CN117740874A - 基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头及制备方法，所述基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头包括光纤敏感元件、毛细管(3)、玻璃基片(2)、Pt/WO3粉末层、环氧树脂胶(5)；所述玻璃基片(2)包括凹槽；所述毛细管(3)套设于光纤敏感元件上；所述毛细管(3)放置于玻璃基片(2)的凹槽上；所述Pt/WO3粉末层固附于毛细管(3)的外壁；所述环氧树脂胶(5)将光纤敏感元件固定在玻璃基片(2)上。与现有技术相比，本发明的光纤氢气传感头在氢气传感检测领域具有广泛的应用前景，可以使氢气检测具备高灵敏度、快速响应和稳定性好的特点，满足工业、化工、环境等领域对氢气检测的需求。
Description
技术领域
本发明涉及氢气检测技术领域，尤其是涉及基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头及制备方法。
背景技术
目前，氢气的传感检测在能源、化工和环境等领域具有广泛的应用价值。已有各种氢气传感器用于检测氢气浓度和存在，但存在着灵敏度不高、响应速度慢、稳定性差等问题，需要进一步改进。光纤敏感元器件被广泛应用于传感技术中，具有高灵敏度、快速响应和抗电磁干扰的优势。然而，在氢气传感方面，光纤敏感元器件应用的研究较少。Pt/WO3是一种具有可调掺杂和高灵敏度的敏感材料，氢气与Pt/WO3粉末发生反应后会放热，这种热反应可导致光学敏感元件反射光的光学特性发生变化。因此，基于Pt/WO3敏感层的光纤敏感元器件传感头可以用于检测氢气，并具有优秀的性能潜力。
然而，现有的氢气传感器设计通常无法提供有效的保护和稳定性。在传统的工艺中，将氢敏材料直接镀在敏感元件上不仅步骤繁杂，而且在操作的额过程中容易破环敏感元件的结构。此外，目前的氢气传感器存在氢气检测响应速度慢，无法检测低浓度氢气等问题。
因此，需要一种新型的传感头设计，能够在保护光纤敏感元器件的同时，提供良好的氢气敏感特性和稳定性，以提高氢气传感检测的性能。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头及制备方法，通过将毛细管套接在光纤敏感元器件上，并涂敷Pt/WO3粉末敏感层来实现对氢气的检测，该设计不仅能够保护光纤敏感元器件，还通过热反应改变光纤敏感元件的光学特性，实现对氢气的高灵敏度和快速响应的检测，因此，本发明传感头设计在氢气传感检测领域具有广泛的应用前景，可以使氢气检测具备高灵敏度、快速响应和稳定性好的特点，满足工业、化工、环境等领域对氢气检测的需求。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的第一个目的是提供一种基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头，所述基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头包括光纤敏感元件、毛细管、玻璃基片、Pt/WO3粉末层、环氧树脂胶；所述玻璃基片包括凹槽；所述毛细管套于光纤敏感元件上；所述毛细管放置于玻璃基片的凹槽上；所述Pt/WO3粉末层固附于毛细管的外壁；所述光纤敏感元件通过环氧树脂胶固定在玻璃基片上。
进一步地，所述Pt/WO3粉末层固附于毛细管的外壁的方式如下：
将制备的Pt/WO3粉末混合少量的去离子水后震荡，使其混合均匀，然后将混合液(非溶液)沿着毛细管的外壁均匀涂覆，确保覆盖整个毛细管表面，利用风干机令其干燥，使Pt/WO3粉末牢固附着在毛细管上。
进一步地，所述毛细管的内壁直径为0.3～0.8毫米。
进一步优选地，所述毛细管的内壁直径约为0.5毫米。
进一步地，所述玻璃基片尺寸可以是75mm*20mm*4mm，具体大小尺寸根据具体实验设置。
进一步地，在玻璃基片中间有一个U型的凹槽，用于放置和固定毛细管，凹槽的宽度为1～1.5mm，深度为1～2mm，凹槽的深度和宽度也可以根据需求进行调节和设计，以适应不同的应用需求。
进一步地，所述光纤敏感元件包括传感部分；将所述毛细管套设于光纤敏感元件的传感部分上，使毛细管完全覆盖住光纤敏感元件的传感部分。
进一步地，所述毛细管的首尾不超过玻璃基片的两端。
进一步地，所述光纤敏感元件为DFB激光器或FBG激光器。
本发明的第二个目的是提供一种基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
S1、将毛细管套在光纤敏感元件的传感部分上，确保其与光纤敏感元件的传感部分的接触，并形成一个密封的接口；
S2、在毛细管和玻璃基片的凹槽处涂敷Pt/WO3粉末；
S3、将毛细管放置在玻璃基片的凹槽处，并使用环氧树脂胶将光线敏感元件固定在玻璃基片上，以确保传感头的稳定性和可靠性。
进一步地，所述涂敷Pt/WO3粉末的过程如下：
将制备的Pt/WO3粉末混合少量的去离子水后震荡，使其混合均匀，然后将混合液沿着毛细管的外壁均匀涂覆，确保覆盖整个毛细管表面，利用风干机令其干燥，使Pt/WO3粉末牢固附着在毛细管上。
进一步地，所述制备方法包括如下步骤：
首先，毛细管套在光纤敏感元件上，以确保它们之间的物理接触；然后，将制备的Pt/WO3粉末混合少量的去离子水后震荡，使其混合均匀，然后将混合液沿着毛细管的外壁均匀涂覆，确保覆盖整个毛细管表面；随后，使用风干机将Pt/WO3粉末风干，使Pt/WO3粉末牢固地附着在毛细管外表面上。
