一、引 言
無論是為了預防氫的積累還是要利用氫的場合都需要對氫的含量進行測量和監(jiān)控，而安全、可靠且廉價的氫測量或傳感技術是更廣泛地安全利用氫的必要保障。截至目前，已經(jīng)制成多種非光纖的傳感器并投入使用，這些傳感器在室溫和標準大氣壓下能提供快速而有效的響應，但主要是電化學傳感器，傳感器與系統(tǒng)的連接是通過金屬銅線來完成，這樣，一來增加了載荷的重量、功率的消耗——特別是對于多點檢測，而更重要的是，潛在的電磁干擾和電火花可能會引起災難性的后果。而基于光纖技術的光纖氫傳感器卻能同時滿足安全、實時在線檢測、不干擾被測環(huán)境的要求。 并且，還具有體積小、重量輕、柔韌性好，特別適合于要求載荷輕和安裝空間小的應用場合的特點；另外，光纖還能抗化學腐蝕和惡劣的環(huán)境溫度、無電磁干擾等，適合于遠程大規(guī)模多點復用檢測。 光纖氫傳感器工作原理可以參閱相關文獻。
二、幾種典型的光纖氫傳感器的性能分析
（一）干涉型光纖氫傳感器
眾所周知，金屬鈀（Pd）在低分壓氫氣環(huán)境中吸收氫氣產(chǎn)生伸長效應。若將金屬鈀蒸鍍于某一段光纖上，那么伸長效應會造成光纖的徑向及軸向應變，以鍍鈀光纖作為M-Z干涉儀的信號臂，檢測出光的相位變化即可間接得到氫氣濃度。 可探測的氫濃度為20 Pa～200Pa，其檢測原理如圖1所示。
圖1 干涉型光纖氫傳感器的檢測原理圖
干涉型光纖氫傳感器已有幾十年的發(fā)展歷史，理論上講，這種傳感器具有很高的靈敏度。 而且，這種傳感器顯示了很好的可重復使用性，連續(xù)使用的積累誤差小，響應的上升和下降時間較短，它的靈敏度可以通過控制信號臂的長度得到控制。但是，基于這一原理的裝置需要電驅動來產(chǎn)生干涉條件，這樣就不再具備全光系統(tǒng)的優(yōu)點，因為沒有被廣泛應用。另外，這種傳感器結構復雜而且受溫度的影響較大，使傳感器的準確度明顯降低。
（二）漸逝場型光纖氫傳感器
其探頭結構如圖2所示。
圖2 漸逝場型光纖氫傳感器的探頭結構
漸逝場型光纖氫傳感器是一種新型的光纖氫傳感器。這種傳感器利用金屬覆層中漸逝場的變化來檢測氫氣的濃度。將光纖的包層削掉，鍍上一層氫敏感膜，當光通過光纖時在其周圍產(chǎn)生漸逝場。漸逝波是一個沿傳播方向的行波， 它的振幅在傳播方向按指數(shù)形式衰減， 其穿透深度為：
式中
是電磁波中的波矢大小，n2是氫敏感膜的折射率，其值隨濃度而變化。一般用鈀或鈀、鎢的氧化物作為傳感介質。其中，鈀起催化劑的作用。純的WO3在溫度高于400℃時才與氫發(fā)生反應，但在有金屬催化劑（如鈀）的情況下即使在室溫也能反應。
其特性如下：
1．傳感器的再生能力
在惰性氣體中再生能力很弱，而當再暴露于空氣中時，光能迅速增加，說明氧氣的存在有助于增強傳感器的再生能力。將傳感器反復暴露于N2和空氣環(huán)境中可觀察到該類傳感器好的再生性。
2．靈敏度特性
在干或濕的環(huán)境中，光能幾乎沒有變化，說明靈敏度不受濕度影響。但響應速率和恢復速率變慢。而且，暴露于含1%H2的空氣中靈敏度比暴露于1%N2的H2中下降了40%。
3．濕度特性
濕度對恢復速率的影響較大，在潮濕空氣中的恢復速率是在干燥空氣中的約10倍。在室溫下、干燥空氣中，傳感器需要幾個小時才能恢復最初的性能。因此，在膜的制作中水的量的控制非常關鍵。
