基于MgTiV-PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置转让专利
申请号 : CN202010050253.5
文献号 : CN111257286B
文献日 : 2021-06-04
发明人 : 代吉祥 , 邱书畅 , 李梓瑞 , 王勇 , 王海宁 , 李溢 , 杨明红
申请人 : 武汉理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种MgTiV‑PdCu复合薄膜,包括:敏感层、催化剂层,其特征在于:所述敏感层上方设置有催化剂层,所述敏感层采用MgTiV薄膜,其含量为Mg原子含量为50 90%,Ti原子含量为5~
25%,V原子含量为5 25%,所述催化剂层采用PdCu薄膜,其含量为Pd原子含量为60 80%,Cu~ ~ ~
原子含量为20 40%,所述百分比均为原子比。
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2.一种基于MgTiV‑PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置,包括:传感探头,其特征在于,可见光光源输出的光信号通过光纤分路器的两端中的一端输入,从光纤分路器的单端传输至传感探头,返回的光从光纤分路器两端中的另一端传输到光敏电阻转换为电压信号,电压信号发送给控制与显示模块,所述控制与显示模块用于将电压信号转换为氢气浓度,并显示氢气浓度;所述传感探头包括多模光纤,多模光纤端部涂有氢气敏感薄膜,所述氢气敏感薄膜采用权利要求1所述的MgTiV‑PdCu复合薄膜;
还包括蜂鸣器和LED灯,所述蜂鸣器和LED灯分别与控制与显示模块相连接,用于当氢气浓度超过阈值时,LED亮起,蜂鸣器响起实现声光报警。
3.根据权利要求2所述的基于MgTiV‑PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置,其特征在于:还包括带孔钢管,所述带孔钢管套接在多模光纤自由端,带孔钢管的端部通过环氧树脂密封。
4.根据权利要求2所述的基于MgTiV‑PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置,其特征在于:还包括网络模块,所述网络模块与控制与显示模块相连接,网络模块用于将氢气报警信息通过网络发送给上位机。
5.根据权利要求2所述的基于MgTiV‑PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置,其特征在于:所述可见光光源采用中心波长为670nm的红光激光光源或650nm激光二极管光源,光源功率范围为1 600毫瓦。
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6.根据权利要求2所述的基于MgTiV‑PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置,其特征在于:所述多模光纤采用弯曲不敏感多模光纤。
7.根据权利要求4所述的基于MgTiV‑PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置,其特征在于:所述网络模块采用ESP8266WIFI模块。
8.根据权利要求2所述的基于MgTiV‑PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置,其特征在于:控制与显示模块采用STM32F103ZET6处理器与LCD屏幕相连接。
9.根据权利要求2所述的基于MgTiV‑PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置,其特征在于:所述氢气敏感薄膜采用磁控溅射法沉积在多模光纤端面。
说明书 :
基于MgTiV‑PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置
技术领域
背景技术
染,可再生,效率高等优点,被当作下一代重要的清洁能源和化工原料。然而,氢气分子小,
容易泄露,且化学性质活泼,在空气中浓度达到4% 75%遇明火就会产生爆炸,造成巨大的损
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失。所以,一个低成本,便携式,能在一个浓度范围准确报警的小型氢气报警器在氢能源的
生产和储存过程中对我们监测氢气浓度,预防爆炸事故的发生有重要的意义。
度过高,且电化学传感器对氢气的选择性较差,可能会出现误判的情况,因此传统的电化学
传感器难以在氢气的生产、运输和储存中起到安全可靠报警的作用。光纤氢气传感器将氢
气浓度信号通过特定的氢气敏感材料转换成光信号,再对光信号进行处理,所以具有安全
性好、抗电磁干扰、耐腐蚀及体积小等优点,是实现氢气泄露安全预警的理想方案。目前光
纤氢气传感器主要分为微镜型、消逝场型、干涉型、布拉格光栅型氢气传感器等,这些传感
系统成本较高和体积较大,在抗弯曲和振动方面还存在不足之处,严重阻碍这些传感器氢
能源相关领域的应用。
发明内容
基于MgTiV‑PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置。
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子含量为5 25%,所述催化剂层采用PdCu薄膜,其含量为Pd原子含量为60 80%,Cu原子含量
