一种基于氢气敏感光纤的分布式氢气传感器

1.本发明属于光学器件和传感技术领域，涉及光纤传感技术，具体提供一种基于氢气敏感光纤的分布式氢气传感器。


背景技术：

2.近年来，随着能源问题与环境问题的日益突出，全球能源正在寻找一条低碳、低污染的转型之路；据统计，已有三十多个国家发布了氢能路线图，宣布了两百多个氢能投资计划，积极发展氢能与燃料电池行业；氢能既可以满足可持续发展的要求，又能带来巨大的经济效益；因此，针对氢气浓度的检测随之具有极大的应用需求。在传统的氢气传感中，通常用电化学方法来检测氢气，但是由于氢气本身的特性，电化学方法潜在的电火花风险无法避免；利用氢气敏感光纤制作出分布式氢气传感系统可以杜绝电火花的风险，能实现分布式、大范围、高灵敏度、快响应速度、高精度、强电磁干扰能力的传感。
3.三氧化钨(wo3)是一种典型的宽带禁带半导体金属氧化物，它具有氢致变色的特性，同时wo3与贵金属有欧姆接触时，与氢反应时具有放热效应；与其他金属氧化物相比，wo3有灵敏度高、化学性质稳定的特点，是氢气传感的理想材料。同时，纳米wo3粒子有表面积体积比大的特点，能与涂覆层材料更均匀的混合，提高其结合质量。另外，乙酰丙酮铂(c
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o4pt)是一种不溶于水的黄色粉末，高温处理后分解为铂金(pt)与乙酰丙酮；铂金在氢气中有良好的光学常数，对氢气有很强的吸附作用，也可为三氧化钨与氢气的反应提供初始的活化能，促使氢气与wo3发生放热反应；乙酰丙酮铂可通过先溶解于乙醇，再与三氧化钨混合加热的方式与使得铂金与三氧化钨均匀混合，提高催化效率。
4.目前，在众多氢气传感器中，光纤氢气传感器具有可绕性好、抗电磁干扰、重量轻、体积小、防腐蚀、可实现分布式传感等优点。现有光纤氢气传感器中，主要采用的氢气敏感材料分为钯合金与三氧化钨两种。氢气敏感材料与光纤的结合形式主要由两种，其一是将氢气敏感材料掺入光纤的包层中，可提高灵敏度，但会带来较高的传输损耗，难以实现长距离的分布式传感；其二是将氢气敏感材料以薄膜或套筒的形式设置在光纤的包层外，对应存在机械强度差、氢气敏感材料消耗大且成本高的问题，大大限制了其的分布式应用。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术存在的诸多问题，本发明的目的在于提供一种基于氢气敏感光纤的分布式光纤氢气传感器，通过混合加热的方法合成三氧化钨交联铂金纳米粒子，利用该物质与氢气产生可逆的化学反应，化学反应过程中会放热，利用分布式光纤温度解调仪来检测氢气与三氧化钨交联铂金纳米粒子的化合强度；交联三氧化钨与铂金使参与反应的物质与催化剂紧密结合，提高催化效率；不同浓度的氢气与三氧化钨交联铂金纳米粒子反应放出热量不同，分布式光纤温度解调仪的拉曼后向散射光也会随之变化，反斯托克斯光与斯托克斯光的强度比也会发生变化，利用该特性能够在实现分布式氢气传感的同时，快速有效的检测低浓度的氢气，提高氢气应用场景的安全性。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种基于氢气敏感光纤的分布式氢气传感器，由基于raman-otdr的分布式光纤温度解调仪(1)、氢气敏感光纤(2)与计算机(3)构成；其特征在于：
8.所述氢气敏感光纤由光纤及其外表面的包覆涂层构成，所述包覆涂层由丙烯酸酯聚合物与三氧化钨交联铂金纳米粒子(wo3+pt)复合构成。
9.进一步的，三氧化钨交联铂金纳米粒子(wo3+pt)占包覆涂层的质量百分比为10％～90％。
10.进一步的，包覆涂层的厚度为10nm～200μm。
11.进一步的，三氧化钨交联铂金纳米粒子的大小为100nm～1μm，其中，三氧化钨与铂金的摩尔比为：100:1～100:20。
12.进一步的，所述氢气敏感光纤的长度至少1m。
13.进一步的，分布式光纤温度解调仪向氢气敏感光纤注入窄带光脉冲，氢气敏感光纤产生后向散射信号并由分布式光纤温度解调仪接收，并连接计算机进行数据处理，得到测量结果。
14.本发明的工作原理在于：分布式光纤温度解调仪(1)发出探测光通过氢气敏感光纤(2)，在氢气敏感光纤(2)上探测光在不同位置点后向散射的反斯托克斯信号与斯托克斯信号的强度比会随着该位置点温度变化而变化，因此便可通过反斯托克斯信号与斯托克斯信号的强度比变化实现氢气的浓度传感；氢气敏感光纤(2)涂覆层中的三氧化钨交联铂金纳米粒子与氢气发生可逆化学反应，释放出大量热量，其中铂金作为该可逆反应的正催化剂。
