一种氢气浓度检测装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种氢气浓度检测装置，包括氢气浓度传感器、光源、光纤束、第一光电转换器、第二光电转换器、第一数据采集器、第二数据采集器及数据处理器；所述氢气浓度传感器包括外壳及两个纳米颗粒薄膜；所述光源用于向所述第一散射腔及所述第二散射腔发射激光光束。本发明专利技术提出的技术方案的有益效果是：散射腔结构可以使激光光束在第一散射腔和第二散射腔的内壁上发生多次散射，极大提高光学器件与大面积氢敏薄膜的耦合效率；采用双光路和双散射腔补偿结构可消除温度漂移；采用纳米颗粒薄膜作为氢敏材料，有效消除钯在吸氢后相变膨胀导致的薄膜脱落，且增大了敏感材料的比表面积，提高了氢气浓度检测响应速度及灵敏度。高了氢气浓度检测响应速度及灵敏度。高了氢气浓度检测响应速度及灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种氢气浓度检测装置


[0001]本专利技术涉及氢气检测
，尤其是涉及一种氢气浓度检测装置。

技术介绍

[0002]氢气作为一种气体燃料，具有资源储存量大、燃烧热值高和污染少的特点。氢气也是一种重要的化工原料，在航空航天、燃料电池汽车、金属冶炼和化工合成领域都有着广泛的应用。氢气是一种质量非常轻的气体，分子量小，在气体中是分子量最小的，极易发生泄露，当它在空气中的体积浓度达到4%
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75.6%左右的范围时，遇到明火、静电等情况就极易发生爆炸。因此,对氢气的检测非常重要。传统的检测氢气传感器是基于电化学反应原理，由于化学反应的重复性和稳定性较差，信号的检测采用电信号，而采用电信号就很容易产生电火花，电信号容易受电磁干扰，因而导致传统的氢气传感器的精确度、安全性都不能满足氢气检测的需要。因此,开发一种安全可靠的氢气传感器已成为迫切的需要。
[0003]由于金属钯对于氢气的唯一选择性，目前光纤氢气传感器多采用钯及其复合材料作为氢敏元件，但是现有的光纤传感器（例如专利CN209802982U）中的氢敏材料难以实现大面积的耦合，使得传感器的灵敏度与响应速度之间存在着相互制约的关系，通过增加耦合敏感膜层的厚度以提高灵敏度会导致氢原子扩散距离延长而增加响应饱和时间；而反之如采用超薄膜以提高扩散速度则会因敏感材料的耦合量少、性质变化总量微弱而难以实现检测精度提高。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，有必要提供一种氢气浓度检测装置，用以解决现有的光学氢气传感器中的光纤器件与氢敏薄膜耦合效率低而导致响应速度慢、灵敏度低的技术问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种氢气浓度检测装置，包括氢气浓度传感器、光源、光纤束、第一光电转换器、第二光电转换器、第一数据采集器、第二数据采集器及数据处理器；所述氢气浓度传感器包括外壳及两个纳米颗粒薄膜，所述外壳内具有第一散射腔及密闭的第二散射腔，所述外壳上开设有与所述第一散射腔连通的微透气孔，所述微透气孔用于供待检测的气体通过，所述第二散射腔封闭、与外界环境气体隔离，两个所述纳米颗粒薄膜分别敷设于所述第一散射腔及所述第二散射腔的内壁上，两个所述纳米颗粒薄膜为同一材质，且包括多个纳米颗粒，各个所述纳米颗粒均包括一个核体及一个壳层，所述核体的材料为金且为立方体形，所述壳层为球形并包覆于对应的所述核体上，所述壳层由钯制成；所述光源用于向所述第一散射腔及所述第二散射腔发射激光光束；所述光纤束用于所述光源发射激光光束的发送，以及所述第一散射腔内和第二散射腔出射的激光光束的接收；所述第一光电转换器用于接收所述第一散射腔内经多次散射后出射的激光光束、
并将激光光束的光信号转换为第一电信号；所述第二光电转换器用于接收所述第二散射腔内经多次散射后出射的激光光束、并将激光光束的光信号转换为第二电信号；所述第一数据采集器用于接收第一光电转换器发出的第一电信号，并将接收到的电信号进行信号放大得到第一放大信号；所述第二数据采集器用于接收第二光电转换器发出的第二电信号，并将接收到的电信号进行信号放大得到第二放大信号；所述数据处理器用于根据所述第一放大信号及所述第二放大信号，得到所述待检测气体中的氢气浓度。
[0006]在一些实施例中，所述核体的边长为40nm。
[0007]在一些实施例中，所述壳层的厚度为4
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22nm。
[0008]在一些实施例中，所述第一散射腔及所述第二散射腔的内壁上采用硫酸钡及特氟龙作为内壁涂层材料。
[0009]在一些实施例中，所述氢气浓度传感器还包括第一发射探头及第二发射探头，所述第一发射探头及所述第二发射探头均固定于所述外壳上，所述第一发射探头的输入端与所述光源连接，所述第一发射探头的输出端与所述第一散射腔连接，所述第二发射探头的输入端与所述光源连接，所述第二发射探头的输出端与所述第二散射腔连接。
[0010]在一些实施例中，所述光纤束为Y型光纤束，所述Y型光纤束的输入端与所述光源连接，所述Y型光纤束的两个输出端分别与所述第一发射探头的输入端及所述第二发射探头的输入端连接。
[0011]在一些实施例中，所述第一散射腔及所述第二散射腔的形状为正六棱柱形、长方形及圆柱形中的一者。
[0012]在一些实施例中，所述第一数据采集器包括第一信号放大器，所述第一信号放大器的输入端与所述第一光电转换器连接，并用于对所述第一光电转换器输出的第一电信号进行放大，所述第一信号放大器的输出端与所述数据处理器连接。
[0013]在一些实施例中，所述第二数据采集器包括第二信号放大器，所述第二信号放大器的输入端与所述第二光电转换器连接，并用于对所述第二光电转换器输出的第二电信号进行放大，所述第二信号放大器的输出端与所述数据处理器连接。
[0014]在一些实施例中，所述数据处理器的输入端与所述第一数据采集器及所述第二数据采集器连接，通过差分算法计算得到待测氢气浓度。
