CN104297154B - 氢气浓度和温度一体化测量传感器探头的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是氢气浓度和温度一体化测量传感器探头制备方法，利用Pt表面修饰掺杂WO3氢气敏感材料与传感光栅结合制备氢气传感器探头；利用不含催化剂掺杂WO3与参考光栅结合制备温度传感器探头，并对传感光栅进行温度补偿。该发明利用Pt表面修饰WO3作为氢气敏感材料，通过在WO3中进行掺杂SiO2改性，增强了氢气敏感材料的使用寿命；利用SiO2槽作为氢气敏感材料的载体，可以有效防止氢气敏感材料的脱落。在传感光栅和参考光栅外套毛细管进一步保护，并且传感光栅和参考光栅固定在SiO2基板上，保证光栅温度系数的线性度，能够同时测量氢气浓度和环境温度。同时设计了传感探头的一体化封装结构，确保了传感探头的可靠性和稳定性，该发明具有重要应用价值。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术，材料科学以及光电子技术的交叉领域，涉及到功能材料制备和光电检测技术，具体涉及到Pt表面修饰掺杂WO3氢气敏感材料的制备工艺和光纤光栅氢气传感器探头的封装方法。
背景技术
随着环境污染的加剧和传统能源的消耗，人类对清洁能源的需求显得尤为迫切。氢气是一种重要的清洁能源和化工原料，在航空航天、燃料电池、金属冶炼、化工合成有着广泛的应用。由于氢气具有最小的分子，很容易泄漏，任何与氢气制备、储存、运输和使用相关的设施都有可能发生氢气泄漏，进而有可能导致爆炸事故。一些特殊设施也会产生一定量的氢气，如：潜艇中铅蓄电池在充放电过程中产生氢气；核燃料存放设施中由于放射性材料的裂变会产生一定量氢气；核反应堆冷却系统中由于高温导致水分解也会产生氢气，安全地监测氢气浓度在这些领域显得尤为重要。传统的电化学氢气传感器采用电信号作为检测信号，难以满足本质安全的要求。光纤光栅氢气传感器具有本质安全、抗电磁干扰和分布式检测能力，在氢气泄漏和氢气浓度监测方面具有重要的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种氢气浓度和温度一体化测量传感器探头的制备方法，所制备的探头主要用于在空气中监测氢气泄漏或氢气浓度，同时可以监测环境温度。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的氢气浓度和温度一体化测量传感器探头，是由氢气传感器探头和温度传感器探头通过一体化封装而成，其中：氢气传感器探头是利用Pt表面修饰掺杂WO3氢气敏感材料与传感光栅结合而成，SiO2槽作为氢气敏感材料载体；温度传感器探头是利用不含催化剂掺杂WO3与参考光栅结合而成，并对传感光栅进行温度补偿；所述的Pt表面修饰掺杂WO3氢气敏感材料，其中掺杂WO3的掺杂成分为SiO2，Pt作为催化剂，三种成分共同构成氢气敏感材料，该氢气敏感材料中的硅钨原子比的范围为1：30～1：2，铂钨原子比的范围为1：20～1：2。
本发明提供的氢气浓度和温度一体化测量传感器探头的制备方法，其包括氢气传感器探头的制备、温度传感器探头的制备和将这两种探头一体化的制备步骤，
(1)氢气传感器探头的制备：
该探头利用氢气敏感材料与传感光栅结合而成，所述氢气敏感材料为Pt表面修饰掺杂WO3，掺杂WO3中掺杂成分为SiO2，Pt作为催化剂，三种成分共同构成氢气敏感材料；
(2)温度传感器探头的制备：
该探头利用不含催化剂掺杂WO3与参考光栅结合而成；
(3)所述两种探头一体化的制备：
先将传感光栅和参考光栅分别镀Cr保护膜，再套SiO2毛细管保护，然后用环氧树脂将传感光栅和参考光栅分别固定在凹形SiO2基板上，凹形SiO2基板作为传感光栅和参考光栅的载体，并使传感光栅和参考光栅栅区处于悬空状态；
