CN103323524A - 一种氢气传感器测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢气传感器测试系统，包括相互连接的送气部分和氢气检测部分；送气部分包括氢气罐、氮气罐、空气罐、干燥器以及贮气室，其中氢气罐、氮气罐和空气罐通过管道共同连通干燥器，干燥器连通贮气室；贮气室内设有由温控仪控制的加热器；氢气检测部分包括连通贮气室的气密室、设置在气密室内的圆柱形平台、信号发生器、频谱仪、计算机、数据采集卡，以及与气密室连通的尾气分析室；圆柱形平台用于放置金丝球焊架、金丝球焊架与传感器芯片一体化连接；信号发生器和频谱仪分别电活动连接金丝球焊架，同时连接计算机；尾气分析室内设有电偶传感器和气体流量传感器。

Description

一种氢气传感器测试系统

技术领域

本发明涉及一种氢气传感器测试系统，更具体的是具有控制气体温度，流量，压强的性能且通过扫频方法来进行测试的测试系统。

背景技术

随着国内外的经济技术快速发展，对能源的消耗也越来越大。在石油枯竭前，找到一种新能源替代它成为当今科学界研究的主流。氢能作为一种高效，环保的能源自然成为人们关注的焦点。氢能虽然拥有许多优点，但也存在着缺点，在氢气运输、存储、使用过程中，极有可能发生氢气泄露，氢气无色无味且极易与空气混合后遇到明火而产生爆炸。传统的检测存在着成本高、耗时长、精度低等缺陷。使用声表面波传感器检测低浓度氢气，具有精度高，便携，稳定性好等优点。

通过对国内外公开文献报道检索发现，目前氢气检测技术主要有氢敏传感器，声表面波传感器，光声气体传感器，气相色谱-原子吸收光谱法、质谱法等。详见文献：低浓度氢气检测方法研究进展（分析仪器，2009.第5期，6-12）.

声表面波（SAW）是一种沿弹性集体表面传播的声波，其振幅随压电基底材料深度的增大按指数规律递减。在实际应用中主要根据声表波频率的变化来检测氢气的体积分数。现有技术一般采用构建带有参比通道的双通道振荡电路，将两者的振荡频率差△F输出来测得与氢气体积分数的关系。该方法存在着很多缺陷，为要达到起振条件，必须要在电路中增加放大器，相位延迟器，增加了电路复杂性。由于MEMS制作工艺，使得涂膜通道与未涂膜通道存在固有差异。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种氢气传感器测试系统。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种氢气传感器测试系统，包括相互连接的送气部分和氢气检测部分；

所述送气部分包括氢气罐、氮气罐、空气罐、干燥器以及贮气室，其中氢气罐、氮气罐和空气罐通过管道共同连通干燥器，干燥器连通贮气室；氢气罐、氮气罐和空气罐与干燥器之间的管道上分别各自设置有减压阀和质量流量控制器；贮气室内设有由温控仪控制的加热器；

所述氢气检测部分包括连通所述贮气室的气密室、设置在气密室内的圆柱形平台、信号发生器、频谱仪、计算机、数据采集卡，以及与气密室连通的尾气分析室；圆柱形平台用于放置金丝球焊架、金丝球焊架与传感器芯片一体化连接；信号发生器和频谱仪分别电活动连接金丝球焊架，同时连接计算机；所述尾气分析室内设有电偶传感器和气体流量传感器，电偶传感器和气体流量传感器分别电连接数据采集卡，数据采集卡将采集的温度信号和流量信号传输给计算机；所述信号发生器用于发射射频信号；所述频谱仪用于分析接收所述射频信号。

本发明中，所述气密室上设有超压保护装置，所述超压保护装置包括主架，锥型塞、半圆球橡胶塞、上端盖、小螺母以及大螺母；所述主架包括下部通孔圆盘以及上部的通气管，通气管穿过气密室的端盖用于排气；所述通气管内设有锥形通气孔，锥型塞位于所述锥形通气孔内；锥型塞上部设有连接杆，半圆球橡胶塞、上端盖以及小螺母依次嵌套在连接杆上；所述通气管外部设有螺纹，大螺母嵌套在通气管上，大螺母与所述通孔圆盘配合将主架固定在气密室上。

