基于多膜层的微透镜型光纤氢气传感器研究

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1、基于多膜层的微透镜型光纤氢气传感器研究1绪论1.1引言人们的日常生活和生产都要使用能源，能源在自然界中以多种形式存在，主要包括矿物质能源、核物质能源、大气能源（例如可燃性气体)、地理环境能源（如潮沙能、势能）等。以往，人们大都只注重能源的经济价值，进行粗放型的开采和利用，却在很大程度上忽略了能源本身对于环境污染、生命安全以及资源的可再生利用上的一系列问题。因此，近些年来国际社会普遍都在寻找新型的、清洁的、安全的可再生能源，希望借此来缓解世界各国面临或者即将面临的能源短缺和环境污染问题。氢气作为一种燃烧热能高、清洁无污染的可再生能源被广泛应用到了燃料、化工、医疗卫生等诸多领

2、域。氢气燃烧后生成水，不会产生其它的污染物质，清洁型好，不会污染环境；氢气在燃烧时会放出大量的热能量，热能性较高，是一种高效的清洁燃料；氢气的分子量为2，氢元素在自然界中是质量最轻的元素，且资源储存量大，再生性、可开采性强，可以持续使用。虽然氢能源与其他类型的能源相比具有以上诸多的优势，但是它在生产、运输、储存和使用方面，却也存在着很大的安全隐患，因为氢气是一种易燃易爆的可燃性气体，当它在空气中的体积浓度达到4%-5.6%左右的范围时，遇到明火、静电等情况就极易发生爆炸，图（1-1)显示了氧气爆炸事故现场。现实生产生活中，由于氢气泄露引发的火灾和爆炸事故屡见不鲜，2011

3、年3月，位于日本福岛的第一核电站因为发电设备出现氧气泄露而引发爆炸事故，对当时的工业生产产生了很大的影响。除此之外，氢气是一种质量非常轻的气体，分子量小，在气体中是分子量最小的，极易发生泄露。所以，如何在生产、储存、运输和使用过程中，对氢气泄露进行及时的监测和预警就显得极为重要。因此，各式各样的氢气传感器也伴随着氢气的广泛使用而逐渐发展起来，氢气传感器的研究和发展，对涉及氣能源使用的生产、生活领域具有十分重要的意义。.......1.2光纤氢气传感器概述光纤气体传感器凭借着光纤在信号传输中的独特优势，在传感领域异军突起，脱颖而出，成为了各类传感器研究领域中的热门课题，得到

4、了国内外研究人员的广泛研究。随着科技的不断发展，各类检测技术不断完善，各种类型的传感器、传感元件的发展逐渐趋向于信息化、小型化、安全化、智能化，工业生产也要求它们具有较高准确度、灵敏度、较强适应性和较高的安全性。而伴随着信息、光通信以及光纤技术的快速发展，光纤传感技术也成为传感领域中重要的一份子。自1965年光纤传感器的概念被首次提出以来，光纤传感技术在近几十年得到了较为快速的发展，尤其是近年来，越来越多的领域都在寻找传统传感器的代替品，而光纤无疑给他们提供了一个具有较好的发展前景的良好选择。各类光纤传感器的基本工作原理是光信号通过光源进入光波导内传播，当因为外界因素的影

5、响（如应力、温度变化、折射率变化等）使得需要测量的参量与光纤内的光信号相互作用后，会改变在光纤内部传输的光波的光学性质（如光信号的频率、信号强度、相位、偏振态等)，只要对这些变化关系进行研究和分析，就会找出需要测量的外界参量与光源信号参数变化量之间的关系，从而能够间接地利用这种关系，来制作传感器进行检测。现如今，人们研究的光纤传感器类型，主要包括功能型和传光型两种类型。传光型的光纤传感器结构简单，它没有直接将光纤作为传感元件，而只是将光纤作为传输光信号的通道，为了保证完整的功能，还需要在光纤上连接其他的传感元件，严格意义上说，这种传感系统不以光纤为传感元件，不具备全光系统

6、的优势。而功能型的光纤传感器则是将光纤本身作为传感器元件，利用光纤制成传感元件，并利用传感元件的某些特殊性质，完成传感功能，众所周知，光纤具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、体积小、易集成等许多优点，这就使得这种类型的传感技术越来越受到人们的青睐和重视，也引来了人们越来越多的研究，这种类型的光纤传感器主要包括以下几种类型[3]:光纤光栅型传感器、光纤温度传感器、光纤气体传感器、光纤应力传感器等。.....2微透镜型光纤氢气传感器的理论基础2.1光信号在光纤中的传输理论光是一种电磁波，满足电磁波在介质中的传输特征，光纤则是光信号传输的波导介质，光信号在光纤中传输，满足麦克斯韦方

7、程的一般理论[15]，光信号在光纤中传播主要特性参数有：（1)电磁场的分布特征，（2)光波的偏振特性和色散特性，（3)模式理论和模式锅合理论，（4)衰减特性和相移特性等。而光信号的传输过程中，伴随着信号的时延、色散、衰减等现象，若通过对这些特性及参数进行优化设计并进行检测就可以得到光纤传感器的传感检测基本原理。因为文中使用的光纤都是均匀光波导，所以，在此只需要研究光信号在均匀光波导中的传输理论。均匀光波导是正规光波导的一种，即折射率沿纵向和横向都呈均匀分布的光波导，只在边界处有折射率的突变。除此之外，光纤中还可能存在福射模，福