将氢气敏感材料(10)涂覆在传感光栅栅区对应的SiO2槽中，即氢气敏感材料(10)涂覆在第一SiO2槽(3)的槽内，并将传感光栅(2)包覆；利用不含催化剂的掺杂WO3涂覆在第三SiO2槽(6)槽内，并将参考光栅(5)包覆，通过该方法进行温度和应力补偿，从而制备成一体化传感器探头。
上述步骤(1)中，所述氢气敏感材料涂覆在传感光栅栅区对应的载体中，所使用载体为SiO2槽，SiO2槽的长度为10-16mm；参考光栅栅区可以涂覆不含催化剂的掺杂WO3进行温度补偿。
上述步骤(3)中，可以将固定好的光栅及凹形SiO2基板固定在不锈钢支撑架和不锈钢丝网外套组成的封装结构中，光栅两端光纤和不锈钢丝网外套通过螺钉和压条固定在不锈钢支撑架上。
所述不锈钢支撑架底部中间为中空结构，并且由不锈钢丝网固定底部，光栅及凹形SiO2基板固定在不锈钢支撑架上。
所述不锈钢支撑架由铝合金、陶瓷或玻璃钢支撑架替代。
上述步骤(1)中，所述氢气敏感材料，其中氢气敏感材料中的硅钨原子比在1：30到1：2之间，铂钨原子比在1：20到1：2之间。
上述步骤(3)中，所述凹形基板和毛细管的成分为SiO2，该成分与光纤的主要成分一致。
本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：
本发明所述的氢气敏感材料：采用掺杂的WO3作为氢气敏感材料，Pt作为催化剂。在WO3晶相中引入的成分为SiO2，可以提高WO3的物相结构稳定性，进而提高传感探头的使用寿命。采用不含催化剂的掺杂WO3与参考光栅结合，可以有效防止气体流动的干扰，实现环境温度准确测量。
本发明的传感光栅和参考光栅表面溅射Cr作为保护膜，能够有效阻碍空气中水分子的渗入，提高光栅的稳定性，传感光栅和参考光栅外面套SiO2毛细管保护，可以进一步增强光栅耐久性。
本发明氢气敏感材料与传感光栅的固定，采用SiO2槽作为载体，可以有效防止敏感材料的脱落，提高传感探头的稳定性；参考光栅采用同样的结构进行固定，并涂覆不含催化剂的掺杂WO3，可以减小外界应力和温度对传感器测量精度的影响，提高测量精度。
本发明中的封装结构，采用不锈钢支撑架和不锈钢丝网外套组合而成，不锈钢支撑架保证了结构的稳定性，不锈钢丝网外套有利于氢气的扩散，两者结合保证了探头的可靠性。
附图说明
图1为本发明的传感器探头涂覆氢气敏感材料前的俯视图；
图2为本发明的传感器探头涂覆氢气敏感材料后的俯视图
图3为本发明的传感器探头涂覆氢气敏感材料后的侧视图
图4为图1中传感器探头外套封装结构的各部件示意图。
图5为本发明的氢气浓度和温度一体化测量传感器探头封装后的示意图。
图6为图5中传感器重复性测试实验数据图。
图中：1.凹形SiO2基板；2.传感光栅；3.第一SiO2槽；4.第二SiO2槽；5.参考光栅；6.第三SiO2槽；7.SiO2毛细管；8.环氧树脂；9.聚合物保护套；10.氢气敏感材料；11.十字螺钉；12.一字螺钉；13.第一螺纹孔；14.不锈钢丝网；15.第二螺纹孔；16.不锈钢支撑架；17.不锈钢丝网外套；18.压条。
具体实施方式
本发明提供的氢气浓度和温度一体化测量传感器探头使用Pt表面修饰掺杂WO3氢气敏感材料，通过在WO3中掺杂提高氢气敏感材料的使用寿命，与传感光栅结合制备传感探头；利用不含催化剂的掺杂WO3与光纤光栅结合制备温度传感器并对传感光栅进行温度补偿。设计了传感探头的一体化封装结构，具有较强的实用性，对传感器的应用具有重要意义。
下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但不限定本发明。