15.本发明的有益效果在于：提出一种基于氢气敏感光纤的分布式氢气传感器，基于三氧化钨交联铂金纳米粒子(wo3+pt)作为氢气敏感材料，创新的提出氢气敏感材料在光纤上的新加载形式，将丙烯酸酯聚合物与三氧化钨交联铂金纳米粒子(wo3+pt)复合构成包覆涂层；其中，选择纳米粒子作为敏感材料的加载形式能够保证传感的灵活性、降低传感器成本，同时将敏感材料纳米粒子与保护光栅的涂敷材料相混合、并固化在光栅上，既保证了良好的附着性、提高了机械强度，又保证了低成本与灵活性，也避免了较大的传输损耗。三氧化钨交联铂金纳米粒子与涂敷材料混合的质量百分比随着应用场景的变化而变化，当对传感灵敏度需求较高时，三氧化钨交联铂金纳米粒子的质量比可达到90％，以近似固体套筒的形式附着在光栅上；当对传感灵敏度要求较低，对灵活性要求较高时，可让三氧化钨交联铂金纳米粒子的质量百分比降低至10％，较少的氢敏材料对光栅本身的灵活度影响相对较小。
16.综上，本发明提出的基于氢气敏感光纤的分布式氢气传感器在实现分布式高灵敏氢气探测的同时保证其机械强度与灵活性；并且，该分布式氢气传感器能够通过弯曲环绕适用于复杂环境下，提高了分布式氢气传感器的可用性，为分布式氢气检测提供了一种简便、可靠、实用性强的方法。
附图说明
17.图1为本发明中基于氢气敏感光纤的分布式氢气传感器的测试系统示意图。
18.图2为本发明中氢气敏感光纤的端面结构示意图。
具体实施方式
19.为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
20.本实施例提供一种基于氢气敏感光纤的分布式光纤氢气传感器的测试系统，其结构如图1所示，具体包括：基于raman-otdr的分布式光纤温度解调仪(1)、氢气敏感光纤(2)、计算机(3)、混合气室(4)、反应气室(5)、气泵(6)及氢气瓶(7)；其中，混合气室(4)设有混合气进气孔(8)和混合气出气孔(9)，反应气室(5)设有反应气进气孔(10)、反应气出气孔(11)、光纤出口(12)、光纤入口(13)，反应气室(5)的反应气进气孔(10)与混合气室(4)的混合气出气孔(9)相连、反应气出气孔(11)搁置在空气中，混合气室(4)的混合气进气孔(8)连接氢气瓶(7)与气泵(6)；氢气敏感光纤(2)一端连接基于raman-otdr的分布式光纤温度解调仪(1)，另一端从光纤出口(12)进入反应气室(5)、再从光纤入口(13)离开，即光纤穿过反应气室(5)；基于raman-otdr的分布式光纤温度解调仪(1)用于收发处理光信号，并连接计算机(3)用于进一步数据处理。
21.进一步的，上述测试系统中，基于raman-otdr的分布式光纤温度解调仪(1)、氢气敏感光纤(2)与计算机(3)构成基于氢气敏感光纤的分布式光纤氢气传感器；测试过程中，通过氢气瓶(7)与气泵(6)向混合气室(4)中通入预定流量的气体，在混合气室(4)测到预设氢气浓度的待测气体，输入至反应气室(5)中，由分布式光纤氢气传感器完成氢气浓度测量。
22.更进一步的，所述氢气敏感光纤的结构如图2所示，由光纤及其外表面的包覆涂层构成，所述包覆涂层由丙烯酸酯聚合物与三氧化钨交联铂金纳米粒子(wo3+pt)复合构成，其中，三氧化钨交联铂金纳米粒子(wo3+pt)占包覆涂层的质量百分比为10％～90％；三氧化钨交联铂金纳米粒子由三氧化钨纳米粒子与乙酰丙酮铂混合加热后制成。
23.从工作原理上讲：所述raman-otdr的分布式光纤温度解调仪内部的超窄线宽激光器向长度为l的氢气敏感光纤注入窄带光脉冲，此时光脉冲的后向散射信号的斯托克斯信号φs和反斯托克斯信号φa分别为：
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其中，l表示以光源为起点的位置变量，ks与ks分别表示斯托克斯信号与反斯托克斯信号的截面系数，δv、κ、t分别表示拉曼频移、玻尔兹曼常数、绝对温度，αs、αa、α分别表示斯托克斯信号、反斯托克斯信号、入射信号的衰减系数，υs表示拉曼斯托克斯信号的频率，h表示普朗克常数，φ0表示入射信号的强度；
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当氢气敏感光纤沿线上任一位置出现氢气时，包覆涂层中三氧化钨交联铂金纳米粒子与氢气反应，放出大量热量，使氢气敏感光纤上该位置处温度发生改变，相对应的该位置的反斯托克斯信号和斯托克斯信号强度之比会发生变化，通过处理raman-otdr的分布式光纤温度解调仪解调出的强度比变化信息定量的反映出待测环境的温度变化，实现氢气浓度传感；同时，利用raman-otdr本身可检测沿光纤线上所有位置的温度分布，可将局部的氢
气传感扩展为分布式氢气传感，在氢气敏感光纤的任一位置上都能测出所对应的氢气浓度。
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以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

