本發(fā)明屬于氣體檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光學(xué)氫氣檢測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)：

在當(dāng)今社會(huì)不斷發(fā)展的過程中，不可再生的傳統(tǒng)化石能源儲(chǔ)備已經(jīng)日漸枯竭，且由此產(chǎn)生的各種環(huán)境污染和溫室效應(yīng)也成為了當(dāng)今國內(nèi)及國際社會(huì)重點(diǎn)討論的問題。在此大背景下尋求可靠的清潔能源已經(jīng)迫在眉睫。在眾多的新能源中，氫氣作為一種清潔、高效、易得的新能源受到了廣泛的關(guān)注。眾多學(xué)者注重于研究氫氣的制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸，寄希望研究出基于氫能的新能源運(yùn)輸設(shè)備、工業(yè)生產(chǎn)圣杯等。但氫氣具有分子量小、極易燃燒、爆炸濃度范圍廣、無色無味等特點(diǎn)。泄露后難以察覺，極易引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，因此大大限制了氫氣能源的實(shí)際運(yùn)用。因此需要可靠的檢測(cè)裝置對(duì)環(huán)境和管道內(nèi)的氫氣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

目前氫氣檢測(cè)方面的研究主要建立在以下幾種機(jī)理之上：(1)電化學(xué)檢測(cè)：許多金屬、氧化物材料在氫氣的作用下會(huì)產(chǎn)生物理化學(xué)性質(zhì)的改變，導(dǎo)致阻抗的變化，基于此機(jī)理的檢測(cè)器通過測(cè)量電流、電壓、阻抗信號(hào)的變化來檢測(cè)周圍的氫氣；(2)光信號(hào)檢測(cè)：該方法主要是建立在光纖信號(hào)檢測(cè)基礎(chǔ)之上，在光纖的側(cè)壁或截面上修飾具有氫氣敏感特性的材料，在與氫氣接觸后會(huì)導(dǎo)致光纖內(nèi)部傳輸信號(hào)的變化；(3)機(jī)械變化檢測(cè)：該方法建立在鉑、鈀等貴金屬在與氫氣接觸后產(chǎn)生明顯的體積膨脹，由此產(chǎn)生力學(xué)變化或機(jī)械形變。電化學(xué)的檢測(cè)方法會(huì)使易燃的氫氣與電氣系統(tǒng)直接接觸，容易產(chǎn)生安全隱患。而傳統(tǒng)的光信號(hào)檢測(cè)需要復(fù)雜的信號(hào)發(fā)生和接收裝置。而機(jī)械形變又較為微弱，如今使用這種方式的測(cè)量基本建立在微懸臂、表面波等復(fù)雜的裝置上。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種安全性好、結(jié)構(gòu)簡單，可對(duì)氫氣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的基于卷曲薄膜的氫氣檢測(cè)裝置及方法。

本發(fā)明提供的基于卷曲薄膜的氫氣檢測(cè)裝置，由光源、檢測(cè)設(shè)備、光信號(hào)采集設(shè)備組成；而其中檢測(cè)設(shè)備由檢測(cè)腔和基于透明卷曲薄膜陣列的檢測(cè)組件構(gòu)成。利用卷曲薄膜最內(nèi)層金屬層在氫氣分為種產(chǎn)生的體積膨脹效應(yīng)，引起卷曲薄膜從卷曲態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠秸箲B(tài)，使光信號(hào)采集設(shè)備接收到的光信號(hào)發(fā)生明顯變化，由此實(shí)現(xiàn)基于光探測(cè)和機(jī)械形變的安全氫氣檢測(cè)方法。

本發(fā)明提供的基于卷曲薄膜的氫氣檢測(cè)裝置，包括：

（1）光源，其用于發(fā)射光信號(hào)，其可以為普通光源，單色光源，激光源；

（2）檢測(cè)設(shè)備，包括檢測(cè)腔和檢測(cè)組件，檢測(cè)組件位于檢測(cè)腔內(nèi)；

（3）光信號(hào)采集設(shè)備，其用于采集透射光信號(hào)，得到光強(qiáng)、透射率或吸收率數(shù)據(jù)。

所述光源位于所述檢測(cè)設(shè)備一側(cè)，所述光源的光線透過所述檢測(cè)設(shè)備照射到所述光信號(hào)采集設(shè)備；所述光信號(hào)采集設(shè)備收集透射光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)、透射率或吸收率數(shù)據(jù)。