上述基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头可以应用于氢气传感检测领域，具体工作过程如下：
当氢气接触到传感头时，发生以下反应：氢气与Pt/WO3粉末反应，产生热量。这个反应导致Pt/WO3粉末附着层的温度升高，并改变光纤敏感元件的光学特性。具体来说，反应导致光纤敏感元件的光信号发生变化，可以是光强度、波长或相位的变化。
在检测过程中，光纤敏感元件记录通过传感头反射回来的光信号。通过分析光信号的变化，可以确定氢气的存在和浓度。这种分析可以使用光学传感技术，如光谱分析、干涉测量或布拉格光栅技术来实现。这样，可以快速获得关于氢气浓度的准确信息。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明所提供的基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头，通过将毛细管套接在光纤敏感元器件上，并涂布Pt/WO3粉末敏感层来实现对氢气的检测，该设计不仅能够保护光纤敏感元器件，还通过热反应改变光纤敏感元件的光学特性，实现对氢气的高灵敏度和快速响应的检测，同时，使用玻璃基片和环氧树脂固定光纤敏感元件，提供了传感头的稳定性和可靠性。因此，本发明传感头设计在氢气传感检测领域具有广泛的应用前景，可以使氢气检测具备高灵敏度、快速响应和稳定性好的特点，满足工业、化工、环境等领域对氢气检测的需求。
附图说明
图1为本发明中实施例1中基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头的结构示意图。
图2为本发明中实施例2中基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头的结构示意图。
附图中标记的含义如下：
1-DFB激光器，2-玻璃基片，3-毛细管，4-FBG激光器，5-环氧树脂胶。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下列实施例中，DFB激光器1和FBG激光器4为常用件或采购件，本领域技术人员有能力根据实际需求选择相应的规格、型号和参数，在此不再赘述。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头，本实施例中，光纤敏感元件为DFB激光器1，DFB激光器1的传感部分为栅区。
基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头包括DFB激光器1、毛细管3、玻璃基片2、Pt/WO3粉末层、环氧树脂胶5；玻璃基片2包括凹槽；毛细管3套设于DFB激光器1的栅区上，使毛细管3完全覆盖住DFB激光器1的栅区；毛细管3放置于玻璃基片2的凹槽上，毛细管3的首尾不超过玻璃基片2的两端，并使用环氧树脂胶4将DFB激光器1固定在玻璃基片2上；Pt/WO3粉末层固附于毛细管3的外壁。
毛细管的内壁直径约为0.4毫米。
所述玻璃基片尺寸可以是75mm*20mm*4mm，具体大小尺寸根据具体实验设置，在玻璃基片2中间有一个U型的凹槽，用于放置和固定毛细管3，凹槽的宽度为1～1.5mm，深度为1～2mm，凹槽的深度和宽度也可以根据需求进行调节和设计，以适应不同的应用需求。本实施例中，凹槽的宽度具体可以为1mm，深度可以为1.5mm。
上述基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头的制备方法包括如下步骤：
S1、将毛细管3套在DFB激光器1的栅区上，确保其与DFB激光器1的栅区的接触，并形成一个密封的接口；
S2、在毛细管3和玻璃基片2的凹槽处涂敷Pt/WO3粉末；
S3、将毛细管3放置在玻璃基片2的凹槽处，并使用环氧树脂胶5将DFB激光器1固定在玻璃基片2上，以确保传感头的稳定性和可靠性。
其中，涂敷Pt/WO3粉末的过程如下：
将制备的Pt/WO3粉末混合少量的去离子水后震荡，使其混合均匀，然后将混合液沿着毛细管3的外壁均匀涂覆，确保覆盖整个毛细管3表面，利用风干机令其干燥，使Pt/WO3粉末牢固附着在毛细管3上。
上述基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头的工作方法及原理如下：
当通入氢气后，氢气与Pt/WO3粉末反应后会放出热量，产生的热量通过毛细管3传导到DFB激光器1上，使DFB激光器1的温度发生变化，根据DFB激光器1的性质可知，温度变化会使DFB激光器1反射光的中心波长发生变化，通过检测中心波长的偏移量来实现检测氢气的目的。
实施例2
如图2所示，本实施例提供一种基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头，本实施例中，光纤敏感元件为FBG激光器4，FBG激光器4的传感部分为光栅部分。
基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头包括FBG激光器4、毛细管3、玻璃基片2、Pt/WO3粉末层、环氧树脂胶5；玻璃基片2包括凹槽；毛细管3套设于FBG激光器4的光栅部分上，使毛细管3完全覆盖住FBG激光器4的光栅部分；毛细管3放置于玻璃基片2的凹槽上，毛细管3的首尾不超过玻璃基片2的两端，并使用环氧树脂胶5将FBG激光器4固定在玻璃基片2上；Pt/WO3粉末层固附于毛细管3的外壁。
