文档介绍：探测氢气泄漏的布拉格光栅型传感器
王聪

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设计意义
布拉格光栅工作原理
氢传感器的传感原理
传感器系统设计
待解决的问题
目录
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设计意义
氢气是重要的化工原料,也是重要的清洁能源
使用和贮存氢气都是很危险的事情,如果泄露到空气中的氢气原子数量达到易于点火的比例(在室温和一个大气压下最低为4 % ,最高为74. 5 %) ,则有可能引起爆炸事故,故在氢气的使用中必须对环境中氢气的含量进行检测并对其泄漏进行监测。
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布拉格光栅工作原理
光纤布拉格光栅是一种全光纤无源器件。当一束光进入FBG时,它能对波长满足Bragg反射条件的入射光产生反射。
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光纤布拉格光栅中心反射波长为:
(1)
neff为导波模的有效折射率;Λ为光栅的周期。
在受应力时会由于光栅周期的伸缩及弹光效应引起波长的改变;而温度的影响则是由于热膨胀效应和热光效应。经研究证明,热效应和力效应相互独立。
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:
波长漂移和它所受的纵向应变的关系式
(2)
(3)
其中是光纤的弹光系数, 和是光纤的光学应力张量分量; 是泊松系数。
6
:
设温度变化为,与之相对应的FBG中心波长的变化由下式给出
(4)
是光纤的热光系数。
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氢传感器的传感原理
当钯暴露于氢气环境中,氢气分子会吸附于钯的表面,并逐渐分解为氢原子,然后氢原子会渗入到金属钯内与钯作用生成氢化物。
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在室温条件下,钯可以吸收自身体积900倍的氢气,钯吸收大量氢气时并不丧失其延展性,形成了多晶钯氢化物。钯对氢气的吸收和释放是可逆的过程
(5)
钯膜膨胀使得光纤拉伸,从而引起光栅周期∧与折射率变化。由于张力的大小由氢气浓度决定,故布拉格波长的变化量与氢气浓度有关,从而通过布拉格波长可以确定该处氢气浓度的大小。
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Sutapun等人对钯材料和氢分子之间的相互作用建立了理论模型
(6)
当环境的温度变化时,光纤和钯膜都会扩展。由钯膜膨胀而引起的波长漂移量为:
(7)
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