基于钯氢传感机理的反射式光纤束氢气传感器

氢气传感器在氢气浓度监测和泄漏检测中发挥着重要作用，是安全性研究的基础，它对于及早发现故障、采取有效措施、保障生命安全、减少财产设备和资源的损失、保护环境具有重要意义。传统电特性氢气传感器在使用环境、抗干扰性、气体选择性和安全性上存在不足，而目前研究的许多光纤氢气传感器需要在光纤表面等进行微细加工，对技术和工艺要求高。本项目通过对基于钯氢传感机理的光纤束氢气检测理论和技术进行分析，结合基于参比光路结构的光强补偿技术、钯合金膜制备技术和基于嵌入式系统的数字式微弱信号检测技术，进行一种不依赖于光纤表面微细加工的反射式光纤氢气传感器的研究，使传感器在测量性能、环境适应性、稳定可靠性和实际可用性上有明显提高，实现对各种环境中氢气气体浓度的实时在线检测。

目前广泛使用的电特性氢气传感器在安全性、使用环境、气体选择性和抗干扰性等方面存在着某些不足。而光纤氢气传感器以特有的高安全性、抗电磁干扰性和环境适应性正成为当前新型氢气传感器基础研究和应用研究的热点。但目前研究的多种类型光纤氢气传感器仍然在响应时间、长期稳定性、加工工艺和可重复性上存在着一些问题，使其实用性受到限制。为了解决上述问题，本项目以强度调制型钯基薄膜光纤传感器为研究对象，提出了一种不依赖于光纤表面微细加工的反射式光纤氢气传感器，并从基于钯氢传感机理的检测理论及技术、钯基氢敏薄膜材料及制备技术、基于光强反射的传感器光路设计及优化、微弱信号检测及处理技术等四个方面进行了深入分析和研究。在传感机理方面，建立了基于光学薄膜矩阵的光强反射模型和基于菲克第二定律的氢原子扩散模型，重点分析了薄膜折射率、薄膜厚度、基底材料折射率、入射光波波长等因素对反射率的影响。物理模型试验验证了模型的有效性，可用于优化传感器结构及提高测量性能。在敏感材料方面，为了提高钯基氢敏薄膜的测量性能和长期可靠性，系统地研究了钯银和钯钇两种合金薄膜的参数优化及制备方法，通过对薄膜的表征与测试，得到了一系列重要的工艺参数和技术参数。在光路设计方面，通过建立光纤束的反射耦合模型，仿真研究了发送光纤芯径、接收光纤芯径、反射距离和光纤数值孔径等参数对薄膜反射率的影响。在此基础上，提出了基于多根多组分玻璃光纤的光纤束探头及双光路设计，可用来补偿温度、光源功率，光路分光比和光纤扰动等因素的影响。在信号检测方面，提出基于锁定放大器的微弱信号处理电路设计及神经网络软件非线性补偿算法设计，可以有效地滤除信号中噪声并提高其线性度。在此基础上，研制出了高重复性和高响应速度两种氢气传感器样机。单元物理模型试验及样机整体试验结果表明，该传感器在测量性能、环境适应性、长期稳定性和实用性都有明显提高，可用于多种环境下氢气浓度的实时在线测量。