毛细管的内壁直径约为0.5毫米。
所述玻璃基片尺寸可以是75mm*20mm*4mm，具体大小尺寸根据具体实验设置，在玻璃基片2中间有一个U型的凹槽，用于放置和固定毛细管3，凹槽的宽度为1～1.5mm，深度为1～2mm，凹槽的深度和宽度也可以根据需求进行调节和设计，以适应不同的应用需求。本实施例中，凹槽的宽度具体可以为1mm，深度可以为1.5mm。
上述基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头的制备方法包括如下步骤：
S1、将毛细管3套在FBG激光器4的光栅部分上，确保其与FBG激光器4的光栅部分的接触，并形成一个密封的接口；
S2、在毛细管3和玻璃基片2的凹槽处涂敷Pt/WO3粉末；
S3、将毛细管3放置在玻璃基片2的凹槽处，并使用环氧树脂胶5将FBG激光器4固定在玻璃基片2上，以确保传感头的稳定性和可靠性。
其中，涂敷Pt/WO3粉末的过程如下：
将制备的Pt/WO3粉末混合少量的去离子水后震荡，使其混合均匀，然后将混合液沿着毛细管3的外壁均匀涂覆，确保覆盖整个毛细管3表面，利用风干机令其干燥，使Pt/WO3粉末牢固附着在毛细管3上。
上述基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头的工作方法及原理如下：
将制备好的传感头暴露在氢气环境中。当氢气与Pt/WO3粉末反应时，产生的热量会改变FBG激光器4的光学特性，使得FBG激光器4的反射光的中心波长发生偏移。通过使用合适的光谱仪或相关的检测设备，可以实时监测和分析FBG激光器4反射光的波长偏移从而检测氢气的存在或者浓度，实现快速、准确的氢气检测。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头，其特征在于，所述基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头包括光纤敏感元件、毛细管(3)、玻璃基片(2)、Pt/WO3粉末层、环氧树脂胶(5)；
所述玻璃基片(2)包括凹槽；
所述毛细管(3)套设于光纤敏感元件上；
所述毛细管(3)放置于玻璃基片(2)的凹槽上；
所述Pt/WO3粉末层固附于毛细管(3)的外壁；
所述光纤敏感元件通过环氧树脂胶(5)固定在玻璃基片(2)上。
2.根据权利要求1所述的基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头，其特征在于，所述Pt/WO3粉末层固附于毛细管(3)的外壁的方式如下：
将制备的Pt/WO3粉末混合去离子水后震荡，使其混合均匀，然后将混合液沿着毛细管(3)的外壁均匀涂覆，确保覆盖整个毛细管(3)表面，干燥，使Pt/WO3粉末牢固附着在毛细管(3)上。
3.根据权利要求1所述的基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头，其特征在于，所述毛细管的内壁直径为0.3～0.8毫米。
4.根据权利要求3所述的基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头，其特征在于，所述毛细管的内壁直径为0.5毫米。
5.根据权利要求1所述的基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头，其特征在于，玻璃基片(2)中间设有一个U型的凹槽，用于放置和固定毛细管(3)。
6.根据权利要求5所述的基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头，其特征在于，凹槽的宽度为1～1.5mm，深度为1～2mm。
7.根据权利要求1所述的基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头，其特征在于，所述光纤敏感元件包括传感部分；
将所述毛细管(3)套设于光纤敏感元件的传感部分上，使毛细管(3)完全覆盖住光纤敏感元件的传感部分。
8.根据权利要求1所述的基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头，其特征在于，所述毛细管(3)的首尾不超过玻璃基片(2)的两端。
9.一种如权利要求1-8中任一项所述的基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
S1、将毛细管(3)套在光纤敏感元件的传感部分上，确保其与光纤敏感元件的传感部分的接触，并形成一个密封的接口；
S2、在毛细管(3)和玻璃基片(2)处涂敷Pt/WO3粉末；
S3、将毛细管(3)放置在玻璃基片(2)的凹槽处，并使用环氧树脂胶将光纤敏感元件固定在玻璃基片(2)上。
10.根据权利要求9所述的基于光纤敏感元件的光纤氢气传感头的制备方法，其特征在于，S2中，所述涂敷Pt/WO3粉末的过程如下：
将制备的Pt/WO3粉末混合少量的去离子水后震荡，使其混合均匀，然后将混合液沿着毛细管(3)的外壁均匀涂覆，确保覆盖整个毛细管(3)表面，干燥，使Pt/WO3粉末牢固附着在毛细管(3)上。
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