氫氣濃度和溫度一體化測量傳感器探頭的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明是氫氣濃度和溫度一體化測量傳感器探頭制備方法，利用Pt表面修飾摻雜WO3氫氣敏感材料與傳感光柵結(jié)合制備氫氣傳感器探頭；利用不含催化劑摻雜WO3與參考光柵結(jié)合制備溫度傳感器探頭，并對傳感光柵進(jìn)行溫度補償。該發(fā)明利用Pt表面修飾WO3作為氫氣敏感材料，通過在WO3中進(jìn)行摻雜SiO2改性，增強了氫氣敏感材料的使用壽命；利用SiO2槽作為氫氣敏感材料的載體，可以有效防止氫氣敏感材料的脫落。在傳感光柵和參考光柵外套毛細(xì)管進(jìn)一步保護(hù)，并且傳感光柵和參考光柵固定在SiO2基板上，保證光柵溫度系數(shù)的線性度，能夠同時測量氫氣濃度和環(huán)境溫度。同時設(shè)計了傳感探頭的一體化封裝結(jié)構(gòu)，確保了傳感探頭的可靠性和穩(wěn)定性，該發(fā)明具有重要應(yīng)用價值。
【專利說明】氫氣濃度和溫度一體化測量傳感器探頭的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)，材料科學(xué)以及光電子技術(shù)的交叉領(lǐng)域，涉及到功能材料制備和光電檢測技術(shù)，具體涉及到Pt表面修飾摻雜WO3氫氣敏感材料的制備工藝和光纖光柵氫氣傳感器探頭的封裝方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著環(huán)境污染的加劇和傳統(tǒng)能源的消耗，人類對清潔能源的需求顯得尤為迫切。氫氣是一種重要的清潔能源和化工原料，在航空航天、燃料電池、金屬冶煉、化工合成有著廣泛的應(yīng)用。由于氫氣具有最小的分子，很容易泄漏，任何與氫氣制備、儲存、運輸和使用相關(guān)的設(shè)施都有可能發(fā)生氫氣泄漏，進(jìn)而有可能導(dǎo)致爆炸事故。一些特殊設(shè)施也會產(chǎn)生一定量的氫氣，如:潛艇中鉛蓄電池在充放電過程中產(chǎn)生氫氣；核燃料存放設(shè)施中由于放射性材料的裂變會產(chǎn)生一定量氫氣；核反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)中由于高溫導(dǎo)致水分解也會產(chǎn)生氫氣，安全地監(jiān)測氫氣濃度在這些領(lǐng)域顯得尤為重要。傳統(tǒng)的電化學(xué)氫氣傳感器采用電信號作為檢測信號，難以滿足本質(zhì)安全的要求。光纖光柵氫氣傳感器具有本質(zhì)安全、抗電磁干擾和分布式檢測能力，在氫氣泄漏和氫氣濃度監(jiān)測方面具有重要的應(yīng)用前景。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種氫氣濃度和溫度一體化測量傳感器探頭的制備方法，所制備的探頭主要用于在空氣中監(jiān)測氫氣泄漏或氫氣濃度，同時可以監(jiān)測環(huán)境溫度。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案:
[0005]本發(fā)明提供的氫氣濃度和溫度一體化測量傳感器探頭，是由氫氣傳感器探頭和溫度傳感器探頭通過一體化封裝而成，其中:氫氣傳感器探頭是利用Pt表面修飾摻雜WO3氫氣敏感材料與傳感光柵結(jié)合而成，S12槽作為氫氣敏感材料載體；溫度傳感器探頭是利用不含催化劑摻雜WO3與參考光柵結(jié)合而成，并對傳感光柵進(jìn)行溫度補償。