本发明中，所述圆柱形平台上设有圆柱凹孔、橡胶密封圈、导线通孔以及锁定螺栓；所述圆柱凹孔用于定位所述金丝球焊架；所述导线通孔用于容纳所述金丝球焊架的导线穿过，所述信号发生器和频谱仪分别电活动连接金丝球焊架的导线；所述橡胶密封圈位于所述导线通孔外，用于将金丝球焊架与圆柱形平台上表面部分气密连接；所述锁定螺栓用于将圆柱形平台与所述金丝球焊架锁定连接。

本发明中，所述气密室的进气口和排气口两端设有旁路管道，旁路管道上设有旁路控制阀。

本发明中，所述贮气室与气密室之间连通的管道上设有压力表。

本发明中，包括连通尾气分析室的尾气处理装置，尾气处理装置内设有氧化铜和氢气还原反应薄膜。

本发明中，所述干燥器内设有焦炭干燥剂。

本发明的核心是所述硬件的组合，并不在于计算机上加载的软件以及检测方法。

本发明具有如下优点：

1.本发明实现了低浓度氢气检测及对传感器性能进行测试分析；

2.本发明具有超压保护的功能；

3.尾气处理产生氮气和水无污染，较环保；

4.测试系统的密封性较高，无气体泄露。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为实施例测试系统示意图。

图2为实施例气密室中超压保护装置图。

图3a和图3b为实施例圆柱形平台结构示意图。

图4为实施例气密室结构示意图。

图5为实施例传感器芯片金丝球焊架示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种氢气传感器测试系统，该系统包括送气部分，氢气检测部分，尾气分析及处理部分。所述送气部分包括高纯氢气和氮气罐以及空气罐，三个气阀，三个减压阀，三个质量流量控制器，干燥器，气体加热装置。

所述干燥器由两端通孔试管加两块橡皮塞组成，在橡皮塞上有小于不锈钢气管直径的通孔，供气管通入。在试管中上下各放有4层格间距为2mm的铁丝网，同时在铁丝网中放有干燥剂，所选干燥剂为焦炭。此干燥器用于吸附气体中所含水分以及杂质颗粒，为后续的高精度测试打下前提。

所述加热装置由温控仪与电阻丝组成。为了避免通用电阻丝与氢气在高温下发生化学反应而致使所配氢气浓度变化，选择的电阻丝为钨丝。

本发明中的氢气检测部分包括气密室、测试电路、声表面波传感器、数据采集卡、信号发生器、频谱仪、计算机、以及与气密室连通的尾气分析室。圆柱形平台用于放置金丝球焊架、金丝球焊架与传感器芯片一体化连接；信号发生器和频谱仪分别电活动连接金丝球焊架，同时连接计算机；所述尾气分析室内设有电偶传感器和气体流量传感器，电偶传感器和气体流量传感器分别电连接数据采集卡，数据采集卡将采集的温度信号和流量信号传输给计算机；所述信号发生器用于发射射频信号；所述频谱仪用于分析接收所述射频信号。所述气密室的进气口和排气口两端设有旁路管道，旁路管道上设有旁路控制阀。所述贮气室与气密室之间连通的管道上设有压力表。

所述气密室设有超压保护装置，该装置在气密室气压超出设计压力时，自动泄压并发出气鸣声。所述超压保护装置包括主架，锥型塞、半圆球橡胶塞、上端盖、小螺母以及大螺母；所述主架包括下部通孔圆盘以及上部的通气管，通气管穿过气密室的端盖用于排气；所述通气管内设有锥形通气孔，锥型塞位于所述锥形通气孔内；锥型塞上部设有连接杆，半圆球橡胶塞、上端盖以及小螺母依次嵌套在连接杆上；所述通气管外部设有螺纹，大螺母嵌套在通气管上，大螺母与所述通孔圆盘配合将主架固定在气密室上。

所述金丝球焊架包括芯片承接平台，芯片承接平台设有一个定位凸台、两个螺纹孔和四个引脚，定位凸台和四个引脚位于芯片承接平台下方，定位凸台与圆柱形平台的圆柱凹孔适配，氢气传感器通过四个金丝线分别连接四个引脚，四个引脚穿过圆柱形平台的四个导线通孔与所述信号发生器和频谱仪活动连接。

所述圆柱形平台上设有圆柱凹孔、橡胶密封圈、导线通孔以及锁定螺栓；所述圆柱凹孔用于定位所述金丝球焊架；所述导线通孔用于容纳所述金丝球焊架的导线穿过，所述信号发生器和频谱仪分别电活动连接金丝球焊架的导线；所述橡胶密封圈位于所述导线通孔外，用于将金丝球焊架与圆柱形平台上表面部分气密连接；所述锁定螺栓用于将圆柱形平台与所述金丝球焊架锁定连接。