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为20 40%。
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探头,返回的光从光纤分路器两端中的另一端传输到光敏电阻转换为电压信号,电压信号
发送给控制与显示模块,所述控制与显示模块用于将电压信号转换为氢气浓度,并显示氢
气浓度;所述传感探头包括多模光纤,多模光纤端部涂有氢气敏感薄膜,所述氢气敏感薄膜
采用权利要求1所述的MgTiV‑PdCu复合薄膜。
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网进行多点监测报警,同时光电转换模块采用光敏电阻,光源部分采用可见激光光源大幅
节约成本。同时光路传输部分,采用新型抗弯曲光纤制备光纤耦合器和传感探头,极大地提
高光纤氢气传感器的抗干扰能力。其优点如下:
电阻,相对于基于通信波段光源和光纤光栅解调模块传感系统具有明显的成本优势,并且
精度更高,具有成本低和安全可靠等优点,适合用于氢气生产和使用过程中的监测与报警;
同时传统的光强调制型光纤氢气传感器,难以多点分布式组网,而本发明的氢气报警装置
可以放置多个在生产车间运输设备中,并且利用ESP8266WIFI模块发送设备状态到网上进
行统一管理。
附图说明
感薄膜,3‑3‑1为MgTiV薄膜,3‑3‑2为PdCu催化薄膜,3‑4为弯曲不敏感多模光纤。
具体实施方式
ESP8266WIFI模块6,网络终端7;其中,可见光光源1输出的光信号通过光纤分路器2的两端
中的一端输入,从光纤分路器2的单端传输至传感探头,返回的光从光纤分路器2两端中的
另一端传输到光敏电阻4转换为电压信号,电压信号在控制与显示模块5中转换为当前电压
值和氢气浓度显示,并通过ESP8266WIFI模块6将系统实时的状态发送到网络终端7;所述的
传感探头3包括带孔钢管3‑2起保护探头的作用,带孔钢管3‑2内设有1根多模光纤3‑4,且端
部涂有氢气敏感薄膜3‑3;带孔钢管3‑2的端部通过环氧树脂3‑1密封。
上了一个蜂鸣器和LED灯,当氢气浓度超过阈值时,LED亮起,蜂鸣器响起实现声光报警,并
同时将报警信息上传到网上,方便记录和查看。
部多模光纤3‑4端面的氢气敏感薄膜3‑3将一部分可见光光源发出的光反射回来,反射的光
从光纤分路器2两端中的另一端传输到光敏电阻4转换为电压信号。由于氢气敏感薄膜3‑3
的反射率受到所处环境氢气的影响,在不同浓度的氢气下,氢气敏感薄膜的反射率会发生
改变,从而改变到达光敏电阻的光强,光强改变后光敏电阻两端电压值也随之发生改变,最
后电压强度和氢气浓度直接存在一定对应关系,通过标定之后我们便可以根据电压值的强
度来得出氢气浓度,设定电压阈值之后便可以实现报警功能。
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可见光光源相连,输入端能量较低的一端与光敏电阻的相连。
端的电压改变,我们通过ADC模块将光敏电阻两端电压值量化成数字电压,同时每3次取一
次平均输出到LCD屏幕上即时的显示,提高我们系统的稳定性和准确性,同时硬件设计上也
加入了电容来滤除杂波;我们通过USART模块,实时的将单片机的状态通过串口发送到
ESP8266WIFI模块6中,以达到联网组网的目的;经过标定后我们可以将当前的电压值转换
为对应的氢气浓度值,当氢气浓度值超过一定的阈值时,我们便触发报警程序,微型处理器
使能蜂鸣器和LED灯,触发声光报警,并且将报警状态发送到网上。
薄膜作为保护层和催化剂。上述MgTiV‑PdCu复合薄膜中,MgTiV对氢气十分敏感且有较好的
选择性和稳定性,保证了装置能精准报警,减少误报;PdCu起着催化剂的作用,可以将氢气
分子变成氢原子加快反应的进行,保证了检测装置的灵敏度。
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量为50 90%,Ti原子含量为5 25%,V原子含量为5 25%;催化剂层PdCu中Pd原子含量为60
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80%,Cu原子含量为20 40%,所述百分比均为原子比。
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的厚度为20 40nm之间。
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原子比大约为76:24,该薄膜成分符合预期设计组分。
度变化有较大的变化量和较快的响应速度,可以实现在氢气生产和运输过程中准确的监控
和报警,并且方便组网,可以实现多点,多区域的测量和统一管理与维护。
响;探头部分采用MgTiV‑PdCu复合薄膜作为氢气敏感材料,保证了敏感薄膜的稳定性和选
择性;670nm激光光源作为传感光源,1个光敏电阻作为感光元件,STM32芯片作为电压采集
和数据传输模块,可以避免采用成本较高的红外光源和光纤光栅解调模块,极大地降低了
系统成本;同时该装置体积小,ESP8266WIFI模块作为联网模块,利用Internet+WIFI进行快
速组网,也克服了传统微镜型光纤传感器难以组网多点监测的缺点。实验结果表明该装置
可以快速准确地在一个较宽的氢气浓度范围内实现报警的功能;所以该基于MgTiV‑PdCu复
合薄膜的小型氢气联网报警装置在氢能源汽车、氢能源发电设施等氢气储存与运输设施中
有着广泛的应用前景。