CN104155235A - 大气腐蚀速率在线监测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大气腐蚀速率在线监测传感器，它包括腐蚀监测模块、MCU模块、通信模块；所述通信模块与所述MCU模块连接，所述腐蚀监测模块包括金属薄膜试片、恒流源模块和AD/DA差分电路模块，所述金属薄膜试片与所述恒流源模块连接，所述恒流源模块与所述MCU模块连接，所述金属薄膜试片与所述AD/DA差分电路模块连接，所述AD/DA差分电路模块与所述MCU模块连接，用于测定金属薄膜试片的电阻值。本发明具有高分辨率、高灵敏度、重现性好、成本低、便携式等优点，适合实时、在线、连续监测大气环境中气体污染物的浓度变化，尤其对于博物馆文物保存微环境低气体污染物监测具有广泛的应用前景。另外，本发明对人居环境、新装修居室的环境监测也具有实用价值。

Description

大气腐蚀速率在线监测传感器

技术领域

本发明涉及一种大气腐蚀速率监测领域，尤其是博物馆微环境污染物腐蚀速率在线监测传感器，具体涉及一种大气腐蚀速率在线监测传感器。

背景技术

文物是历史的印记，是重要的历史文化遗产，是人类文明的见证，大部分文物以博物馆形势进行展示和储存。据不完全统计，我国馆藏文物约有3000余万件，品类齐全、数量巨大，价值极高，博物馆总数达4000余座，作为馆藏文物展示与存储的大气环境保护尤其重要。虽然现代环境科学和技术获得了飞速发展，但当前我国馆藏文物预防性保护措施欠缺，博物馆环境质量不高，馆藏文物的展示和储存受温度、相对湿度、光照度、紫外线强度、二氧化碳、挥发性有机物、有机酸污染物、无机污染物、含硫污染物等因素的影响，随着岁月的流逝，这些珍贵的历史文化遗产饱经沧桑，遭受着不同程度的污染物腐蚀。由于缺乏有效的污染物监控手段、成本过高等原因，目前国内只有少数重点博物馆对馆藏文物环境的温湿度进行了监测，还没有对文物造成危害的低浓度气体污染物进行监测；受限于目前对微环境的检测技术水平，国内的文物保护活动仍多处于被动模式，将被保护对象置于一个相对封闭的微环境中，任由文物随着时光的流逝缓慢受损甚至遭到破坏，事后再对文物采取抢救性修补措施。因此急需开发博物馆微环境低浓度污染物腐蚀速率在线监测传感器，对我国可移动文物保存环境进行精确监测、科学评价以从事后修补被动模式向预防性主动保护模式转变，为文物保护提供有力支撑。

现有的国外大气环境腐蚀速率实时监测技术，主要是以Purafil公司的OnGuard系列产品为代表，它能够连续测量大气中污染物的腐蚀速率。这类国外产品由于价格昂贵，知识产权限制信息外流等因素，难以在我国推广。目前国内大气环境腐蚀速率实时监测技术较为缺乏，其中上海博物馆及华南理工大学联合开发的石英晶体微天平(QCM)博物馆微环境监测装置，在石英晶片的电极上修饰聚苯胺涂层用作压电传感器，对有机酸、醛及苯类气体污染物产生吸附作用。将吸附的质量变化转化为QCM谐振频率的变化，通过对频率的测量，可以反映微环境污染物当量浓度。但是QCM灵敏度高，容易受温度、相对湿度和尘埃的影响，机械性能较为脆弱。因此，针对目前我国缺乏自主知识产权的馆藏文物保存环境低浓度气体污染物实时监测技术以及检测设备，迫切需要开发博物馆大气环境低浓度污染物腐蚀速率在线监测传感技术及专门产品。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种实时、在线、连续监测大气腐蚀速率的大气腐蚀速率在线监测传感器，所采用的技术方案是四电极测电阻法。

采用四电极测电阻法时，两块金属薄膜试片串联进行测试，受环境腐蚀的传感金属薄膜试片随着表面有效横截面积的减少将导致电阻增加，电子数据记录器测定和记录传感金属薄膜试片相对于参比金属薄膜试片的电阻变化值，然后通过计算得到金属腐蚀深度及腐蚀速率。所述数据测定采用非接触式数据采集，即使隔着玻璃也可以进行采集。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种大气腐蚀速率在线监测传感器，它包括腐蚀监测模块、MCU模块、通信模块；所述腐蚀监测模块包括金属薄膜试片、恒流源模块和AD/DA差分电路模块；所述金属薄膜试片与所述恒流源模块连接，所述恒流源模块与所述MCU模块连接，用于提供稳定低漂移的测试电流；所述金属薄膜试片与所述AD/DA差分电路模块连接，所述AD/DA差分电路模块与所述MCU模块连接，用于测定金属薄膜试片的电阻值；所述通信模块与所述MCU模块连接，用于传输MCU模块处理得出的数据。

