基于Pt-WO3光纤光栅氢气传感器应用研究
摘要：化石燃料的广泛使用引发了一系列严峻的环境问题，促使全球目光聚焦于高效清洁能源汽车——氢能源汽车的开发与应用。然而，氢气泄漏带来的潜在风险成为其大规模发展的主要技术瓶颈之一。针对这一问题，本文提出了一种基于光纤光栅（FiberBraggGrating，FBG）的氢气传感器。该传感器在0-3.2%氢气浓度范围内实现了高达0.13nm/%的传感灵敏度，并兼具制备简单、易于重现、安全可靠（无火花产生）等显著优势。实验结果表明，该传感器在性能与安全性方面表现出色，有望为氢能源汽车和相关工业领域的商业化应用提供重要的技术支撑。
关键词：氢气检测氢能源汽车光纤
在全球化的背景下，气候变化已成为全人类共同面临的重大挑战。实现“双碳”目标（碳达峰与碳中和），不仅是国际社会的共同承诺，更是推动能源结构转型的重要驱动力[1]。为有效落实“双碳”目标，必须减少对传统化石能源的依赖，并加强对清洁能源的开发和利用。《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》明确了氢能源的战略地位，将其定义为来源广泛、绿色低碳、应用领域广阔的二次能源。基于对中国氢能产业政策的研究，我国已在氢燃料电池堆及其关键材料、动力系统、整车集成和氢能基础设施等核心技术领域取得显著进展，形成了涵盖研发、制备、储运和应用的完整氢能产业链[2]。
氢能源汽车的发展对缓解全球气候变暖问题具有重要意义。然而，氢气作为一种无色无味、易燃易爆的气体，其浓度在4.65%-74.7%范围内极易发生爆炸。因此，实现氢气泄漏的精准检测是氢能源汽车发展过程中亟待解决的关键技术难题之一。最新研究显示，电化学传感器的氢气浓度检测范围可达20%-99.99%[3]。然而，大多数基于电化学传感原理的设备存在使用寿命短、易受环境温湿度影响、电信号易受电磁干扰等缺陷，且在运行过程中可能产生电火花，存在本质安全隐患[3-5]。这些问题可能引发严重事故，造成巨大损失。相比之下，光纤氢气传感器具有电化学传感器无法比拟的优势，例如本质安全（不产生电火花、无需带电工作）、灵敏度高、体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强，同时可实现远距离传输和多点连续实时监测。这些特性使得光纤氢气传感器成为全球氢气传感技术发展的主流方向。
在这项工作中，我们制备了一种基于光纤光栅的氢气传感器，利用其稳定的、实用的特性，在0-3.2%氢气浓度范围内实现了0.13nm/%氢气传感，适用于氢能源汽车中氢气泄露检测。
1光纤光栅（FBG）传感器工作原理
FBG是一种利用光纤材料的光敏性，在光纤纤芯内形成空间相位光栅，使其折射率呈周期性调制的光纤传感器件，其结构如图1所示。
一束宽带光从光纤中入射到光栅时，其内具有周期性折射率分布的结构会对特定波长的窄带光产生布拉格反射，且反射光的中心波长λB=2neff∧。其中，neff为光纤光栅的有效折射率，∧为光栅周期。当FBG受到温度、应变的影响时，会使∧和neff发生变化，从而FBG中心波长的漂移。同时，光弹效应也会引起光栅折射率变化，导致起FBG中心波长的漂移。光纤光栅的波长偏移量与温度和光弹效应的关系为：
式子中，是光纤光栅的中心波长，是光纤光栅波长变化量；是光纤的热膨胀系数；是光纤材料本身的热光系数；是光纤材料本身的光弹系数，是光纤光栅的应变变化量；n是光纤材料的折射率；△T是光纤光栅的温度变化量。[6]
2光纤FBG传感器温度测试实验
为探究光纤光栅传感器的温度响应特性，将光纤FBG传感器固定于热台上进行温度测试。基于FBG传感原理，环境温度的变化会引起其中心波长的偏移。本研究在20℃至80℃的温度范围内，以每5℃为间隔，系统性地记录了FBG中心波长的漂移情况。实验结果表明，如图2（a）所示，随着温度从20℃升高至80℃，FBG中心波长呈现明显的红移现象，这个可以用公式（1）来解释。
进一步对中心波长与温度变化进行线性回归分析，得到拟合曲线方程为：y=1537.30+0.01x，如图2（b）所示。该结果表明，传感器的温度响应灵敏度为0.01nm/℃，且线性度（R2=0.999）极好。
3光纤FBG/铂载三氧化钨（Pt-WO3）传感器氢气测试实验
3.1光纤FBG/铂载三氧化钨传感器氢气响应原理
当三氧化钨（WO3）在铂（Pt）催化剂的辅助下暴露于氢气环境中时，在氧气存在的条件下，会发生如下化学反应：
该反应为放热反应，能够释放一定的热量。基于这一原理，本研究将Pt-WO3纳米粉末负载于光纤光栅表面。当环境中氢气浓度不同时，Pt-WO3催化反应释放的热量也随之变化，从而导致FBG中心波长发生不同程度的偏移。通过检测FBG中心波长的偏移量，可间接实现对氢气浓度的高精度测量。这一方法不仅充分利用了Pt-WO3对氢气的催化反应特性，还结合了FBG