基于表面等离子体共振理论的光纤氢气传感器的研究

《基于表面等离子体共振理论的光纤氢气传感器的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、ResearchonOpticalFiberHydrogenSensorBasedonSurfacePlasmonResonanceTheoryAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByWangXingangSupervisedbyProf.TangYikeSpecialty:MechanicalDesignandTheoryCollegeofMec

2、hanicalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaOctober2013中文摘要摘要氢能作为一种高效、无污染的可再生能源吸引了越来越多的关注，但氢气是易泄漏的、易燃的、易爆的，在空气中氢气的爆炸下限为4%。因此，制备用于实时在线检测的氢气传感器是特别重要的。与其它类型的氢气传感器相比，光纤氢气传感器具有小型化、耐腐蚀、抗电磁干扰的优点，而且能够在潜在爆炸的危险环境中操作使用，是用于氢泄漏检测非常有前途的装置。与传统的气体检测技术相比，表面等离子体共振（Surfa

3、cePlasmonResonance，SPR）技术具有灵敏度高的优点，光纤SPR技术提供了一种安全、可靠和高灵敏度的传感技术，可用于易燃或爆炸性气体的远程测量。论文的主要研究工作可概括如下：综述了光纤氢气传感器和氢敏薄膜的国内外研究状况，总结了各种类型光纤氢气传感器和氢敏薄膜的特点，提出了光纤SPR氢气传感器的研究内容。从麦克斯韦方程组和物质方程出发，推导了在吸收介质中和发生全反射时在透明介质中的渐逝波的电场表达式，以及由渐逝波激发的沿金属和介质界面传播的表面等离子体波的电磁场表达式。根据电磁场边界条件和反射定律及折射定

4、律，推导了单层薄膜和多层薄膜的反射率公式。探讨了SPR发生的条件和激发方式。建立了光纤SPR氢气传感器的数学模型，根据光线理论在平面光学框架内推导出了光纤SPR传感器的归一化输出功率表达式。研究了光纤的结构参数、各层膜类型和厚度、传感区域长度对SPR曲线的影响，在综合考虑灵敏度、信噪比、响应时间和共振深度以及SPR曲线形状的前提下设计了一个基于波长调制的光纤SPR氢气传感器（传感层为35纳米银/100纳米二氧化硅/180纳米三氧化钨/3纳米铂，传感区域长度10毫米），通过测量共振波长可实现氢气浓度的检测；并建立了双通道光

5、纤SPR传感器的数学模型，推导出了双通道光纤SPR传感器的归一化输出功率表达式，设计了一个双通道光纤SPR氢气传感器。仿真结果表明设计的双通道传感器可以在一套设备下通过测量每个通道的共振波长实现两个不同区域的氢气浓度的同时检测。仿真结果证实合适的调节层可以增加共振峰的共振深度。研究了在32℃左右不同配比下氢氟酸腐蚀光纤的腐蚀速率。对纤芯表面多层薄膜的磁控溅射制备工艺进行了研究，调整了磁控溅射镀膜机在不同靶材下的校正系数，并对Si基薄膜的断面形貌进行了分析。通过实验制备了光纤渐逝场氢气传感器以及光纤SPR氢气传感器样品，对

6、它们的传感性能进行了测试，标定了强度反射率变化量及共振波长漂移量与氢气浓度的关系曲线，并对实验结果进行了分析，指出了实验结果与理论相差的原因和I重庆大学博士学位论文提出了改进措施。最后，给出了一些结论和总结了几个创新点，提出了进一步研究的方向和设想。关键词：光纤氢气传感器，表面等离子体共振，氢敏薄膜，波长调制，磁控溅射II英文摘要ABSTRACTHydrogenenergyasanefficientandnon-pollutingrenewableenergyisattractingmoreandmoreattentio

7、n,buthydrogeniseasy-to-leakage,flammableandexplosive,thelowerexplosionlimitofhydrogenis4%inair.Therefore,thepreparationofahydrogensensorforreal-timeonlinedetectionisespeciallyimportant.Comparedwithothertypesofhydrogensensor,anopticalfiberhydrogensensorisamoreprom

8、isingdeviceforhydrogenleakdetectionduetoitsminiaturizationanditsresistancetocorrosionandelectromagneticinterference,aswellasitsabilitytooperateinpotentiallyexp