更进一步的技术方案是金属薄膜试片包括至少一个传感金属薄膜试片和至少一个参比金属薄膜试片；所述传感金属薄膜试片与所述参比金属薄膜试片串联。

更进一步的技术方案是传感金属薄膜试片暴露于大气环境作为敏感元件，所述参比金属薄膜试片与大气环境隔离作为参比元件。

更进一步的技术方案是传感金属薄膜试片与所述参比金属薄膜试片均是镀于绝缘板上。

更进一步的技术方案是传感金属薄膜试片与所述参比金属薄膜试片是相同材料的线型薄膜金属层，所述传感金属薄膜试片与所述参比金属薄膜试片结构尺寸相同。

更进一步的技术方案是传感金属薄膜试片与所述参比金属薄膜试片厚度均为10nm至20um，长度大于100mm。

更进一步的技术方案是金属薄膜试片的材料是铜、银、锌、铝、铁、镍、铅中的一种材料。

更进一步的技术方案是大气腐蚀速率在线监测传感器还包括用于检测环境的温度和相对湿度的温湿度检测模块，所述温湿度检测模块与所述MCU模块连接。

更进一步的技术方案是通信模块是无线通信模块。

更进一步的技术方案是通信模块包括存储单元，所述存储单元是网络通信存储单元。

本发明由电池供电，体积小、无线发射、测量功耗低，使用寿命可达到5年，电池可更换。

所述传感金属薄膜试片电阻变化转化为腐蚀深度的改变，进而对大气环境腐蚀速率进行检测，精度可达到0.1nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明具有高分辨率、高灵敏度、重现性好、成本低、便携式等优点，适合实时、在线、连续监测大气环境中气体污染物的浓度变化，尤其对于博物馆文物保存微环境低气体污染物监测具有广泛的应用前景。另外，本发明对人居环境、新装修居室的环境监测也具有实用价值。

附图说明

图1为本发明一个实施例中传感器的原理框图。

图2为本发明一个实施例的金属薄膜试片结构示意图。

图3为本发明一个实施例中测试原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述，实施例仅用于说明本发明而不局限于本发明内容。

本发明的实施方式涉及一种实时、在线、连续监测博物馆保存微环境气体污染物腐蚀速率的传感器设备。

如图1所示，本发明一个实施例大气腐蚀速率在线监测传感器，它包括腐蚀监测模块、MCU主电路模块、通信电路模块。相应的，MCU主电路模块连接有电源、RS232接口、LCD以及键盘。腐蚀监测模块包括镀于绝缘板上的传感金属薄膜试片R_sens与参比金属薄膜试片R_ref，恒流源和AD/DA差分电路。传感金属薄膜试片R_sens和参比金属薄膜试片R_ref为两块相同质地的线型薄膜金属层，其中传感金属薄膜试片R_sens暴露于大气环境作为敏感元件，参比金属薄膜试片R_ref与大气环境隔离作为参比元件。恒流源与MCU主电路和金属薄膜试片相连，用于提供稳定低漂移的测试电流。AD/DA差分电路与MCU主电路和金属薄膜试片相连，用于测定金属薄膜试片的电阻值。MCU主电路连接有温湿度检测模块，温湿度检测模块用于检测环境的温度和相对湿度。通信电路与MCU主电路相连，用于传输MCU主电路处理得出的数据。通信电路模块采用无线通讯技术，通过无线模块将数据传输给计算机。无线通讯技术基于GPRS/GSM芯片实现。通信电路存储单元利用网络通信技术，能够实现数据的远程存取及实时管理，可通过E-mail传输，方便快捷。

如图2所示，金属薄片试片，如传感金属薄膜试片或参比金属薄膜试片，其结构主要是线型金属薄膜2，其中线型金属薄膜2与金叉指4连接，线型金属薄膜2与金叉指4镀于绝缘板1上，同时线型金属薄膜2与金叉指4上设置有隔离层3。

如图3所示，传感金属薄膜试片R_sens暴露于大气环境作为敏感元件，参比金属薄膜试片R_ref与大气环境隔离作为参比元件。本发明涉及的两块材质和厚度相同的金属线型薄膜试片置于绝缘板上，采用四电极测电阻法进行测试，两块金属薄膜试片串联进行，受环境腐蚀的传感金属薄膜试片R_sens随着表面有效横截面积的减少将导致电阻增加，电子数据记录器测定和记录传感金属薄膜试片R_sens相对于参比金属薄膜试片R_ref的电阻变化值，然后通过计算得到金属腐蚀深度及腐蚀速率。数据测定采用非接触式数据采集，即使隔着博物馆展柜玻璃也可以进行采集。

