一、引言

　　无论是为了预防氢的积累还是要利用氢的场合都需要对氢的含量进行测量和监控，而安全、可靠且廉价的氢测量或传感技术是更广泛地安全利用氢的必要保障。截至目前CONTROL ENGINEERING China版权所有，已经制成多种非光纤的传感器并投入使用，这些传感器在室温和标准大气压下能提供快速而有效的响应，但主要是电化学传感器，传感器与系统的连接是通过金属铜线来完成，这样，一来增加了载荷的重量、功率的消耗——特别是对于多点检测，而更重要的是，潜在的电磁干扰和电火花可能会引起灾难性的后果。而基于光纤技术的光纤氢传感器却能同时满足安全、实时在线检测、不干扰被测环境的要求。 并且，还具有体积小、重量轻、柔韧性好，特别适合于要求载荷轻和安装空间小的应用场合的特点；另外，光纤还能抗化学腐蚀和恶劣的环境温度、无电磁干扰等，适合于远程大规模多点复用检测。 光纤氢传感器工作原理可以参阅相关文献。

二、几种典型的光纤氢传感器的性能分析

（一）干涉型光纤氢传感器

　　众所周知，金属钯（Pd）在低分压氢气环境中吸收氢气产生伸长效应。若将金属钯蒸镀于某一段光纤上，那么伸长效应会造成光纤的径向及轴向应变，以镀钯光纤作为M

-Z干涉仪的信号臂，检测出光的相位变化即可间接得到氢气浓度。 可探测的氢浓度为20 Pa～200Pa，其检测原理如图1所示。
 

 
图1 干涉型光纤氢传感器的检测原理图

 

　　干涉型光纤氢传感器已有几十年的发展历史，理论上讲，这种传感器具有很高的灵敏度。 而且，这种传感器显示了很好的可重复使用性，连续使用的积累误差小，响应的上升和下降时间较短www.cechina.cn，它的灵敏度可以通过控制信号臂的长度得到控制。但是，基于这一原理的装置需要电驱动来产生干涉条件，这样就不再具备全光系统的优点，因为没有被广泛应用。另外，这种传感器结构复杂而且受温度的影响较大，使传感器的准确度明显降低。

（二）渐逝场型光纤氢传感器

　　其探头结构如图2所示。

 
图2 渐逝场型光纤氢传感器的探头结构

　　渐逝场型光纤氢传感器是一种新型的光纤氢传感器。这种传感器利用金属覆层中渐逝场的变化来检测氢气的浓度。将光纤的包层削掉，镀上一层氢敏感膜，当光通过光纤时在其周围产生渐逝场。渐逝波是一个沿传播方向的行波控制工程网版权所有， 它的振幅在传播方向按指数形式衰减， 其穿透深度为：

 

       式中是电磁波中的波矢大小，n2是氢敏感膜的折射率，其值随浓度而变化。一般用钯或钯、钨的氧化物作为传感介质。其中，钯起催化剂的作用。纯的WO3在温度高于400℃时才与氢发生反应，但在有金属催化剂（如钯）的情况下即使在室温也能反应。 　　

　　其特性如下：

1．传感器的再生能力

　　在惰性气体中再生能力很弱，而当再暴露于空气中时，光能迅速增加，说明氧气的存在有助于增强传感器的再生能力。将传感器反复暴露于N2和空气环境中可观察到该类传感器好的再生性。

2．灵敏度特性

　　在干或湿的环境中控制工程网版权所有，光能几乎没有变化，说明灵敏度不受湿度影响。但响应速率和恢复速率变慢。而且，暴露于含1%H2的空气中灵敏度比暴露于1%N2的H2中下降了40%。

3．湿度特性

　　湿度对恢复速率的影响较大，在潮湿空气中的恢复速率是在干燥空气中的约10倍。在室温下、干燥空气中，传感器需要几个小时才能恢复最初的性能。因此，在膜的制作中水的量的控制非常关键。

4．温度特性

　　灵敏度和响应速度均随周围温度的下降而下降，但光能变化不大。另外，在500℃时煅烧传感器揭露了这类传感器具有极好的温度特性。

　　这种传感器的灵敏度和响应速度均较高，且温度性能较好CONTROL ENGINEERING China版权所有，可在室温附近大的温度范围内使用。另外，传统的传感器只能测量某一点或某几点处的氢气浓度，而利用渐逝波吸收的光纤氢传感器可缠绕在大的容器或管道上使用，对三维空间进行测量。

（三）微透镜型光纤氢传感器

　　在单模或多模光纤端面上蒸镀一层钯膜，钯膜厚度为10 mm～50 mm。传感器探头结构原理如图3所示。

 
图3 微透镜型光纤氢传感器结构原理图

　　注入光纤的光在输出端面上产生反射，当把传感器暴露于氢气中时，钯与氢反应引起钯膜折射率的变化，从而使光强度发生变化。折射率变化的大小与氢浓度有关，通过检测光强度变化可以确定氢的浓度。其特性如下：

1．灵敏度

　　这种传感器能探测空气中1%的氢，且响应时间不大于10s。在不大于20o范围内改变入射角，响应不变。在低浓度的氢气中时，响应与响应时间随氢气浓度的变化均有明显的变化、可对氢气进行精确测量。当浓度高于2%时，响应随浓度的增加变化不大。而响应时间随氢气浓度的增加而减小，在浓度值接近相变时响