本发明包括连通尾气分析室的尾气处理装置，尾气处理装置内设有氧化铜和氢气还原反应薄膜。

本发明中低浓度氢气声表面波传感器扫频测试方法包括以下几个主要步骤：

1.选择信号发生器的线性发生功能，然后设置频率产生范围，选定一个确定的幅值，以及产生频率的点数及时间。

2.设定频谱分析仪的频率扫描范围，扫描点数及参考幅值，选择轨迹1且为最大保持。

3.通入配比的氢气混合气，设置气体加热温度，实时记录频谱分析仪上扫频最大峰值点。

4.停止通入氢气和氮气混合气，改通入空气。该薄膜发生氧化反应，回到初始状态。

实施例

如图1所示，本实施例公开了一种氢气传感器测试系统，该系统包括送气部分，氢气检测部分，尾气处理部分。

所述送气部分包括空气罐12、氢气罐13、氮气罐14、干燥器1以及贮气室3，其中空气罐12、氢气罐13、氮气罐14通过管道共同连通干燥器，干燥器连通贮气室。空气罐12、氢气罐13以及氮气罐14各自带控制阀，空气罐12、氢气罐13、氮气罐14与干燥器1之间的管道上分别各自设置有减压阀15a、15b、15c和质量流量控制器16a、16b、16c；贮气室内设有由温控仪17控制的加热器2；送气部分中干燥器1由上下各4层的2mm铁丝网和焦炭干燥剂组成。

所述氢气检测部分包括连通所述贮气室3的气密室11、设置在气密室内的圆柱形平台8、信号发生器18、频谱仪19、计算机20、数据采集卡21，以及与气密室连通的尾气分析室9；圆柱形平台用于放置金丝球焊架7、金丝球焊架7与传感器芯片一体化连接；信号发生器和频谱仪分别电活动连接金丝球焊架7，同时连接计算机20；所述尾气分析室9内设有电偶传感器和气体流量传感器（图中未示出），电偶传感器和气体流量传感器分别电连接数据采集卡21，数据采集卡21将采集的温度信号和流量信号传输给计算机；所述信号发生器用于发射射频信号；所述频谱仪用于分析接收所述射频信号。所述贮气室与气密室之间连通的管道上设有压力表10和控制阀5。所述气密室的进气口和排气口两端设有旁路管道，旁路管道上设有旁路控制阀4。

本实施例中加热器2采用钨丝作为加热电阻。本实施例还包括连通尾气分析室的尾气处理装置22，尾气处理装置内设有氧化铜和氢气还原反应薄膜。

所述气密室中含有超压保护装置6，该装置在气密室气压超出设计压力时自动泄压并发出气鸣声。该气密室中还含有芯片金丝球焊架，以及开有中孔和4个导线引出孔的圆柱形平台。氢气检测将主要在此气密室中进行。

所述超压保护装置6如图2所示。超压保护装置主架6g上端攻有螺纹可与大螺母6h配合，起到紧固作用。首先将超压保护装置主架6g小径部分穿过钻有相同孔径的气密室上端盖6e，在气密室上端盖6e内侧与超压保护装置主架6g之间加一层圆环形橡胶密封圈6f拧紧大螺母6h。在锥型塞6a小径端套有半圆球橡胶塞6b，将锥型塞6a插入开有相同尺寸锥型孔的超压保护装置主架6g中。盖上超压保护装置上端盖6d，该上端盖可防止超压后高温气体直接向外喷出，避免造成对实验人员的灼伤。之后旋上小螺母6c固定好超压保护装置上端盖6d。该装置的工作原理是P=F/A（其中P为所设定的工作压强上限，F为6a、6b、6c、6d的重力之和，A为锥型塞6a底端截面积），当超压时，气体将6a向上顶，从而气体将从锥型塞锥型边缘流出，然后流至6b与6g的接合处，由于6a被气体冲击向上移动致使6b也向上，气体从6b、6g接合处流出，该缝隙较小，气体高速流过而产生气鸣警报声。