采用四电极测电阻法时，两块金属薄膜试片串联进行测试，受环境腐蚀的传感金属薄膜试片R_sens随着表面有效横截面积的减少将导致电阻增加，电子数据记录器测定和记录传感金属薄膜试片R_sens相对于参比金属薄膜试片R_ref的电阻变化值，然后通过计算得到金属腐蚀深度及腐蚀速率。本实施例涉及的金属薄膜试片腐蚀深度(大气腐蚀速率)可以通过以下方程式进行计算：

$\mathrm{\Δh}=h_{\mathrm{ref},\mathrm{init}}(\frac{R_{\mathrm{ref},\mathrm{init}}}{R_{\mathrm{sens},\mathrm{init}}}-\frac{R_{\mathrm{ref}}}{R_{\mathrm{sens}}})$

h_ref,init为金属薄膜试片初始厚度；R_sens和R_ref分别为传感金属薄膜试片和参比金属薄膜试片电阻；R_sens,init和R_ref,init分别为传感金属薄膜试片和参比金属薄膜试片初始电阻。

本实施例涉及的金属薄膜试片包括铜、银、锌、铝、铁、镍、铅等材质，但不局限于此。根据金属传感器灵敏度、寿命的不同，试片厚度为10nm至20um，长度大于100mm。根据金属薄膜试片材质的不同，采用真空镀膜、磁控溅射、电子束(离子束)沉积、电镀或印刷电路板工艺将金属薄膜镀于绝缘板上。金属薄膜试片可更换或自由组合为阵列。

本发明涉及的两块材质和厚度相同的线性金属薄膜试片镀于绝缘板上，受环境腐蚀的传感金属薄膜试片R_sens随有效横截面积的减少电阻增加，电子记录器实时记录传感金属薄膜试片R_sens累计减少而导致的电阻变化，并转换为大气腐蚀速率。

本实施例的传感器由电池供电，体积小、无线发射、测量功耗低，使用寿命可达到5年，电池可更换。

传感金属薄膜试片R_sens电阻变化转化为腐蚀深度的改变，进而对大气环境腐蚀速率进行检测，精度可达到0.1nm。

本发明具有高分辨率、高灵敏度、重现性好、成本低、便携式等优点，适合实时、在线、连续监测大气环境中气体污染物的浓度变化，尤其对于博物馆文物保存微环境低气体污染物监测具有广泛的应用前景。另外，本发明对人居环境、新装修居室的环境监测也具有实用价值。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一个实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (10)

1.一种大气腐蚀速率在线监测传感器，其特征在于：它包括腐蚀监测模块、MCU模块、通信模块；所述腐蚀监测模块包括金属薄膜试片、恒流源模块和AD/DA差分电路模块；所述金属薄膜试片与所述恒流源模块连接，所述恒流源模块与所述MCU模块连接，用于提供稳定低漂移的测试电流；所述金属薄膜试片与所述AD/DA差分电路模块连接，所述AD/DA差分电路模块与所述MCU模块连接，用于测定金属薄膜试片的电阻值；所述通信模块与所述MCU模块连接，用于传输MCU模块处理得出的数据。

2.根据权利要求1所述的大气腐蚀速率在线监测传感器，其特征在于所述的金属薄膜试片包括至少一个传感金属薄膜试片和至少一个参比金属薄膜试片；所述传感金属薄膜试片与所述参比金属薄膜试片串联。

3.根据权利要求2所述的大气腐蚀速率在线监测传感器，其特征在于所述的传感金属薄膜试片暴露于大气环境作为敏感元件，所述参比金属薄膜试片与大气环境隔离作为参比元件。

4.根据权利要求2所述的大气腐蚀速率在线监测传感器，其特征在于所述的传感金属薄膜试片与所述参比金属薄膜试片均是镀于绝缘板上。

5.根据权利要求2所述的大气腐蚀速率在线监测传感器，其特征在于所述的传感金属薄膜试片与所述参比金属薄膜试片是相同材料的线型薄膜金属层，所述传感金属薄膜试片与所述参比金属薄膜试片结构尺寸相同。

6.根据权利要求2所述的大气腐蚀速率在线监测传感器，其特征在于所述的传感金属薄膜试片与所述参比金属薄膜试片厚度均为10nm至20um，长度大于100mm。

7.根据权利要求2所述的大气腐蚀速率在线监测传感器，其特征在于所述的金属薄膜试片的材料是铜、银、锌、铝、铁、镍、铅中的一种材料。

8.根据权利要求1所述的大气腐蚀速率在线监测传感器，其特征在于所述的大气腐蚀速率在线监测传感器还包括用于检测环境的温度和相对湿度的温湿度检测模块，所述温湿度检测模块与所述MCU模块连接。

9.根据权利要求1所述的大气腐蚀速率在线监测传感器，其特征在于所述的通信模块是无线通信模块。

10.根据权利要求1所述的大气腐蚀速率在线监测传感器，其特征在于所述的通信模块包括存储单元，所述存储单元是网络通信存储单元。