本发明提供的氢气浓度和温度一体化测量传感器探头的制备方法，包括氢气传感器探头的制备、温度传感器探头的制备和将这两种探头一体化的制备步骤。参见图1和2，氢气传感器探头是利用氢气敏感材料10与传感光栅2结合而成。温度传感器探头是利用不含催化剂掺杂WO3与参考光栅5结合而成。将氢气传感器探头和温度传感器探头一体化的制备方法是：首先将传感光栅2和参考光栅5镀Cr保护膜，然后套SiO2毛细管7保护。如图1所示，传感光栅2和参考光栅5通过环氧树脂8固定在凹形SiO2基板1上，传感光栅2和参考光栅5的栅区处于悬空状态，两光栅离凹形SiO2基板1的高度略高于第一SiO2槽3、第三SiO2槽6的高度。如图3所示，将第一SiO2槽3、第三SiO2槽6用环氧树脂8分别固定在凹形SiO2基板1上，同时使传感光栅2和参考光栅5的栅区分别位于第一SiO2槽3、第三SiO2槽6的槽的中间，从而使填充在第一SiO2槽3、第三SiO2槽6的材料能够完全包裹光栅栅区。
所述氢气敏感材料10不同于已报道的Pt/WO3氢气敏感材料，其为Pt表面修饰掺杂WO3氢气敏感材料。WO3中掺杂成分为SiO2，Pt作为催化剂，三种成分共同构成氢气敏感材料，三者缺一不可。所述氢气敏感材料中的WO3、SiO2和Pt，三者协同作用实现氢气敏感材料的功能，其中的硅钨原子比在1：30到1：2之间，铂钨原子比在1：20到1：2之间。
在利用不含催化剂掺杂WO3与参考光栅结合制备温度传感器探头过程中，需要对传感光栅2进行温度补偿。
利用溅射Cr薄膜的传感光栅2和参考光栅5作为传感元件和补偿元件。在传感光栅2和参考光栅5的下面设有用环氧树脂8分别固定的起承载作用的第一SiO2槽3、第三SiO2槽6，并使传感光栅2和参考光栅5的栅区分别位于第一SiO2槽3、第三SiO2槽6的中间。氢气敏感材料10涂覆在传感光栅栅区对应的SiO2槽中，即氢气敏感材料10涂覆在第一SiO2槽3的槽内，并将传感光栅2包覆。可以用不含催化剂的掺杂WO3涂覆在第三SiO2槽6槽内，并将参考光栅5包覆，通过该方法进行温度和应力补偿。可以在起隔离传感光栅和参考光栅作用的第二SiO2槽4中，加入环氧树脂8固化隔离，以进一步提高灵敏度。
参考光栅5的栅区涂覆不含催化剂的掺杂WO3测量环境温度并对传感光栅2进行温度补偿。固定好的参考光栅5及凹形SiO2基板1固定在不锈钢支撑架16和不锈钢丝网外套17组成的封装结构中。
如图4所示，不锈钢丝网外套17通过四个十字螺钉11和两个压条18固定在不锈钢支撑架16上，不锈钢丝网14和不锈钢丝网外套17的使用可以保证传感器的响应速率。
如图2和图4和所示，将不锈钢丝网14通过环氧树脂8固定在不锈钢支撑架16底部的上表面，将相关器件固定在凹形SiO2基板1后，凹形SiO2基板1放在不锈钢丝网14上表面。
如图2、图4和图5所示，参考光栅6两端的光纤和不锈钢丝网外套17通过4个十字螺钉11固定在不锈钢支撑架16上；光栅的两端光纤可以通过第二螺纹孔15下面的孔引出，将两个一字螺钉12固定在不锈钢支撑架16两端的第二螺纹孔15中，将光纤表面的聚合物保护套9压紧，从而将SiO2基板1固定在不锈钢支撑架16上。
如图6所示，本发明的传感器探头在一定氢气浓度范围内(5600～6000ppm)的重复性测试，横坐标为循环次数，纵坐标为传感光栅的波长漂移量。经过近600次的重复性测试，仍然具有较好的重复性，证明该发明具有较强的应用性。
所述的传感光栅2和参考光栅5为溅射了保护膜的光纤光栅，光栅镀了Cr保护膜后，传感光栅2和参考光栅5外面套SiO2毛细管7进一步保护，SiO2毛细管7可以用玻璃毛细管替代。
所述的凹形SiO2基板1和光纤的热膨胀系数相近，将光栅固定在凹形SiO2基板1上可以保证传感光栅2和参考光栅5温度系数的线性度，从而有利于参考光栅5测量环境温度，可以对传感光栅2进行精确温度补偿。
所述的氢气敏感材料10涂覆在传感光栅2栅区所在的SiO2槽3中，SiO2槽3的长度在10mm到16mm之间；参考光栅5周围涂覆不含催化剂的掺杂WO3进行温度补偿，以进一步提高传感探头灵敏度。