[0006]所述的Pt表面修飾摻雜WO3氫氣敏感材料，其中WO3的摻雜成分為S12, Pt作為催化劑，三種成分共同構(gòu)成氫氣敏感材料，該氫氣敏感材料中的硅鎢原子比的范圍為1:30?1:2，鉬鎢原子比的范圍為1:20?1:2。
[0007]本發(fā)明提供的氫氣濃度和溫度一體化測量傳感器探頭的制備方法，其包括氫氣傳感器探頭的制備、溫度傳感器探頭的制備和將這兩種探頭一體化的制備步驟，
[0008](I)氫氣傳感器探頭的制備:
[0009]該探頭利用氫氣敏感材料與傳感光柵結(jié)合而成，所述氫氣敏感材料為Pt表面修飾摻雜W03，WO3中摻雜成分為S12, Pt作為催化劑，三種成分共同構(gòu)成氫氣敏感材料；
[0010](2)溫度傳感器探頭的制備:
[0011]該探頭利用不含催化劑摻雜WO3與參考光柵結(jié)合而成；
[0012](3)所述兩種探頭一體化的制備:
[0013]先將傳感光柵和參考光柵分別鍍Cr保護(hù)膜，再套S12毛細(xì)管保護(hù)，然后用環(huán)氧樹脂將傳感光柵和參考光柵固定在凹形S12基板上，凹形S12基板作為傳感光柵和參考光柵的載體，并使傳感光柵和參考光柵柵區(qū)處于懸空狀態(tài)。
[0014]上述步驟(I)中，所述氫氣敏感材料涂覆在傳感光柵柵區(qū)對應(yīng)的載體中，所使用載體為S12槽，S12槽的長度為10-16mm ;參考光柵柵區(qū)可以涂覆不含催化劑的摻雜WO3進(jìn)行溫度補償。
[0015]上述步驟(3)中，可以將固定好的光柵及凹形S12基板固定在不銹鋼支撐架和不銹鋼絲網(wǎng)外套組成的封裝結(jié)構(gòu)中，光柵兩端光纖和不銹鋼絲網(wǎng)外套通過螺釘和壓條固定在不銹鋼支撐架上。
[0016]所述不銹鋼支撐架底部中間為中空結(jié)構(gòu)，并且由不銹鋼絲網(wǎng)固定底部，光柵及凹形S12基板固定在不銹鋼支撐架上。
[0017]所述不銹鋼支撐架由鋁合金、陶瓷或玻璃鋼支撐架替代。
[0018]上述步驟(I)中，所述氫氣敏感材料，其中氫氣敏感材料中的硅鎢原子比在1:30到1:2之間，鉬鎢原子比在1:20到1:2之間。
[0019]上述步驟(3)中，所述凹形基板和毛細(xì)管的成分為S12，該成分與光纖的主要成分—致。
[0020]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下主要的優(yōu)點:
[0021]本發(fā)明所述的氫氣敏感材料:采用摻雜的WO3作為氫氣敏感材料，Pt作為催化劑。在WO3晶相中引入的成分為S12,可以提聞WO3的物相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進(jìn)而提聞傳感探頭的使用壽命。采用不含催化劑的摻雜WO3與參考光柵結(jié)合，可以有效防止氣體流動的干擾，實現(xiàn)環(huán)境溫度準(zhǔn)確測量。
[0022]本發(fā)明的傳感光柵和參考光柵表面濺射Cr作為保護(hù)膜，能夠有效阻礙空氣中水分子的滲入，提高光柵的穩(wěn)定性，傳感光柵和參考光柵外面套S12毛細(xì)管保護(hù)，可以進(jìn)一步增強光柵耐久性。
[0023]本發(fā)明氫氣敏感材料與傳感光柵的固定，米用S12槽作為載體,可以有效防止敏感材料的脫落，提高傳感探頭的穩(wěn)定性；參考光柵采用同樣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，并涂覆不含催化劑的摻雜WO3，可以減小外界應(yīng)力和溫度對傳感器測量精度的影響，提高測量精度。