本發(fā)明中，檢測(cè)設(shè)備中的檢測(cè)組件為透明卷曲薄膜陣列結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明中，透明卷曲薄膜陣列結(jié)構(gòu)，采用如下制備方法得到：

（1）清洗基片；

（2）在基片上光刻圖形陣列；

（3）使用薄膜沉積方法在基片上沉積具有內(nèi)應(yīng)力的金屬薄膜；

（4）使用薄膜沉積方法在基片上沉積具有氫氣體積膨脹效應(yīng)的金屬薄膜；

（5）選擇性腐蝕光刻膠得到透明卷曲薄膜陣列結(jié)構(gòu)。

步驟（1）中，所用的基片為玻璃片或石英片的其中一種。

步驟（3）中，所用的具有內(nèi)應(yīng)力的金屬為鈦、鉻、鐵、鈷、鎳、銅、鋁的單一組分，或是這些金屬中的幾種構(gòu)成的多層金屬薄膜。

步驟（4）中，所用的具有氫氣體積膨脹效應(yīng)的金屬為鉑、鈀的單一組分，或是含有這些金屬組分的合金。

步驟（3）-（4）中，所用的薄膜沉積方法可以是熱蒸發(fā)沉積、電子束蒸發(fā)沉積、激光脈沖沉積或磁控濺射。

步驟（3）-（4）中，所述金屬薄膜的厚度為10-200納米。

本發(fā)明中，基于卷曲薄膜的氫氣檢測(cè)裝置，還包括與光信號(hào)采集設(shè)備相連的響應(yīng)閾值判別組件，以及與響應(yīng)閾值判別組件連接的報(bào)警器。

本發(fā)明中，基于卷曲薄膜的氫氣檢測(cè)裝置，還包括與光信號(hào)采集設(shè)備相連的可視化顯示裝置，遠(yuǎn)程傳輸裝置，遠(yuǎn)程控制裝置。

本發(fā)明提供的基于卷曲薄膜的氫氣檢測(cè)方法，具體步驟如下：

（1）向所述的檢測(cè)腔內(nèi)通入待測(cè)氣體；

（2）所述光源照射所述檢測(cè)設(shè)備到達(dá)所述光信號(hào)采集設(shè)備，所述光信號(hào)采集設(shè)備采集光信號(hào)數(shù)據(jù)；

（3）所述光信號(hào)數(shù)據(jù)在所屬光信號(hào)采集設(shè)備處理后輸出光強(qiáng)、透射率或吸收率數(shù)據(jù)，通過可視化顯示裝置輸出數(shù)據(jù)；

（4）通過比對(duì)顯示裝置輸出數(shù)據(jù)的變化與否可以確定待測(cè)氣體內(nèi)是否含有氫氣組分。

本發(fā)明中，氫氣檢測(cè)方法還包括：

步驟（5）將光信號(hào)變化量與所述響應(yīng)閾值判別組件的安全變化閾值相比對(duì)，由此確定是否輸出報(bào)警信號(hào)。

本發(fā)明提供的基于卷曲薄膜的氫氣檢測(cè)裝置，其具體工作過程及原理如下：

所述光源置于由所述檢測(cè)腔和所述檢測(cè)組件構(gòu)成的所述檢測(cè)設(shè)備的一側(cè)，所屬光源照射到所述檢測(cè)組件上，透射穿過含有待測(cè)氣體的檢測(cè)腔和與待測(cè)氣體接觸的所述檢測(cè)組件；另一端由所述光信號(hào)采集設(shè)備獲取透射光信息，測(cè)量得到如光強(qiáng)、透射率、吸收率的數(shù)據(jù)。

當(dāng)待測(cè)氣體內(nèi)不含有氫氣組分時(shí)，所述基于透明卷曲薄膜陣列的檢測(cè)組件其上的金屬薄膜保持卷曲態(tài)，光線穿過透明基底照射到所述光信號(hào)采集設(shè)備上，由此輸出較高光強(qiáng)、透射率和較低的吸收率。