4．溫度特性
靈敏度和響應速度均隨周圍溫度的下降而下降，但光能變化不大。另外，在500℃時煅燒傳感器揭露了這類傳感器具有極好的溫度特性。
這種傳感器的靈敏度和響應速度均較高，且溫度性能較好，可在室溫附近大的溫度范圍內(nèi)使用。另外，傳統(tǒng)的傳感器只能測量某一點或某幾點處的氫氣濃度，而利用漸逝波吸收的光纖氫傳感器可纏繞在大的容器或管道上使用，對三維空間進行測量。
（三）微透鏡型光纖氫傳感器
在單模或多模光纖端面上蒸鍍一層鈀膜，鈀膜厚度為10 mm～50 mm。傳感器探頭結構原理如圖3所示。
圖3 微透鏡型光纖氫傳感器結構原理圖
注入光纖的光在輸出端面上產(chǎn)生反射，當把傳感器暴露于氫氣中時，鈀與氫反應引起鈀膜折射率的變化，從而使光強度發(fā)生變化。折射率變化的大小與氫濃度有關，通過檢測光強度變化可以確定氫的濃度。其特性如下：
1．靈敏度
這種傳感器能探測空氣中1%的氫，且響應時間不大于10s。在不大于20o范圍內(nèi)改變?nèi)肷浣牵憫蛔儭Ｔ诘蜐舛鹊臍錃庵袝r，響應與響應時間隨氫氣濃度的變化均有明顯的變化、可對氫氣進行精確測量。當濃度高于2%時，響應隨濃度的增加變化不大。而響應時間隨氫氣濃度的增加而減小，在濃度值接近相變時響應時間較長。AlainTrouuillet等設計了一種純Pd膜微透鏡型微量氫氣測試儀器，將氫敏感的光纖探頭放入一個保護套管中并用膠固定。這種光纖氫氣傳感測試裝置已經(jīng)安裝在ARIANE V型火箭發(fā)動機上，實驗數(shù)據(jù)表明：當氫氣濃度為15%，溫度為20℃～100℃時,響應時間在10s之內(nèi),如果濃度低于15%，溫度低于70o，則響應時間小于10s。
2．再生能力
將傳感器交替置于純N2中和含4%H2的中N2，可以觀察到傳感器的響應和響應時間在寬的溫度范圍內(nèi)（-196～23℃）有較好的再生能力。但隨使用時間的加長，響應有減小的趨勢，而響應時間有增大的趨勢。
3．溫度
在含4%H2的N2中，相變發(fā)生在36℃附近。在75℃時傳感器工作于α相，響應時間很短但靈敏度較小；在-45℃時傳感器工作于β相，響應時間較大、但靈敏度達到最大值。實驗結果表明相變轉換取決于溫度和濃度兩個因素，另外，要想傳感器工作于α相獲得高的響應速度、在濃度一定時應增加鈀膜的溫度。這一結論與裝置工作于低溫時不符，故應對鈀膜局部加熱使得在任何環(huán)境溫度下，都能獲得小的響應時間。
4．厚度
鈀膜是傳感器中最關鍵的部分，膜的厚度對響應時間和靈敏度都有影響。對各種厚度的膜（<200mm）的實驗表明，厚的膜比薄的膜的響應時間要長，這是因為達到相同濃度的吸收，厚的膜需要的氫的量大，增大了吸氫反應的時間。但厚膜的靈敏度較高。所以，應根據(jù)具體要求來選擇適當厚度的膜。
這種傳感器是目前發(fā)展較為完善的一種光纖氫傳感器。其制作工藝相對簡單、信號提取與處理簡單而且價格便宜，具有較高的靈敏度和快的響應速度。但這種傳感器復用能力有限，需用光轉換器來實現(xiàn)傳感器之間切換，不適合對三維空間進行測量。
（四）基于布喇格光柵型光纖氫傳感器
光纖布喇格光柵型傳感器（FBGS）結構簡單，可通過紫外線照射制作在纖芯上。FBGS有一個單模光纖的纖芯，光纖的折射率沿這段光纖周期性地變化。類似于一個窄帶濾波器、反射回與布喇格光柵波長具有相同波長的光。光柵的布喇格波長。其中，neff為光纖的等效折射率，∧為光柵周期。
