(19)国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202123444065.X (22)申请日 2021.12.3 0 (73)专利权人 中国计量大 学 地址 310018 浙江省杭州市学源街258号中 国计量大 学 (72)发明人 朱勇辉　张淑琴　徐贲　赵春柳　 (51)Int.Cl. G01N 21/01(2006.01) G01N 21/45(2006.01) (ESM)同样的发明创造已同日申请发明 专利 (54)实用新型名称 一种基于游标效应高灵敏快响应的光纤氢 气传感器 (57)摘要 本实用新型公开了一种基于游标效应高灵 敏快响应的光纤氢气传感器， 其特征包括宽带光 源、 光纤光谱仪、 2 ×2光纤耦合器、 第一FP腔干 涉 仪和第二FP腔干 涉仪。 第一FP腔干 涉仪由单模光 纤、 空芯光纤、 石墨烯薄膜和钯膜依次连接组成。 第二FP腔 干涉仪是由单模光纤、 空芯光纤和单模 光纤依次连接组成。 将第一FP腔干涉仪设置为传 感腔， 第二FP腔干涉仪设置为参考腔。 当第一FP 腔干涉仪和第二FP腔干涉仪所产生的自由光谱 范围相近但 不相等即可产生游标效应。 基于游标 效应可以实现高灵敏测量， 使用钯膜和石墨烯薄 膜可以实现快速响应。 本实用新型具有实用性 强、 结构紧凑、 灵敏度高、 响应 速度快等优点。 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 CN 216870351 U 2022.07.01 CN 216870351 U 1.一种基于游标效应高灵敏 快响应的光纤氢气传感器， 其特 征在于： 包括宽带光源、 光纤光谱仪、 2 ×2光纤耦合器、 第一FP腔干涉仪和第二FP腔干涉仪； 所 述第一FP腔干涉仪由单模光纤、 空芯光纤、 石墨烯薄膜和钯膜依次连接组成； 第二FP腔干涉 仪是由单模光纤、 空芯光纤和单模光纤依次连接组成； 宽带光源的输出端与光纤光谱仪的输入端分别与2 ×2光纤耦合器 a端口和b端口相连， 2×2光纤耦合器c端口和d端口分别与第一FP腔干涉仪和第二FP腔干涉仪相连； 光从宽带光源发出进入2 ×2光纤耦合器的a端口后一部分光通过2 ×2光纤耦合器的c 端口进入第一FP腔 干涉仪中， 然后经第一FP腔干涉仪反射， 再次通过c端口回到2 ×2光纤耦 合器中； 另一部分光经过2 ×2光纤耦合器的d端口进入第二FP腔干涉仪中然后经第二FP腔 干涉仪反射， 再次通过d端口回到2 ×2光纤耦合器中， 分别从第一FP腔 干涉仪和第二FP腔 干 涉仪反射回来的光在2 ×2光纤耦合器中进 行耦合， 耦合之后的叠加光谱会再次经过2 ×2光 纤耦合器的b端口传输 到光纤光谱仪中。 2.根据权利要求1所述的一种基于游标效应高灵敏快响应的光纤氢气传感器， 其特征 是第一FP腔干涉仪和第二FP腔干涉仪所使用的单模光纤纤芯直径均为8.2 μm， 包层直径均 为125 μm。 3.根据权利要求1所述的一种基于游标效应高灵敏快响应的光纤氢气传感器， 其特征 是第一FP腔干涉仪和第二FP腔干涉仪所使用的空芯光纤的内径均为75 μm， 外径均为15 0 μm。 4.根据权利要求1所述的一种基于游标效应高灵敏快响应的光纤氢气传感器， 其特征 是第一FP腔 干涉仪所使用空芯光纤的长度为100～120 μm， 第二FP腔 干涉仪所使用空芯光纤 的长度为120～15 0 μm。 5.