當(dāng)待測(cè)氣體內(nèi)含有氫氣組分時(shí)，所述基于透明卷曲薄膜陣列的檢測(cè)組件其上的金屬薄膜由卷曲態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠秸箲B(tài)，遮擋住了透明基底，光線無法穿過所述檢測(cè)組件到達(dá)所述光信號(hào)采集設(shè)備上，由此輸出較低光強(qiáng)、透射率和較高的吸收率。

所述檢測(cè)腔可以與管道相連或讓檢測(cè)元件暴露于環(huán)境中，當(dāng)管道內(nèi)或周圍環(huán)境內(nèi)發(fā)生氫氣泄漏時(shí)，檢測(cè)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生上述變化，輸出的光強(qiáng)、透射率和吸收率信號(hào)會(huì)產(chǎn)生明顯變化，由此通過信號(hào)變化向工作人員警示氫氣泄漏。

有益效果：本發(fā)明提供的基于卷曲薄膜的氫氣檢測(cè)裝置及方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氫氣的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。與傳統(tǒng)的電學(xué)檢測(cè)裝置相比，本發(fā)明的氫氣檢測(cè)裝置沒有與氫氣的直接電學(xué)接觸，因而在氫氣環(huán)境中有著較高的安全性。本發(fā)明所提供的氫氣檢測(cè)裝置無需復(fù)雜的光源系統(tǒng)和光信號(hào)采集系統(tǒng)，且檢測(cè)設(shè)備的制備方法較為簡單，可進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，且成本較低，因此有著實(shí)際應(yīng)用意義。

本發(fā)明的獨(dú)創(chuàng)性在于利用卷曲薄膜內(nèi)層金屬在氫氣環(huán)境中才產(chǎn)生的體積膨脹，實(shí)現(xiàn)卷曲薄膜由卷曲態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠秸箲B(tài)。通過與光源和光信號(hào)采集設(shè)備相結(jié)合，透明基底上的大規(guī)模卷曲薄膜陣列在氫氣環(huán)境中產(chǎn)生的機(jī)械形變可以借由光信號(hào)采集設(shè)備收集到的光強(qiáng)、透射率和吸收率反映出來，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明制備例提供的基于透明卷曲薄膜陣列檢測(cè)組件的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，(a)為通入氫氣前，(b)為通入氫氣后。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于卷曲薄膜的氫氣檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于卷曲薄膜的氫氣檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標(biāo)號(hào)：1-透明基片；2-具有內(nèi)應(yīng)力的金屬薄膜；3-具有氫氣體積膨脹效應(yīng)的金屬薄膜。4-待測(cè)氣體進(jìn)氣口；5-待測(cè)氣體出氣口；6-檢測(cè)腔；7-檢測(cè)組件。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖，以鈦、鉻雙層金屬薄膜-鈀金屬薄膜組成的卷曲薄膜為例詳細(xì)說明其制備方法及效果。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不作為對(duì)本發(fā)明內(nèi)容的限制。

“基于透明卷曲薄膜陣列的檢測(cè)組件的制備”

（1）取1cm×1cm的石英片作為基片，用丙酮、乙醇、去離子水依次進(jìn)行超聲清洗十分鐘，在氮?dú)饬髦懈稍铩?/p>

（2）使用中國鑫有研公司的kw-4a型勻膠機(jī)在基片表面旋圖一層光刻膠。光刻膠型號(hào)為德國allresist公司的ar-p3510t正性光刻膠。低轉(zhuǎn)速為600rpm，旋轉(zhuǎn)時(shí)間為6s；高轉(zhuǎn)速為3000rpm，旋轉(zhuǎn)時(shí)間為30s。然后置于電熱板上在100℃下前烘60s。使用德國suss公司的ma6紫外光刻機(jī)光刻總尺寸為6mm×6mm半圓形陣列，每一個(gè)半圓形圖形的直徑為75μm。將光刻后的基片浸沒于蘇州瑞紅電子化學(xué)品有限公司rzx-3038型正膠顯影液中22s后用去離子水清洗，經(jīng)氮?dú)饬鞲稍锖蟮玫桨雸A形的光刻基片。