[0024]本發(fā)明中的封裝結(jié)構(gòu)，采用不銹鋼支撐架和不銹鋼絲網(wǎng)外套組合而成，不銹鋼支撐架保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，不銹鋼絲網(wǎng)外套有利于氫氣的擴散，兩者結(jié)合保證了探頭的可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明的傳感器探頭涂覆氫氣敏感材料前的俯視圖；
[0026]圖2為本發(fā)明的傳感器探頭涂覆氫氣敏感材料后的俯視圖
[0027]圖3為本發(fā)明的傳感器探頭涂覆氫氣敏感材料后的側(cè)視圖
[0028]圖4為圖1中傳感器探頭外套封裝結(jié)構(gòu)的各部件示意圖。
[0029]圖5為本發(fā)明的氫氣濃度和溫度一體化測量傳感器探頭封裝后的示意圖。
[0030]圖6為圖5中傳感器重復(fù)性測試實驗數(shù)據(jù)圖。
[0031]圖中:1.凹形S12基板；2.傳感光柵；3.第一 5102槽；4.第二 S12槽；5.參考光柵；6.第三S12槽；7.S12毛細(xì)管；8.環(huán)氧樹脂；9.聚合物保護(hù)套；10.氫氣敏感材料；11.十字螺釘；12.—字螺釘；13.第一螺紋孔；14.不銹鋼絲網(wǎng)；15.第二螺紋孔；16.不銹鋼支撐架；17.不銹鋼絲網(wǎng)外套；18.壓條。

【具體實施方式】
[0032]本發(fā)明提供的氫氣濃度和溫度一體化測量傳感器探頭使用Pt表面修飾摻雜WO3氫氣敏感材料，通過在WO3中摻雜提高氫氣敏感材料的使用壽命，與傳感光柵結(jié)合制備傳感探頭；利用不含催化劑的摻雜WO3與光纖光柵結(jié)合制備溫度傳感器并對傳感光柵進(jìn)行溫度補償。設(shè)計了傳感探頭的一體化封裝結(jié)構(gòu)，具有較強的實用性，對傳感器的應(yīng)用具有重要意義。
[0033]下面將結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但不限定本發(fā)明。
[0034]本發(fā)明提供的氫氣濃度和溫度一體化測量傳感器探頭的制備方法，包括氫氣傳感器探頭的制備、溫度傳感器探頭的制備和將這兩種探頭一體化的制備步驟。參見圖1和2，氫氣傳感器探頭是利用氫氣敏感材料10與傳感光柵2結(jié)合而成。溫度傳感器探頭是利用不含催化劑摻雜WO3與參考光柵5結(jié)合而成。將氫氣傳感器探頭和溫度傳感器探頭一體化的制備方法是:首先將傳感光柵2和參考光柵5鍍Cr保護(hù)膜，然后套S12毛細(xì)管7保護(hù)。如圖1所示，傳感光柵2和參考光柵5通過環(huán)氧樹脂8固定在凹形S12基板I上，傳感光柵2和參考光柵5的柵區(qū)處于懸空狀態(tài)，兩光柵離凹形S12基板I的高度略高于第一 S12槽3、第三S12槽6的高度。如圖3所示，將第一 S12槽3、第三S12槽6用環(huán)氧樹脂8分別固定在凹形S12基板I上，同時使傳感光柵2和參考光柵5的柵區(qū)分別位于第一 S12槽3、第三S12槽6的槽的中間，從而使填充在第一 S12槽3、第三S12槽6的材料能夠完全包裹光柵柵區(qū)。
[0035]所述氫氣敏感材料10不同于已報道的Pt/W03氫氣敏感材料,其為Pt表面修飾摻雜WO3氫氣敏感材料。WO3中摻雜成分為S12, Pt作為催化劑，三種成分共同構(gòu)成氫氣敏感材料，三者缺一不可。所述氫氣敏感材料中的W03、S12和Pt，三者協(xié)同作用實現(xiàn)氫氣敏感材料的功能，其中的硅鎢原子比在1:30到1:2之間，鉬鎢原子比在1:20到1:2之間。
[0036]在利用不含催化劑摻雜WO3與參考光柵結(jié)合制備溫度傳感器探頭過程中，需要對傳感光柵2進(jìn)行溫度補償。
