多层纳米颗粒膜增敏的新型光纤氢气传感器研究

To void the low sensitivity，slow response and poor repeatability in the traditional film optical fiber hydrogen sensor，this projection proposed an new multilayer transmission optical fiber hydrogen sensor based on the nanoparticles film. Firstly, composite sensing hydrogen material coated with the PdY alloy nanoparticles are prepared. Then several films with the PdY alloy nanoparticles are aligned as hydrogen sensing probe. Finally,a hydrogen sensor with double light path compensation is assembled with two same probes. This multilayer transmission structure effectively take advantage of rapid response and little interface stress with substrate of nanoparticles, makes up for the shortage of weak scattering effect by a spot of nanoparticles. It improves comprehensively the performance of sensors and provides new methods and theoretical basis for exploration and development of high quality hydrogen sensors.

为了克服传统薄膜型光纤氢气传感器灵敏度低、响应速度慢、重复性差的缺点，本项目提出了一种全新的基于纳米颗粒膜的多层透射式光纤氢气传感器。首先利用磁控溅射法在基底材料上制备附着有PdY纳米合金颗粒的复合感氢材料，然后将多片PdY合金纳米颗粒膜等间距叠放在一起作为多层透射式氢气探头，最后将两个同样的氢气探头组成带双光路补偿的光纤氢气传感器。这种多层透射结构有效地利用了纳米颗粒感氢速度快，与基底材料界面应力小等优点，弥补了少量纳米颗粒散射作用效果差的缺点，全面提高了氢气传感器的性能，为高性能氢气传感器的研究和开发提供了新的方法和理论基础。

氢气传感器在氢气浓度监测和泄漏检测中发挥着重要作用，是安全性研究的基础。本项目针对现有钯基薄膜氢气传感器中普遍存在的可靠性差，响应速度慢、灵敏度低等问题展开研究工作，以钯基纳米膜为敏感材料，以多层薄膜叠排的透射式结构为检测方法，提出了一种全新的光纤氢气传感器，不仅彻底地解决传统传感器中可靠性差的问题，还有效解决了响应速度与灵敏度的设计耦合问题，第一次实现了传感器的按需设计，为光纤氢气传感器的薄膜设计理论和系列化设计方法奠定了基础。通过三年的项目执行，在新型纳米颗粒气敏薄膜材料及制备、纳米材料气体检测原理与方法、气敏薄膜设计理论及方法、钯基氢敏材料老化现象、机理与延寿等科学问题上取得一系列原创性研究成果，达到了预期研究目标。研究成果为纳米颗粒膜光纤氢气传感器的基础研究开辟了新的方向，同时也为其实用化提供了详细的设计理论支撑。