所述圆柱形平台如图3a和图3b所示，图3b为图3a圆柱形平台沿A-B-C的旋转剖切图。圆柱形平台8是用来放置金丝球焊架的，圆柱凹孔可与金丝球焊架7的圆柱凸面配合，使用螺丝可将金丝球焊架固定在圆柱形平台上。金丝球焊架的下表面与圆柱形平台上的橡胶密封圈8a上表面紧密贴合，形成一个密闭环境，放置气密室中的气体泄露，同时圆柱形平台的4个导线通孔8c可将金丝球焊架上的4个铜线引脚引出气密室至外面电路的联接。该圆柱形平台底面使用胶水与气密室底部粘合，且气密室底部的4个孔与导线通孔8c对齐，可让引脚通过。

所述气密室11如图5所示，该气密室为圆柱形上端盖11b和底端圆筒组成，侧边与底面通过焊接联接。上端盖11b开有4个均布的螺栓孔和一个超压保护装置安装孔11c，在上端盖下面有橡胶圈11d也是起到密封作用。气密室左右各有一个气孔11f用来进气和出气。底端也开有4个孔11e，这些孔用来作为引脚引出气密室用。

所述芯片金丝球焊架如图5所示。金丝球焊架由传感器7a、金丝球焊点7c、四个引脚、以及芯片放置平台7h、金丝导线7b、小螺丝孔7m组成。首先将经由MEMS工艺制作的延迟线型传感器芯片用胶水粘在芯片放置平台7h上，金丝导线7b另一端也用压焊机焊在芯片插指电极引出极上。由于芯片十分微小，所以选择的金丝导线直径为φ25μm，然后金丝球焊点通过普通锡焊连接4个铜丝引脚，通过这些焊接可对芯片进行信号的输入与输出操作。芯片放置平台7h为聚四氟乙烯材料，这样可以起到绝缘与减少外界对芯片的信号干扰。芯片放置平台7h底部为圆柱形凸台，该凸台的直径与图4的圆柱形平台上表面圆柱凹孔直径相同，将此凸台与圆形平台凹孔相配合，可对金丝球焊架的固定起导向作用，放置在圆柱形平台上后，在小螺丝孔中放入两个小螺丝，旋紧与圆柱形平台上，配合圆柱形平台上的橡胶密封圈可有效密封，防止漏气。

所述信号发生器与频谱分析仪两仪器均使用阻抗为50Ω的射频信号线。该射频信号线一端为标准N接头连接仪器，另一端为BNC接头，从芯片上引出的4个引脚通过锡焊联连接BNC母头，通常选择左端BNC线连接信号发生器，右端连接频谱分析仪。

本实施例系统的检测方法如下：

本实施例中混合气体浓度C是以气体体积之比来定义的，即：

$C=\frac{V_i}{V_{\mathrm{total}}}---\left(1\right)$

式（1）中：C是混合气体浓度；V_i是单一组分气体体积；V_total是混合气体体积。

通入测量装置的气体总流量为1000ml/min，为了满足测试氢气浓度的梯度要求，气体组分流量控制表如表1所示。

表1气体组分流量控制表

首先打开氮气罐14，气体经过减压阀15a，再经过质量流量控制器16a，再由焦炭干燥后通入贮气室和气密室中，将测试系统中存在的空气排出，避免潮湿空气影响测试结果。

其次，对气密室进行旁路连通（即关闭控制阀5，保持旁路控制阀4打开），打开氢气罐13，控制质量流量控制器16a和16b，使混合气浓度满足表1～200ppm时氢气与氮气的流量，此时打开温控仪17，对混合气进行加热，温度调节为70度（注：温度根据具体传感器薄膜，以及其他实验要求而定），数据采集卡21采集尾气分析室9中热电偶与流量传感器的数据传送给计算机20，检验气体温度是否达到要求和气体流量是否为1000ml/min。

计算机20设置信号发生器18的各项参数，选择信号发生器18工作在线性扫描功能下，选择频率产生范围为149.8MHz至149.9MHz，输出射频信号幅值为-10dbm，输出点数为101点，每两点间的间隔时间为1ms，然后按下信号输出按钮，进行射频信号的输出。

计算机20设置频谱分析仪19的各项参数，将频谱分析仪的频率扫描段设置为149MHz至150MHz，参考幅值为-10dbm，然后选择迹线扫描，模式置为最大保持（maxhold），衰减为5dB，ResBW为100Hz，VBW为100Hz，扫描时间为5ms。

