基於鈀氫感測機理的反射式光纖束氫氣感測器

《基於鈀氫感測機理的反射式光纖束氫氣感測器》是依託華中科技大學，由張岡擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於鈀氫感測機理的反射式光纖束氫氣感測器
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張岡
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

氫氣感測器在氫氣濃度監測和泄漏檢測中發揮著重要作用，是安全性研究的基礎，它對於及早發現故障、採取有效措施、保障生命安全、減少財產設備和資源的損失、保護環境具有重要意義。傳統電特性氫氣感測器在使用環境、抗干擾性、氣體選擇性和安全性上存在不足，而目前研究的許多光纖氫氣感測器需要在光纖表面等進行微細加工，對技術和工藝要求高。本項目通過對基於鈀氫感測機理的光纖束氫氣檢測理論和技術進行分析，結合基於參比光路結構的光強補償技術、鈀合金膜製備技術和基於嵌入式系統的數字式微弱信號檢測技術，進行一種不依賴於光纖表面微細加工的反射式光纖氫氣感測器的研究，使感測器在測量性能、環境適應性、穩定可靠性和實際可用性上有明顯提高，實現對各種環境中氫氣氣體濃度的實時線上檢測。

結題摘要

目前廣泛使用的電特性氫氣感測器在安全性、使用環境、氣體選擇性和抗干擾性等方面存在著某些不足。而光纖氫氣感測器以特有的高安全性、抗電磁干擾性和環境適應性正成為當前新型氫氣感測器基礎研究和套用研究的熱點。但目前研究的多種類型光纖氫氣感測器仍然在回響時間、長期穩定性、加工工藝和可重複性上存在著一些問題，使其實用性受到限制。為了解決上述問題，本項目以強度調製型鈀基薄膜光纖感測器為研究對象，提出了一種不依賴於光纖表面微細加工的反射式光纖氫氣感測器，並從基於鈀氫感測機理的檢測理論及技術、鈀基氫敏薄膜材料及製備技術、基於光強反射的感測器光路設計及最佳化、微弱信號檢測及處理技術等四個方面進行了深入分析和研究。在感測機理方面，建立了基於光學薄膜矩陣的光強反射模型和基於菲克第二定律的氫原子擴散模型，重點分析了薄膜折射率、薄膜厚度、基底材料折射率、入射光波波長等因素對反射率的影響。物理模型試驗驗證了模型的有效性，可用於最佳化感測器結構及提高測量性能。在敏感材料方面，為了提高鈀基氫敏薄膜的測量性能和長期可靠性，系統地研究了鈀銀和鈀釔兩種合金薄膜的參數最佳化及製備方法，通過對薄膜的表征與測試，得到了一系列重要的工藝參數和技術參數。在光路設計方面，通過建立光纖束的反射耦合模型，仿真研究了傳送光纖芯徑、接收光纖芯徑、反射距離和光纖數值孔徑等參數對薄膜反射率的影響。在此基礎上，提出了基於多根多組分玻璃光纖的光纖束探頭及雙光路設計，可用來補償溫度、光源功率，光路分光比和光纖擾動等因素的影響。在信號檢測方面，提出基於鎖定放大器的微弱信號處理電路設計及神經網路軟體非線性補償算法設計，可以有效地濾除信號中噪聲並提高其線性度。在此基礎上，研製出了高重複性和高回響速度兩種氫氣感測器樣機。單元物理模型試驗及樣機整體試驗結果表明，該感測器在測量性能、環境適應性、長期穩定性和實用性都有明顯提高，可用於多種環境下氫氣濃度的實時線上測量。