反射式光纤束氢气传感器的.研究与实现

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1、独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采

2、用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日I华中科技大学博士学位论文1绪论1.1课题来源与研究背景1.1.1课题的来源本课题得到了下列科研项目的资助：1）国家自然科学基金“基于钯氢传感机理的反射式光纤束氢气传感器”（编号：50974062）2）湖北省自然科学重点基金“强度调制型光纤智能传感器研究”（编号：2008CDA017）3）湖北省科技攻关项目“基于窄带光谱吸收的嵌入式光纤气体传感器”（编号：2007A

3、A101C02）4）湖北省杰出青年基金项目“基于网络环境的智能传感器理论及技术研究”（编号：2005ABB007）5）中船七一八所合作研发项目“光纤氢气传感器”。1.1.2课题的研究背景目前，世界上的环境和能源问题一直困扰着人类。而能源短缺促使不断寻求传统能源——煤、石油、天然气的替代品；同时，环境污染和全球变暖则要求新的能源无污染更加安全清洁。氢气作为一种无污染的新的清洁能源，已经广泛应用于航天航空的火箭发射、军事燃料电池、石油提炼、金属焊接、低温冷却和各种化学成份的合成等领域。在工业生产过程中，有大量的氢气产生或者氢气的泄漏，特别是通风不良或者密闭的环

4、境中，当氢气在密闭的空间中积累到一定的浓度值，可能会对人的生命构成极大的威胁。在密闭的环境中，如在潜艇和火箭内，人员、武器装备、机器设备高度集中，由于人体排出物、燃料的挥发，空间有限等等一系列因素，会排放出大量的污染物。当排出气体的浓度超过一定限度后就会对艇员身体带来一定的伤害，甚至威胁到他们的生命，随着新型动力的采用，潜艇续航能力大大增强，潜艇环境的污染已经成为限制[1]提高续航能力的重要因素之一。为此，在密闭环境中，实时对有毒有害、易燃易爆气体成分的监测就显得特别的1华中科技大学博士学位论文重要。当这些气体达到危险浓度时监测装置要发出警报，以便及时采用

5、相应的措施，避免事故的发生。对有毒有害、易燃易爆气体的实时监测对于人类生命的安全具有非常重大的意义。有关氢气研究内容包括氢气生产、贮存和运输、氢燃料电池和氢气的安全性。其中氢气的安全性就是指氢气在开发和使用中为确保人身财产安全而采取的措施，氢气的传感检测在确保氢气安全性措施中至关重要。众所周知，氢分子最小，最轻，无论[2]是固态还是液态的氢都非常易挥发、易燃、易爆。当氢气泄漏到空气中达到4%~74.5%时，在室温和标准大气压下，空气就变得易燃，从而也极易导致空气爆炸。因此，研制能探测氢气爆炸下限范围内的浓度变化的氢气传感器就显得尤为重要。1984年的切尔诺

6、贝利事件就是由于氢泄漏而导致了第二次爆炸，最终产生了一场空前的灾难。为此，研究一种安全、可靠、灵敏度高的氢气浓度检测用传感器就具有十分重要的意义。常用的气体检测传感器的种类非常多。按气敏材料和气敏特性进行分类，一般有[3][4]如下的几种：高分子式气体传感器、固体电解质式气体传感器、电化学式气体传感[5]器、接触燃烧式气体传感器、半导体式气体传感器、光学式气体传感器等。迄今为止，传统的基于电特性工作原理的氢气传感器已经被研制出来，并且在各个领域中中都发挥了极其重大的作用，但是电式气体传感器的致命弱点，在使用的时候极有可能会产生电火花而爆炸；同时此类传感器存

7、在容易老化和中毒的现象，严重影响了传感器的使用寿命。因此光纤气体传感器的研究和开发必然成为气体传感器的研究热点，必定为社会产生巨大的社会和经济效益。1.2氢气传感器的研究现状1.2.1光纤氢气传感器的特点和分类⑴光纤传感基本原理和特点光纤传感所独具的优点使其在气体传感领域的应用越来越广泛。光纤传感的含义是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。光纤传感技术具备的特点使其成为近年来国际上发展最

8、快的高科技应用技术。目前光纤传感器已占据传感技术领域30%以上的产