的透射光谱在1%浓度以下的情况，所以通过实验发现直接测量峰值误差较大，为此采用干涉条纹对比度来测量氢气浓度，由实验曲线可看出伴随氢气浓度的增加，干涉峰对比度逐渐降低，1%浓度的对比度明显比0%对比度小，所以通过此方法可以消除测量误差。

根据式(2)计算出干涉条纹对比度，干涉条纹对比度随氢气浓度的变化如图6中所示，其中氢气浓度逐渐增加时如响应曲线1所示，氢气浓度逐渐降低时如响应曲线2所示。

图6 不同氢气浓度下长周期光纤光栅的干涉条纹对比度

由图6可见，干涉条纹对比度随氢气浓度的上升而下降。当氢气浓度从0%升至2%时，条纹对比度下降很快，当氢气浓度从2%升至4%时，下降速度变缓。这个现象可从PdHx化合物的固有性质来分析，有研究发现Pd吸氢后有α相和β相两种固溶体存在，改变H2浓度能影响PdHx晶格相的转化，当氢气浓度低于2%时，Pd－H处于α相变，干涉条纹对比度的变化明显。氢气浓度高于2%时，Pd－H处于β相变，条纹干涉对比度变化减弱一些。当氢气浓度上升时拟合曲线1 为 y=0.015 9x2－0.126 8x+0.402 3，氢气浓度下降时拟合曲线2为y=0.014 2x2－0.122 4x+0.404，其中y是对比度，x是氢气浓度。通过实验数据可以求出传感器的重复性误差为5.4%。

3 结论

本文设计了一种基于钯银合金膜的级联长周期光纤光栅氢气传感器。当钯银合金膜处于氢气环境时，由于吸收氢气会使光纤有效折射率改变，从而影响级联长周期光纤光栅的透射光谱。初步实验证明通过测量级联长周期光纤光栅的条纹对比度变化可监测氢气浓度变化，但是由于氢敏膜的厚度对传感器的灵敏度、响应时间等特性影响很大，对其参数还需要进一步的优化设计，而且针对外部环境如温度湿度等变化，需要进一步的深入研究提出补偿方法来降低环境干扰。

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