[0037]利用派射Cr薄膜的傳感光柵2和參考光柵5作為傳感兀件和補償兀件。在傳感光柵2和參考光柵5的下面設(shè)有用環(huán)氧樹脂8分別固定的起承載作用的第一 S12槽3、第三S12槽6，并使傳感光柵2和參考光柵5的柵區(qū)分別位于第一 S12槽3、第三S12槽6的中間。氫氣敏感材料10涂覆在傳感光柵柵區(qū)對應(yīng)的S12槽中，即氫氣敏感材料10涂覆在第一 S12槽3的槽內(nèi)，并將傳感光柵2包覆?？梢杂貌缓呋瘎┑膿诫sWO3涂覆在第三S12槽6槽內(nèi)，并將參考光柵5包覆，通過該方法進(jìn)行溫度和應(yīng)力補償?？梢栽谄鸶綦x傳感光柵和參考光柵作用的第二 S12槽4中，加入環(huán)氧樹脂8固化隔離，以進(jìn)一步提高靈敏度。
[0038]參考光柵5的柵區(qū)涂覆不含催化劑的摻雜WO3測量環(huán)境溫度并對傳感光柵2進(jìn)行溫度補償。固定好的參考光柵5及凹形S12基板I固定在不銹鋼支撐架16和不銹鋼絲網(wǎng)外套17組成的封裝結(jié)構(gòu)中。
[0039]如圖4所示，不銹鋼絲網(wǎng)外套17通過四個十字螺釘11和兩個壓條18固定在不銹鋼支撐架16上，不銹鋼絲網(wǎng)14和不銹鋼絲網(wǎng)外套17的使用可以保證傳感器的響應(yīng)速率。
[0040]如圖2和圖4和所示，將不銹鋼絲網(wǎng)14通過環(huán)氧樹脂8固定在不銹鋼支撐架16底部的上表面，將相關(guān)器件固定在凹形S12基板I后，凹形S12基板I放在不銹鋼絲網(wǎng)14上表面。
[0041]如圖2、圖4和圖5所示，參考光柵6兩端的光纖和不銹鋼絲網(wǎng)外套17通過4個十字螺釘11固定在不銹鋼支撐架16上；光柵的兩端光纖可以通過第二螺紋孔15下面的孔引出，將兩個一字螺釘12固定在不銹鋼支撐架16兩端的第二螺紋孔15中，將光纖表面的聚合物保護(hù)套9壓緊，從而將S12基板I固定在不銹鋼支撐架16上。
[0042]如圖6所不,本發(fā)明的傳感器探頭在一定氫氣濃度范圍內(nèi)(5600?6000ppm)的重復(fù)性測試，橫坐標(biāo)為循環(huán)次數(shù)，縱坐標(biāo)為傳感光柵的波長漂移量。經(jīng)過近600次的重復(fù)性測試，仍然具有較好的重復(fù)性，證明該發(fā)明具有較強的應(yīng)用性。
[0043]所述的傳感光柵2和參考光柵5為濺射了保護(hù)膜的光纖光柵，光柵鍍了 Cr保護(hù)膜后，傳感光柵2和參考光柵5外面套S12毛細(xì)管7進(jìn)一步保護(hù)，S12毛細(xì)管7可以用玻璃毛細(xì)管替代。
[0044]所述的凹形S12基板I和光纖的熱膨脹系數(shù)相近，將光柵固定在凹形S12基板I上可以保證傳感光柵2和參考光柵5溫度系數(shù)的線性度,從而有利于參考光柵5測量環(huán)境溫度，可以對傳感光柵2進(jìn)行精確溫度補償。
[0045]所述的氫氣敏感材料10涂覆在傳感光柵2柵區(qū)所在的S12槽3中，S12槽3的長度在1mm到16mm之間；參考光柵5周圍涂覆不含催化劑的摻雜WO3進(jìn)行溫度補償，以進(jìn)一步提聞傳感探頭靈敏度。
[0046]所述的光柵器件封裝用的封裝結(jié)構(gòu)采用圖2和圖4所示結(jié)構(gòu)，由不銹鋼支撐架16和不銹鋼絲網(wǎng)外套17通過螺釘11和壓條18固定而成，不銹鋼支撐架16底部中間為中空結(jié)構(gòu)，并且有不銹鋼絲網(wǎng)14固定底部，光柵器件固定在不銹鋼絲網(wǎng)14上。該結(jié)構(gòu)可以確保氫氣與氫氣敏感材料的充分接觸，保證傳感探頭的快速響應(yīng)，不銹鋼支撐架16可以采用鋁合金、陶瓷或玻璃鋼支撐架替代。
