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境溫度、無電磁干擾等，適合于遠程大規模多點復用檢測。 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）在低分壓氫氣環境中吸收氫氣產生伸長效應。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生干涉條件，這樣就不再具備全光系統的優點，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使用。另外，傳統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?；蚨嗄９饫w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范圍內改變入射角，響應不變。在低濃度的氫氣中時，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安裝在ARIANE V型火箭發動機上，實驗數據表明：當氫氣濃度為15%，溫度為20℃～100℃時,響應時間在10s之內,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（-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，應根據具體要求來選擇適當厚度的膜。