基于鈀基合金薄膜的光纖氫氣傳感器建模分析與實驗研究.pdf

1、隨著工業(yè)化的發(fā)展,氫氣傳感器在國防、軍事及民用中均表現(xiàn)出強烈的需求。但是目前的各種氫氣傳感器都還存在著這樣或者那樣的缺點,無法滿足各種實際需求。光纖傳感器以其特有高安全性和高抗干擾性成為氫氣傳感器領域中最具應用前景的一類傳感器。本論文針對光纖氫氣傳感器的研究現(xiàn)狀以及存在的問題,主要以鈀基薄膜反射式光纖氫氣傳感器為對象,在傳感器機理、傳感器關鍵技術、高重復性氫氣傳感器樣機研制、快速型氫氣傳感器樣機研制等方面進行了以下研究:
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2、)提出了基于光學矩陣的薄膜反射模型。該模型解決了薄膜折射率、薄膜厚度、基底材料折射率、入射光波波長等因素對薄膜反射率的影響。
　　(2)提出了鈀基合金薄膜中氫原子擴散模型。該模型建立了薄膜中氫原子濃度與擴散時間、薄膜厚度等因素的關系。通過仿真分析得出傳感器的響應時間與薄膜厚度的平方呈正比。
　　(3)基于對現(xiàn)有薄膜微觀實驗現(xiàn)象的觀察,提出了用于解釋薄膜失效的氫氣泡模型。該模型闡明了脫層高度,薄膜折射率、薄膜厚度、基底材料折射

3、率、入射光波波長等因素對傳感器重復性的影響。
　　(4)建立了光纖束的反射耦合模型,通過仿真計算研究了發(fā)送光纖芯徑,接收光纖芯徑,反射距離,光纖數(shù)值孔徑等參數(shù)對薄膜反射率的影響。討論了適合光纖氫氣傳感器的最佳反射距離。
　　(5)為了提高氫氣傳感器的精度,本文分析了光電二極管工作原理,設計了基于T型網(wǎng)絡的前置放大電路,減小了輸出偏置電壓。采用小波變換方法設計了基于Matlab的濾波程序,有效地消除噪聲的影響,提高了傳感器的信

4、噪比。
　　(6)在對鈀基薄膜型傳感器失效機理深入分析的基礎上,首次闡明了摻雜抑制破裂的原理。并以密度泛函理論作為工具,提出了面向氫氣傳感器的鈀基合金摻雜方法。通過該方法設計了高重復性的PdY合金薄膜材料并制作了傳感器樣機。樣機試驗結果表明,鈀釔合金薄膜的確能夠提高傳感器的重復性。同時,實驗還表明,新制薄膜的通氫老化處理有利于提高傳感器的重復性。老化后的傳感器零點漂移和氫氣點漂移均小于0.2％,具有較好的實用價值。
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