低温环境下快速响应可复用光纤氢传感器研究

对于光纤氢传感器来说，提高其在低温环境下的响应速度，是一个迫切需要解决的问题。针对此问题，本项目提出了原创性的解决方案。在有源光纤上刻写光纤光栅，在光纤包层上镀钯膜，有源光纤吸收泵浦光产生大量的热量使钯膜被加热，加速氢气扩散和氢化物形成，从而加快传感器在低温环境下的响应速度。光纤光栅的工作波长选择在有源光纤的非吸收区，传感器对信号光衰减非常小。该方案在有效提高传感器在低温环境下的响应速度的同时，保留了光纤光栅传感器易于复用组网的优点，适合于大规模多点复用检测。本项目重点解决有源光纤优化设计、传感器结构优化设计与实现、传感器复用等关键科学和技术问题，我们希望通过本项目研究，实现一种在低温环境下具有快速响应能力的可组网的光纤氢传感器技术。

在航空航天工业中，液氢已成为飞行器发动机的主要燃料。然而液氢易于挥发且易燃易爆，迫切需要一种能够对飞行器燃料贮箱和管线的氢泄漏进行有效检测的方法。现有技术主要采用电化学传感器测量氢浓度，增加了由于电磁干扰和电火花引发爆炸的可能性。光纤氢传感器通过在光纤表面沉积一层氢敏钯膜而构成，钯膜遇到周围氢分子时与之结合形成氢化物，体积发生膨胀并带动光纤伸长并引起光学响应。光纤氢传感器具有本质安全这一特点，但由于钯膜在低温环境下活性极低，无法真正应用于太空低温工作的飞行器上。针对这一问题，本项目提出了原创性的解决方案：在有源光纤上刻写光纤光栅，在光纤表面上镀钯膜，有源光纤吸收泵浦光产生大量的热量使钯膜被加热，加速氢气扩散和氢化物形成，从而加快传感器在低温环境下的响应速度。该方案在有效提高传感器在低温环境下的响应速度的同时，保留了光纤光栅传感器易于复用组网的优点，适合于大规模多点复用检测。本项目围绕有源光纤泵浦光致热效应机理、低温环境氢气响应速度提升、传感器多路复用和氢传感器增敏方法等主要问题展开研究，并取得以下进展：第一，基于热传导理论建立了铒镱共掺光纤中的泵浦光致热效应的理论模型，对热量沿光纤径向和轴向传递情况进行了数值模拟，明确了泵浦方式、泵浦光吸收系数、光纤几何参数和热学参数等对铒/镱共掺光纤温度分布的影响。分别提出通过构建环境真空及金属镀膜等两种方法使光-热转化效率提升了46%。利用轴向温度梯度实现了光纤光栅带宽的光-光调谐，均匀光栅反射带宽可展宽至0.6nm。第二，研制了低温环境下工作的光纤光栅氢传感器，利用泵浦光致热效应使响应速度提升至30s以内。掌握了氢敏材料—钯与石英光纤的结合方法，通过过渡层的构建提升了其结合强度，延长了低温环境下传感器使用寿命。通过氢氟酸腐蚀法减小光纤直径，使对氢气的响应增敏一倍以上。第三，研究了泵浦光吸收系数、熔接损耗等因素对传感器复用能力的限制，通过参数优化实现了单路光纤复用16支传感器。第四，针对传统光纤氢传感器灵敏度低、温度交叉敏感性强等缺点，提出了微纳光纤光栅氢传感器、单锥光纤干涉型氢传感器等新的传感器结构，灵敏度比传统光纤光栅传感器提升了一个量级以上。在本项目支持下，我们在国际学术刊物上发表了15篇SCI论文，申请发明专利4项，已获授权2项，圆满完成了各项任务。