（3）使用深圳天星達(dá)公司tsv700型電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)進(jìn)行金屬薄膜的電子束蒸發(fā)沉積。將基片傾斜固定于樣品架上，使得蒸發(fā)材料傾斜沉積于基片上，傾斜角度為60°。首先蒸發(fā)具有內(nèi)應(yīng)力的金屬薄膜：以1?/s的速率沉積10nm鈦金屬，再以1?/s的速率沉積10nm鉻金屬。然后蒸發(fā)具有氫氣體積膨脹效應(yīng)的金屬薄膜：以1?/s的速率沉積100nm鈀金屬。

（4）使用美國tousimis公司的autosamdri-815bseriesb型超臨界干燥儀進(jìn)行犧牲層的選擇性腐蝕。將樣品放置于超臨界干燥儀的腔體內(nèi)，然后向腔體內(nèi)倒入適量丙酮溶解光刻膠之后進(jìn)行超臨界干燥。待干燥程序結(jié)束后取出樣品，得到由鈦、鉻、鈀金屬薄膜體系組成的卷曲薄膜。

如此，完成基于透明卷曲薄膜陣列的檢測(cè)組件的制備(圖1(a))。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供一種基于卷曲薄膜的氫氣檢測(cè)裝置，如圖2所示。其中光源為普通白色燈光光源，檢測(cè)腔為透明亞克力盒，其上端和下端各開一口連接管道作為待測(cè)氣體的進(jìn)氣口和出氣口。檢測(cè)腔內(nèi)固定有按制備例1制備的檢測(cè)組件。光信號(hào)采集設(shè)備為紫外可見分光光度計(jì)，用以采集檢測(cè)組件的透射率數(shù)據(jù)。紫外可見分光光度計(jì)被設(shè)定為實(shí)時(shí)采集檢測(cè)組件在580nm波長光線下的透射率。

將純氮?dú)庾鳛榇郎y(cè)氣體以100sccm的流速通入檢測(cè)腔內(nèi)時(shí)，光信號(hào)采集設(shè)備采集到的透射率為38%。當(dāng)把待測(cè)氣體更換為含有4%氫氣的氮?dú)饣旌蠚怏w時(shí)，透射率5s內(nèi)減小至5%。當(dāng)更換回純氮?dú)夂螅干渎试?0s后恢復(fù)到38%。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供一種基于卷曲薄膜的氫氣檢測(cè)裝置，如圖3所示。其中光源為普通白色led光源，檢測(cè)腔為透明亞克力盒，其上端和下端各開一口連接管道作為待測(cè)氣體的進(jìn)氣口和出氣口。檢測(cè)腔內(nèi)固定有按制備例1制備的檢測(cè)組件。光信號(hào)采集設(shè)備為一光電二極管，其阻值會(huì)隨照射到表面的光強(qiáng)強(qiáng)弱產(chǎn)生變化。響應(yīng)閾值判定組件為一電壓比較數(shù)字電路，參比電壓由一電位器控制，該數(shù)字電路與光信號(hào)采集設(shè)備相連。當(dāng)光電二極管電壓高于電位器電壓時(shí)輸出高電平。響應(yīng)閾值判定組件的輸出與具有信號(hào)保持功能的報(bào)警器相連。

將純氮?dú)庾鳛榇郎y(cè)氣體以100sccm的流速通入檢測(cè)腔內(nèi)時(shí)，光電二極管表面光照強(qiáng)度較高，因此電阻較小，電壓低于參比電壓，響應(yīng)閾值判定組件輸出低電平不觸發(fā)報(bào)警器。當(dāng)把待測(cè)氣體更換為含有4%氫氣的氮?dú)饣旌蠚怏w時(shí)，光電二極管表面光照強(qiáng)度較低，因此電阻較高，電壓高于參比電壓，響應(yīng)閾值判定組件輸出高電平，觸發(fā)報(bào)警器。當(dāng)更換回純氮?dú)夂?，?bào)警器依舊處于觸發(fā)狀態(tài)，直到工人確認(rèn)泄露處理完畢重置報(bào)警器后回復(fù)初始狀態(tài)。