[0015]与现有技术相比，本专利技术提出的技术方案的有益效果是：在使用时，通过光源向所述第一散射腔及所述第二散射腔发射激光光束，待检测的气体通过微透气孔进入第一散射腔内，待检测气体中的氢气被第一散射腔内壁上敷设的纳米颗粒薄膜吸收后，纳米颗粒薄膜中的壳层膨胀，使得第一散射腔内的激光光束在第一散射腔内壁上多次反射的过程中，散射光光强发生改变，而第二散射腔封闭不与外界接触，因此，可通过对比第一散射腔和第二散射腔出射的激光光束的光强差异，得到待检测的气体中的氢气浓度。从而本专利技术提出的技术方案的有益效果是：散射腔结构可以使激光光束在第一散射腔和第二散射腔的内壁上发生多次散射，极大提高光学器件与大面积氢敏薄膜的耦合效率；采用双光路和双散射腔补偿结构可消除温度漂移；采用纳米颗粒薄膜作为氢敏材料，有效消除钯在吸氢后相变
膨胀导致的薄膜脱落，且增大了敏感材料的比表面积，提高了氢气浓度检测响应速度及灵敏度。
附图说明
[0016]图1是本专利技术提供的氢气浓度检测装置的一实施例的结构示意图；图2是图1中的氢气浓度传感器的立体结构示意图；图3是图2中的氢气浓度传感器的剖面结构示意图；图4是纳米颗粒薄膜的制备过程示意图；图5为接收探头光亮度变化量的仿真图；图中：1
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氢气浓度传感器、11
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外壳、111
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第一散射腔、1111
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微透气孔、112
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第二散射腔、12
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纳米颗粒薄膜、13
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第一发射探头、14
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第二发射探头、15
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第一接收探头、16
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第二接收探头、17
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内壁涂层材料、2
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光源、3
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第一光电转换器、4
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第二光电转换器、5
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数据处理器、6
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光纤束、7
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第一数据采集器、8
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第二数据采集器。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢气浓度检测装置，其特征在于，包括氢气浓度传感器、光源、光纤束、第一光电转换器、第二光电转换器、第一数据采集器、第二数据采集器及数据处理器；所述氢气浓度传感器包括外壳及两个纳米颗粒薄膜，所述外壳内具有第一散射腔及密闭的第二散射腔，所述外壳上开设有与所述第一散射腔连通的微透气孔，所述微透气孔用于供待检测的气体通过，所述第二散射腔封闭、与外界环境气体隔离，两个所述纳米颗粒薄膜分别敷设于所述第一散射腔及所述第二散射腔的内壁上，两个所述纳米颗粒薄膜为同一材质，且包括多个纳米颗粒，各个所述纳米颗粒均包括一个核体及一个壳层，所述核体的材料为金且为立方体形，所述壳层为球形并包覆于对应的所述核体上，所述壳层由钯制成；所述光源用于向所述第一散射腔及所述第二散射腔发射激光光束；所述光纤束用于所述光源发射激光光束的发送，以及所述第一散射腔内和第二散射腔出射的激光光束的接收；所述第一光电转换器用于接收所述第一散射腔内经多次散射后出射的激光光束、并将激光光束的光信号转换为第一电信号；所述第二光电转换器用于接收所述第二散射腔内经多次散射后出射的激光光束、并将激光光束的光信号转换为第二电信号；所述第一数据采集器用于接收第一光电转换器发出的第一电信号，并将接收到的电信号进行信号放大得到第一放大信号；所述第二数据采集器用于接收第二光电转换器发出的第二电信号，并将接收到的电信号进行信号放大得到第二放大信号；所述数据处理器用于根据所述第一放大信号及所述第二放大信号，得到所述待检测气体中的氢气浓度。2.根据权利要求1所述的氢气浓度检测装置，其特征在于，所述核体的边长为40nm。3.根据权利要求1所述的氢气浓度检测装置，其特征在于，所述壳层的厚度为4
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22nm。4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋涵，王照辉，贺子青，姚恩龙，刘繄，王博一，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：