當鍍有鈀膜的光纖布喇格光柵暴露于氫氣中時，鈀與氫反應生成鈀的氫化物。PdHx密度較小使得鈀膜膨脹產(chǎn)生張力，這一張力可以通過比較FBG的發(fā)射譜和反射譜確定。鈀膜膨脹還使得光纖拉伸，從而引起光柵周期∧與折射率變化。由于張力的大小由氫氣濃度決定， 故布喇格波長的變化量與氫氣濃度有關，從而通過布喇格波長可以確定該處氫氣濃度的大小。其特性為：
1．靈敏度
該傳感器適合低濃度氫的測量，當氫氣濃度在0.3%～1.8%，布喇格波長隨氫氣濃度線性變化，靈敏度為nm/1%H2.氫氣濃度高于1.8%時靈敏度降低，且鈀層易出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。
2．溫度特性
當環(huán)境溫度變化時，鈀膜高的膨脹率和收縮率使得光柵拉伸或收縮，導致光柵周期和有效折射率的變化當在氫氣濃度一定時，在20℃和布喇格波長為829.73nm，布喇格波長隨溫度的變化為5.53×10-3nm/℃。
傳感器的響應分別受氫氣濃度和環(huán)境溫度的影響。加大鈀膜的厚度或者減小柵格的大小可獲得高的靈敏度，但是，這將提高傳感器的溫度靈敏度，而且，柵格小于30μm～40μm時光纖易碎，不實用。
FBGS具有其他光纖傳感器所具有的所有優(yōu)點，另外，在一根光纖上可復用多個FBGS。目前，文獻中涉及的此類傳感器多用來測張力或溫度，可用在橋梁、道路、船舶等建筑物中測量內(nèi)部各點的張力。基于布喇格光柵的化學光纖傳感器也得到較大的發(fā)展，這種傳感器具有內(nèi)在基準、可復用性好、無電信號、體積小、輕便等優(yōu)點。但是，由于對波長位移的測量需要較復雜的技術和較昂貴的儀器或光纖器件，而且需要大功率的寬帶光源或波長可調諧光源作為激勵，因此檢測的分辨率和動態(tài)范圍會受到一定限制，使用這種傳感器的成本也會很高。
三、發(fā)展趨勢
氫的應用已經(jīng)擴展到各個領域，制作廉價、輕便、穩(wěn)定、安全的氫傳感器也成了一個迫切需要解決的問題。氫氣應用領域的擴大，給光纖氫傳感器提供了一個廣闊的發(fā)展空間。截至目前，相繼研發(fā)的光纖氫傳感器也較多，在歐洲，一種光纖氫傳感器已成功地應用在火箭發(fā)動機中，NAS的ALangley研究中心與Sanders公司合作完成了單模分布式FBGS傳感器在X-33可重復使用低溫液氫貯箱上的布設，檢測應變和氫濃度。氫氣傳感器的應用領域還擴大到氫氣生產(chǎn)與貯存、氫燃料汽車和食品工業(yè)等，但是這些傳感器在實際使用中不同程度地存在某些缺點，如由于敏感膜的結構原因不能產(chǎn)生線性的氫敏濃度響應，靈敏度不夠高、響應時間長、檢測儀器成本高等，另外有些光纖氫傳感器不能很好地解決溫度、濕度、壓強等的影響，導致無法實用化。因此光纖氫傳感器未來研究的重點和發(fā)展方向為：研究成本底、性能好、使用方便、以及具有好的復用能力的光纖氫傳感器。
四、結束語
隨著激光技術的發(fā)展和對敏感膜材料性能的進一步研究以及工藝制作方面的進步，光纖氫傳感器在光源的選擇、材料的的敏感性和穩(wěn)定性等各方面都將有較大的突破，光纖氫傳感器必將得到更為廣泛的應用。(end)