将气密室旁路控制阀4关闭，打开控制阀5，此时频谱分析仪上信号峰值开始向左偏移，幅值下降，这是传感器敏感薄膜吸附氢气导致的。待稳定后，得出频率偏移值为-0.2KHz，幅值偏移为-1.7dbm。

接下来关闭氢气罐和氮气罐，打开空气罐，频谱仪上信号将逐步恢复原有状态。

完成上述步骤后，按照表1中400ppm混合气浓度再进行上述步骤操作，直至完成表1中所有混合气浓度测试，得到如下数据：

氢气浓度	频率偏移值
		200ppm	-0.2KHz
400ppm	-4.5KHz
		1000ppm	-17.9KHz
2000ppm	-39.7KHz
		3000ppm	-61.8KHz
4000ppm	-84.1KHz

然后将这些数据进行最小二乘拟合，得到一条拟合直线，这条直线即为该传感器的线性标定直线。

通常把薄膜初始频率变化到在一定浓度气体条件下频率不在变化的时间的10/9定为响应时间，使用秒表测得该传感器响应时间为13s。

薄膜频率开始上升回复到初始值的90％的时间定义为恢复时间。同样使用秒表测得该传感器恢复时间为18s。

与此同时，尾气经过尾气处理装置22处理后转化为水和氮气排入大气中。

本发明提供了一种氢气传感器测试系统，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种氢气传感器测试系统，其特征在于，包括相互连接的送气部分和氢气检测部分；

所述送气部分包括氢气罐、氮气罐、空气罐、干燥器以及贮气室，其中氢气罐、氮气罐和空气罐通过管道共同连通干燥器，干燥器连通贮气室；氢气罐、氮气罐和空气罐与干燥器之间的管道上分别各自设置有减压阀和质量流量控制器；贮气室内设有由温控仪控制的加热器；

所述氢气检测部分包括连通所述贮气室的气密室、设置在气密室内的圆柱形平台、信号发生器、频谱仪、计算机、数据采集卡，以及与气密室连通的尾气分析室；圆柱形平台用于放置金丝球焊架、金丝球焊架与传感器芯片一体化连接；信号发生器和频谱仪分别电活动连接金丝球焊架，同时连接计算机；所述尾气分析室内设有电偶传感器和气体流量传感器，电偶传感器和气体流量传感器分别电连接数据采集卡，数据采集卡将采集的温度信号和流量信号传输给计算机；

所述信号发生器用于发射射频信号；

所述频谱仪用于分析接收所述射频信号。

2.根据权利要求1所述的一种氢气传感器测试系统，其特征在于，所述气密室上设有超压保护装置，所述超压保护装置包括主架，锥型塞、半圆球橡胶塞、上端盖、小螺母以及大螺母；所述主架包括下部通孔圆盘以及上部的通气管，通气管穿过气密室的端盖用于排气；所述通气管内设有锥形通气孔，锥型塞位于所述锥形通气孔内；锥型塞上部设有连接杆，半圆球橡胶塞、上端盖以及小螺母依次嵌套在连接杆上；所述通气管外部设有螺纹，大螺母嵌套在通气管上，大螺母与所述通孔圆盘配合将主架固定在气密室上。

3.根据权利要求1或2所述的一种氢气传感器测试系统，其特征在于，所述圆柱形平台上设有圆柱凹孔、橡胶密封圈、导线通孔以及锁定螺栓；

所述圆柱凹孔用于定位所述金丝球焊架；

所述导线通孔用于容纳所述金丝球焊架的导线穿过，所述信号发生器和频谱仪分别电活动连接金丝球焊架的导线；

所述橡胶密封圈位于所述导线通孔外，用于将金丝球焊架与圆柱形平台上表面部分气密连接；

所述锁定螺栓用于将圆柱形平台与所述金丝球焊架锁定连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种氢气传感器测试系统，其特征在于，所述气密室的进气口和排气口两端设有旁路管道，旁路管道上设有旁路控制阀。

5.根据权利要求1或2所述的一种氢气传感器测试系统，其特征在于，所述贮气室与气密室之间连通的管道上设有压力表。

6.根据权利要求1或2所述的一种氢气传感器测试系统，其特征在于，包括连通尾气分析室的尾气处理装置，尾气处理装置内设有氧化铜和氢气还原反应薄膜。

7.根据权利要求1或2所述的一种氢气传感器测试系统，其特征在于，所述干燥器内设有焦炭干燥剂。

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