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與參考光柵結合制備溫度傳感器探頭，并對傳感光柵進行溫度補償。該發明利用Pt表面修飾WO3作為氫氣敏感材料，通過在WO3中進行摻雜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管進一步保護，并且傳感光柵和參考光柵固定在SiO2基板上，保證光柵溫度系數的線性度，能夠同時測量氫氣濃度和環境溫度。同時設計了傳感探頭的一體化封裝結構，確保了傳感探頭的可靠性和穩定性，該發明具有重要應用價值。
【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
【技術領域】
[0001]本發明屬于光纖傳感技術，材料科學以及光電子技術的交叉領域，涉及到功能材料制備和光電檢測技術，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】
[0002]隨著環境污染的加劇和傳統能源的消耗，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、運輸和使用相關的設施都有可能發生氫氣泄漏，進而有可能導致爆炸事故。一些特殊設施也會產生一定量的氫氣，如:潛艇中鉛蓄電池在充放電過程中產生氫氣；核燃料存放設施中由于放射性材料的裂變會產生一定量氫氣；核反應堆冷卻系統中由于高溫導致水分解也會產生氫氣，安全地監測氫氣濃度在這些領域顯得尤為重要。傳統的電化學氫氣傳感器采用電信號作為檢測信號，難以滿足本質安全的要求。光纖光柵氫氣傳感器具有本質安全、抗電磁干擾和分布式檢測能力，在氫氣泄漏和氫氣濃度監測方面具有重要的應用前景。
【發明內容】
[0003]本發明所要解決的技術問題是: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測氫氣泄漏或氫氣濃度，同時可以監測環境溫度。
[0004]本發明解決其技術問題采用以下的技術方案:
[0005]本發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與參考光柵結合而成，并對傳感光柵進行溫度補償。
[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保護膜，再套S12毛細管保護，然后用環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處于懸空狀態。
[0014]上述步驟(I)中，所述氫氣敏感材料涂覆在傳感光柵柵區對應的載體中，所使用載體為S12槽，S12槽的長度為10-16mm ;參考光柵柵區可以涂覆不含催化劑的摻雜WO3進行溫度補償。
[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外套組成的封裝結構中，光柵兩端光纖和不銹鋼絲網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構，并且由不銹鋼絲網固定底部，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管的成分為S12，該成分與光纖的主要成分—致。
[0020]本發明與現有技術相比具有以下主要的優點:
[0021]本發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的物相結構穩定性，進而提聞傳感探頭的使用壽命。采用不含催化劑的摻雜WO3與參考光柵結合，可以有效防止氣體流動的干擾，實現環境溫度準確測量。
[0022]本發明的傳感光柵和參考光柵表面濺射Cr作為保護膜，能夠有效阻礙空氣中水分子的滲入，提高光柵的穩定性，傳感光柵和參考光柵外面套S12毛細管保護，可以進一步增強光柵耐久性。
[0023]本發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，提高傳感探頭的穩定性；參考光柵采用同樣的結構進行固定，并涂覆不含催化劑的摻雜WO3，可以減小外界應力和溫度對傳感器測量精度的影響，提高測量精度。
[0024]本發明中的封裝結構，采用不銹鋼支撐架和不銹鋼絲網外套組合而成，不銹鋼支撐架保證了結構的穩定性，不銹鋼絲網外套有利于氫氣的擴散，兩者結合保證了探頭的可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為本發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為本發明的傳感器探頭涂覆氫氣敏感材料后的側視圖
[0028]圖4為圖1中傳感器探頭外套封裝結構的各部件示意圖。
[0029]圖5為本發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中傳感器重復性測試實驗數據圖。
[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毛細管；8.環氧樹脂；9.聚合物保護套；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；15.第二螺紋孔；16.不銹鋼支撐架；17.不銹鋼絲網外套；18.壓條。
【具體實施方式】
[0032]本發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，與傳感光柵結合制備傳感探頭；利用不含催化劑的摻雜WO3與光纖光柵結合制備溫度傳感器并對傳感光柵進行溫度補償。設計了傳感探頭的一體化封裝結構，具有較強的實用性，對傳感器的應用具有重要意義。
[0033]下面將結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細說明，但不限定本發明。
[0034]本發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保護膜，然后套S12毛細管7保護。如圖1所示，傳感光柵2和參考光柵5通過環氧樹脂8固定在凹形S12基板I上，傳感光柵2和參考光柵5的柵區處于懸空狀態，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。
[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，三者協同作用實現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與參考光柵結合制備溫度傳感器探頭過程中，需要對傳感光柵2進行溫度補償。
[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的下面設有用環氧樹脂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對應的S12槽中，即氫氣敏感材料10涂覆在第一 S12槽3的槽內，并將傳感光柵2包覆。可以用不含催化劑的摻雜WO3涂覆在第三S12槽6槽內，并將參考光柵5包覆，通過該方法進行溫度和應力補償。可以在起隔離傳感光柵和參考光柵作用的第二 S12槽4中，加入環氧樹脂8固化隔離，以進一步提高靈敏度。
[0038]參考光柵5的柵區涂覆不含催化劑的摻雜WO3測量環境溫度并對傳感光柵2進行溫度補償。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和不銹鋼絲網外套17組成的封裝結構中。
[0039]如圖4所示，不銹鋼絲網外套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14和不銹鋼絲網外套17的使用可以保證傳感器的響應速率。
[0040]如圖2和圖4和所示，將不銹鋼絲網14通過環氧樹脂8固定在不銹鋼支撐架16底部的上表面，將相關器件固定在凹形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,本發明的傳感器探頭在一定氫氣濃度范圍內(5600?6000ppm)的重復性測試，橫坐標為循環次數，縱坐標為傳感光柵的波長漂移量。經過近600次的重復性測試，仍然具有較好的重復性，證明該發明具有較強的應用性。
[0043]所述的傳感光柵2和參考光柵5為濺射了保護膜的光纖光柵，光柵鍍了 Cr保護膜后，傳感光柵2和參考光柵5外面套S12毛細管7進一步保護，S12毛細管7可以用玻璃毛細管替代。
[0044]所述的凹形S12基板I和光纖的熱膨脹系數相近，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溫度系數的線性度,從而有利于參考光柵5測量環境溫度，可以對傳感光柵2進行精確溫度補償。
[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進行溫度補償，以進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構采用圖2和圖4所示結構，由不銹鋼支撐架16和不銹鋼絲網外套17通過螺釘11和壓條18固定而成，不銹鋼支撐架16底部中間為中空結構，并且有不銹鋼絲網14固定底部，光柵器件固定在不銹鋼絲網14上。該結構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，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與參考光柵結合而成，并對傳感光柵進行溫度補償。
2.根據權利要求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保護膜，再套S12毛細管保護，然后用環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處于懸空狀態。
4.根據權利要求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對應的載體中，所使用載體為S12槽，S12槽的長度為10-16mm ;參考光柵柵區可以涂覆不含催化劑的摻雜WO3進行溫度補償。
5.根據權利要求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外套組成的封裝結構中，光柵兩端光纖和不銹鋼絲網外套通過螺釘和壓條固定在不銹鋼支撐架上。
6.根據權利要求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.根據權利要求3所述的制備方法，其特征是所述凹形基板和毛細管的成分為S12,該成分與光纖的主要成分一致。
8.根據權利要求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構，并且由不銹鋼絲網固定底部，光柵及凹形S12基板固定在不銹鋼支撐架上。
9.根據權利要求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 優先權日:2014年11月3日
【發明者】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