【權(quán)利要求】
1.一種氫氣濃度和溫度一體化測量傳感器探頭，其特征是由氫氣傳感器探頭和溫度傳感器探頭通過一體化封裝而成，其中:氫氣傳感器探頭是利用Pt表面修飾摻雜WO3氫氣敏感材料與傳感光柵結(jié)合而成，S12槽作為氫氣敏感材料載體；溫度傳感器探頭是利用不含催化劑摻雜WO3與參考光柵結(jié)合而成，并對傳感光柵進(jìn)行溫度補償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫氣濃度和溫度一體化測量傳感器探頭，其特征是所述的Pt表面修飾摻雜WO3氫氣敏感材料，其中WO3的摻雜成分為S12, Pt作為催化劑，三種成分共同構(gòu)成氫氣敏感材料，該氫氣敏感材料中的硅鎢原子比的范圍為1:30?1:2，鉬鎢原子比的范圍為1:20?1:2。
3.一種氫氣濃度和溫度一體化測量傳感器探頭的制備方法，其特征是包括氫氣傳感器探頭的制備、溫度傳感器探頭的制備和將這兩種探頭一體化的制備步驟， (1)氫氣傳感器探頭的制備: 該探頭利用氫氣敏感材料與傳感光柵結(jié)合而成，所述氫氣敏感材料為Pt表面修飾摻雜TO3, WO3中摻雜成分為S12, Pt作為催化劑，三種成分共同構(gòu)成氫氣敏感材料； (2)溫度傳感器探頭的制備: 該探頭利用不含催化劑摻雜WO3與參考光柵結(jié)合而成； (3)所述兩種探頭一體化的制備: 先將傳感光柵和參考光柵分別鍍Cr保護(hù)膜，再套S12毛細(xì)管保護(hù)，然后用環(huán)氧樹脂將傳感光柵和參考光柵分別固定在凹形S12基板上，凹形S12基板作為傳感光柵和參考光柵的載體，并使傳感光柵和參考光柵柵區(qū)處于懸空狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是所述氫氣敏感材料涂覆在傳感光柵柵區(qū)對應(yīng)的載體中，所使用載體為S12槽，S12槽的長度為10-16mm ;參考光柵柵區(qū)可以涂覆不含催化劑的摻雜WO3進(jìn)行溫度補償。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是將固定好的光柵及凹形S12基板固定在不銹鋼支撐架和不銹鋼絲網(wǎng)外套組成的封裝結(jié)構(gòu)中，光柵兩端光纖和不銹鋼絲網(wǎng)外套通過螺釘和壓條固定在不銹鋼支撐架上。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是所述氫氣敏感材料，其中氫氣敏感材料中的硅鎢原子比在1:30到1:2之間，鉬鎢原子比在1:20到1:2之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是所述凹形基板和毛細(xì)管的成分為S12,該成分與光纖的主要成分一致。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征是所述不銹鋼支撐架底部中間為中空結(jié)構(gòu)，并且由不銹鋼絲網(wǎng)固定底部，光柵及凹形S12基板固定在不銹鋼支撐架上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征是所述不銹鋼支撐架由鋁合金、陶瓷或玻璃鋼支撐架替代。
【文檔編號】G01K11/32GK104297154SQ201410610271
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】代吉祥, 朱文杰, 趙飛龍, 楊明紅, 李智, 王高鵬, 祁寵杰, 黃楚佳 申請人:武漢理工大學(xué)