基于光加热和光强探测光纤氢气传感器研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

氢气是一种高效洁净的燃料,可无限循环利用，同时氢气也是一种重要的化工原料，在燃料电池、航空航天、化工合成、金属冶炼等领域都有广泛的应用，而且一些特殊设施在使用时也会产生一定量氢气：如核燃料存放的密闭容器中由于放射性材料的裂变会产生一定量的氢气。由于氢气具有最小的分子，所以很容易泄漏，很有可能造成爆炸事故，因此,需要制作出一种安全可靠、灵敏度高的氢气传感器实时监测氢气浓度。目前市场上主要应用的还是电化学类传感器，这些传感器采用电信号作为传感信号，潜在的电磁干扰和电火花可能会引起灾难性的后果。而基于光纤技术的光纤氢传感器在光纤中采用微弱的光信号作为传感信号，克服了电化学类传感器中电火花带来的隐患，并且光纤氢传感器具有体积小、重量轻、柔韧性好等特点，特别适合于要求载荷轻和安装空间小的应用场合；另外，光纤还能抗化学腐蚀和恶劣的环境温度、无电磁干扰等，适合于远程大规模多点复用检测,目前光纤氢气传感器成为国内外研究的热点。

光纤氢气传感器的传感探头主要是利用氢气敏感材料与不同的光纤结构组合实现的。而光纤传感探头的结构主要分为干涉型^[1]、微镜型^{[2, 3]}、spr型^[4]、f-p型^{[5, 6]} 、消逝场型^[7]及光纤光栅型^[8-10]。尽管国内外对光纤氢气传感技术已有较为深入的研究，由于仍然存在相关敏感材料的科学问题和器件的技术问题，至今仍未实用化。美国桑迪亚国家实验室butler^[2]首次报道了基于pd薄膜的微镜型光纤氢气传感器，但是该传感器重复性较差，主要原因是pd薄膜吸氢相变后晶格常数变化较大，导致pd薄膜破裂。随后法国信号处理与仪器仪表实验室的bévenot等 ^[3]发现在低温环境下pd薄膜的吸氢能力会大幅下降，导致传感器灵敏度严重降低。采用pd合金可以提高传感器的重复性，荷兰代尔夫特理工westerwaal等^[8]报道了基于pd/au合金薄膜的微镜型光纤氢气传感器，采用合金薄膜可以提高传感器的重复性。美国奥尔巴尼大学zhao等^[11]发现在较高的湿度环境中，pd/au薄膜的氢气敏感性能明显降低。国内清华大学、同济大学、华中科技大学、中山大学、重庆大学和武汉理工大学分别对pd/ag^[12]、pd-wo₃/sio₂^[13]、pd/y^[14]、wo₃/pt^[15]和wo₃/pd^[16] 和pd/ni^[17]敏感性能作了研究，通过利用复合薄膜作为氢气敏感薄膜，传感器的重复性得到改善，但仍然存在温度和湿度补偿问题。

光纤光栅氢气传感器是最有应用潜力的一类光纤氢气传感器，一方面光纤光栅具有大容量检测能力，可实现多点检测，另一方面，光纤光栅是优良的测温光器件，可采用参考光栅减小温度对测量精度的影响。所以光纤光栅氢气传感器在氢气检测中有极大的应用前景。

2. 研究的基本内容与方案

研究基本内容：

由于光纤氢气传感器在检测氢气浓度时光纤光栅的强度容易受到光源、光纤损耗、温度变化的影响，所以为了提高传感器的干扰能力，构建一个自补偿光纤氢气传感器光路系统，采用基于光加热的光纤光栅型氢气传感器，通过对氢敏材料加热使其工作在恒定温度下，减小环境温度和湿度对传感器性能的影响；设计光纤氢气敏感薄膜系及封装结构，提高传感探头的长期稳定性；设计光信号处理方法，并测试在不同环境下传感器氢气敏感性能。

研究目标：

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解光纤镀膜方法的基本原理，确定方案，完成开题报告。

第4－8周：完成一篇不少于5000字英文文献翻译，开展光纤镀膜实验，并在此基础上制备氢气敏感薄膜。

第9－13周：完成实验，实验研究氢气敏感薄膜在不同湿度环境下的氢气传感特性。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] f. farahi, p. a. leilabady, j. d. c. jones, d. a. jakson.interferometric fibre-optic hydrogen sensor [j]. journal of physics e: scientific instruments, 1987,20(4): 432–434.

[2] m. a. butler*. micromirror optical-fiber hydrogen sensors. sensors and actuators b: chemical, 1994,22(2): 155–163.

[3] x. bévenot, a. trouillet*, c. veillas,h. gagnaire, m. clément. hydrogen leak detection using an optical fibre sensor for aerospaceapplications [j]. sensors and actuators b: chemical, 2000, 67(1): 57–67.