所述的光栅器件封装用的封装结构采用图2和图4所示结构，由不锈钢支撑架16和不锈钢丝网外套17通过螺钉11和压条18固定而成，不锈钢支撑架16底部中间为中空结构，并且有不锈钢丝网14固定底部，光栅器件固定在不锈钢丝网14上。该结构可以确保氢气与氢气敏感材料的充分接触，保证传感探头的快速响应，不锈钢支撑架16可以采用铝合金、陶瓷或玻璃钢支撑架替代。
Claims (8)
1.一种氢气浓度和温度一体化测量传感器探头，其特征是由氢气传感器探头和温度传感器探头通过一体化封装而成，其中：氢气传感器探头是利用Pt表面修饰掺杂WO3氢气敏感材料与传感光栅结合而成，SiO2槽作为氢气敏感材料载体；温度传感器探头是利用不含催化剂掺杂WO3与参考光栅结合而成，并对传感光栅进行温度补偿；所述的Pt表面修饰掺杂WO3氢气敏感材料，其中掺杂WO3的掺杂成分为SiO2，Pt作为催化剂，三种成分共同构成氢气敏感材料，该氢气敏感材料中的硅钨原子比的范围为1：30～1：2，铂钨原子比的范围为1：20～1：2。
2.一种氢气浓度和温度一体化测量传感器探头的制备方法，其特征是包括氢气传感器探头的制备、温度传感器探头的制备和将这两种探头一体化的制备步骤，
(1)氢气传感器探头的制备：
该探头利用氢气敏感材料与传感光栅结合而成，所述氢气敏感材料为Pt表面修饰掺杂WO3，掺杂WO3中掺杂成分为SiO2，Pt作为催化剂，三种成分共同构成氢气敏感材料；
(2)温度传感器探头的制备：
该探头利用不含催化剂掺杂WO3与参考光栅结合而成；
(3)所述两种探头一体化的制备：
先将传感光栅和参考光栅分别镀Cr保护膜，再套SiO2毛细管保护，然后用环氧树脂将传感光栅和参考光栅分别固定在凹形SiO2基板上，凹形SiO2基板作为传感光栅和参考光栅的载体，并使传感光栅和参考光栅栅区处于悬空状态；
将氢气敏感材料(10)涂覆在传感光栅栅区对应的SiO2槽中，即氢气敏感材料(10)涂覆在第一SiO2槽(3)的槽内，并将传感光栅(2)包覆；利用不含催化剂的掺杂WO3涂覆在第三SiO2槽(6)槽内，并将参考光栅(5)包覆，通过该方法进行温度和应力补偿，从而制备成一体化传感器探头。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是所述氢气敏感材料涂覆在传感光栅栅区对应的载体中，所使用载体为SiO2槽，SiO2槽的长度为10-16mm；参考光栅栅区可以涂覆不含催化剂的掺杂WO3进行温度补偿。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是将固定好的光栅及凹形SiO2基板固定在不锈钢支撑架和不锈钢丝网外套组成的封装结构中，光栅两端光纤和不锈钢丝网外套通过螺钉和压条固定在不锈钢支撑架上。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是所述氢气敏感材料，其中氢气敏感材料中的硅钨原子比在1：30到1：2之间，铂钨原子比在1：20到1：2之间。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是所述凹形基板和毛细管的成分为SiO2，该成分与光纤的主要成分一致。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征是所述不锈钢支撑架底部中间为中空结构，并且由不锈钢丝网固定底部，光栅及凹形SiO2基板固定在不锈钢支撑架上。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是所述不锈钢支撑架由铝合金、陶瓷或玻璃钢支撑架替代。
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