根据权利要求1所述的一种基于游标效应高灵敏快响应的光纤氢气传感器， 其特征 是第一FP腔干涉仪所使用的石墨烯薄膜厚度为2 ～5nm， 所使用的钯膜厚度为5～10nm。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 216870351 U 2一种基于游标效应高灵敏快 响应的光纤氢气传感器 技术领域： [0001]本实用新型涉及光纤传感技术领域， 尤其涉及一种基于游标效应高灵敏快响应的 光纤氢气传感器。 该传感器具有实用性强、 结构紧凑、 灵敏度高、 响应速度快等优点。 背景技术 [0002]氢气在石油、 化工、 航 空航天等行业有着广泛的应用， 同时也被认为是一种清洁能 源， 可以缓解化石燃料消 耗带来的全球变 暖问题。 但氢气的使用不可避免地伴随着安全问 题， 因为氢气的点火温度较低， 在4％～75％的浓度范围内容易与空气形成爆炸性混合物。 氢气也很轻， 在许多金属中极易溶解， 这大大增加了泄漏的风险。 为了保证氢气的使用、 运 输和储存的安全， 使用高灵敏、 高响应的氢气检测至关重要。 [0003]光纤氢气传感器主要是通过光纤传感技术与相应的氢敏材料相结合来检测氢气 的浓度。 近年来， 最常见的氢敏材料可分为两类， 一类是三氧化钨及其金属 合金， 另一类是 金属钯及其合金、 化合物。 三氧化钨及其金属合金与氢气 接触会发生氧化还原反应， 该反应 的特点是放热， 结合对温度敏感的光纤传感器可以实现对氢气的测量。 金属钯与氢气接触 后， 会导致体积发生变化或者光学折射率发生变化， 结合光纤应力或者折射率传感器可以 实现对氢气浓度的测量。 [0004]目前， 常见的光纤氢气传感器有一种是利用对 温度敏感的光纤传感器与三氧化钨 及其金属 合金结合实现对氢气的测 量。 这种类型 的传感器灵敏度普遍比较高， 但是也存在 一些缺点， 比如三氧化钨这种氢敏材料不易和光纤结合， 易脱落， 且响应速度比较慢。 还有 一种基于钯膜和石墨烯薄膜的光纤氢气传感器虽然响应速度很快， 但是因为与氢气发生反 应的钯膜厚度有限导致其传感器的灵敏度不高。 为了既能有很快 的响应速度， 又能有更高 的灵敏度， 于是本实用新型就 提出了一种基于游标效应高灵敏 快响应的光纤氢气传感器。 实用新型内容 [0005]本实用新型为了解决现有光纤氢气传感器无法同时具有高灵敏快响应的问题， 提 出一种基于游标效应高灵敏快响应的光纤氢气传感器。 该传感器具有实用性 强、 结构紧凑、 灵敏度高、 响应速度快等特点， 在氢气检测领域将发挥更 大的作用。 [0006]本实用新型解决技 术问题所采取的技 术方案如下： [0007]一种基于游标效应高灵敏快响应的光纤氢气传感器， 其特征在于包括： 宽带光源、 光纤光谱仪、 2 ×2光纤耦合器、 第一FP腔 干涉仪和第二FP腔 干涉仪； 所述的第一FP腔 干涉仪 由单模光纤、 空芯光纤、 石墨烯薄膜和钯膜依次连接组成； 通过将一段 空芯光纤与单模光纤 连接， 在空芯光纤的另一侧端面镀上石墨烯薄膜， 然后在石墨烯薄膜上镀上钯膜， 空芯光纤 两端的单模光纤和石墨烯薄膜使得空芯光纤内部形成封闭的空气腔； 空芯光纤的长度为 100～120 μm， 石墨烯薄膜的厚度为2～5nm， 钯膜的厚度为5～10nm。 所述的第二FP腔干涉仪 是由单模光纤、 空芯光纤和单模光纤依 次连接组成， 通过一段空芯光纤与两段单模光纤连 接构成空气腔， 空芯光纤的长度为120～150 μm， 且两段单模光纤的长度要远远大于空芯光说　明　书 1/4 页 3 CN 216870351 U 3