技术特征：
1.一种基于氢气敏感光纤的分布式氢气传感器，由基于raman-otdr的分布式光纤温度解调仪(1)、氢气敏感光纤(2)与计算机(3)构成；其特征在于：所述氢气敏感光纤由光纤及其外表面的包覆涂层构成，所述包覆涂层由丙烯酸酯聚合物与三氧化钨交联铂金纳米粒子(wo3+pt)复合构成。2.按权利要求1所述基于氢气敏感光纤的分布式氢气传感器，其特征在于，三氧化钨交联铂金纳米粒子(wo3+pt)占包覆涂层的质量百分比为10％～90％。3.按权利要求1所述基于氢气敏感光纤的分布式氢气传感器，其特征在于，包覆涂层的厚度为10nm～200μm。4.按权利要求1所述基于氢气敏感光纤的分布式氢气传感器，其特征在于，三氧化钨交联铂金纳米粒子的大小为100nm～1μm，其中，三氧化钨与铂金的摩尔比为：100:1～100:20。5.按权利要求1所述基于氢气敏感光纤的分布式氢气传感器，其特征在于，所述氢气敏感光纤的长度至少1m。6.按权利要求1所述基于氢气敏感光纤的分布式氢气传感器，其特征在于，分布式光纤温度解调仪向氢气敏感光纤注入窄带光脉冲，氢气敏感光纤产生后向散射信号并由分布式光纤温度解调仪接收，并连接计算机进行数据处理，得到测量结果。

技术总结
本发明属于光学器件和传感技术领域，具体提供一种基于氢气敏感光纤的分布式氢气传感器。本发明通过混合加热的方法合成三氧化钨交联铂金纳米粒子，利用该物质与氢气产生可逆的化学反应，化学反应过程中会放热，利用分布式光纤温度解调仪来检测氢气与三氧化钨交联铂金纳米粒子的化合强度；交联三氧化钨与铂金使参与反应的物质与催化剂紧密结合，提高催化效率；不同浓度的氢气与三氧化钨交联铂金纳米粒子反应放出热量不同，分布式光纤温度解调仪的拉曼后向散射光也会随之变化，反斯托克斯光与斯托克斯光的强度比也会发生变化，利用该特性能够在实现分布式氢气传感的同时，快速有效的检测低浓度的氢气，提高氢气应用场景的安全性。性。性。


技术研发人员：王朝钦 龚元 韩泽文 刘艺玲 王艳琼
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/7/25