CN110702784A - 一种基于磁电谐振检测痕量氢气的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁电谐振检测痕量氢气的系统及方法。该系统包括磁场激励模块、谐振腔传感检测模块和信号检测电路，所述谐振腔传感检测模块包括环体、封闭住环体顶部开口的铜片和封闭住环体底部开口的磁致伸缩片，所述铜片顶面设有压电陶瓷片，所述环体上设有进气孔和出气孔，所述谐振腔传感检测模块设置在磁场激励模块产生的磁场中心位置，所述信号检测电路分别与铜片、压电陶瓷片电连接。本发明能够实时检测氢气浓度，稳定性好，且响应速度快，使用寿命长。

Description

一种基于磁电谐振检测痕量氢气的系统及方法
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种基于磁电谐振检测痕量氢气的系统及方法。
背景技术
氢气作为一种非常重要的工业原料在化工、航天、电力、冶金以及能源等方面得到广泛应用，例如：石油加工、化学制品的还原、半导体制作等等。然而，氢气是一种易燃易爆气体，当氢气与空气混合后极易发生爆炸，爆炸范围为4％～74.4％体积浓度。因此，在对氢气进行存储、使用以及运输的过程中都应防止泄露、爆炸等危险。对氢气的泄露，特别是痕量氢气泄露进行快速、可靠的检测，在保护人类生命及财产安全上有着重要的意义。
此外，近年随着我国防震减灾的发展，已有大量震例总结显示，在无震期断层气H2的测值都在较小范围内波动变化，地震发生前氢气浓度异常特征通常表现为高值异常且异常持续时间短，变化幅度大。因此，H2是地震前兆反映和预报效果都较好的项目，被称为是地震前兆的“灵敏因子”，其震前异常表现变化幅度大，临震异常突出，反映距离远的特点，如5级左右的地震反映范围可达500多公里。
目前国内外的现有技术中，对氢气的检测一般采用以金属氧化物为基础的半导体型氢气传感器。制作氢敏传感器的关键是氢敏材料，决定着氢气传感器的灵敏度以及响应时间，要使半导体型传感器的性能(灵敏性、稳定性、选择性、抗干扰性)得到改善，主要通过制备纳米级的氢敏材料，增加接触响应的表面积，提高灵敏度。但是，这类传感器在检测时需要加温，且传感器敏感材料与氢气发生反应使得连续测量时响应速度慢，恢复时间长，在测量高浓度时易出现老化，导致使用寿命短。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供了一种基于磁电谐振检测痕量氢气的系统及方法，其能够实时检测氢气浓度，稳定性好，且响应速度快，使用寿命长。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明的一种基于磁电谐振检测痕量氢气的系统，包括磁场激励模块、谐振腔传感检测模块和信号检测电路，所述谐振腔传感检测模块包括环体、封闭住环体顶部开口的铜片和封闭住环体底部开口的磁致伸缩片，所述铜片顶面设有压电陶瓷片，所述环体上设有进气孔和出气孔，所述谐振腔传感检测模块设置在磁场激励模块产生的磁场中心位置，所述信号检测电路分别与铜片、压电陶瓷片电连接。
在本方案中，铜片、磁致伸缩片、环体围成一个密闭的圆柱形空腔体，构成一个谐振腔。环体上的进气孔和出气孔是检测气体进出的通道。
磁场激励模块用于产生一个稳定的交变激励磁场。交变激励磁场作用在谐振腔传感检测模块的磁致伸缩片，使得磁致伸缩片产生一个稳定的振动，迫使环体中的气体也开始振动，环体中的气体会处于持续的声波谐振状态，铜片和压电陶瓷片组成的感应元件会产生电信号传输到信号检测电路中，信号检测电路将电信号转化为电压值输出给外部设备。外部设备控制磁场激励模块产出不同频率的激励磁场，根据铜片和压电陶瓷片组成的感应元件产生的最大电压确定谐振腔传感检测模块的谐振频率，根据谐振频率计算出通入环体中的气体的氢气浓度。
腔体内的气体和整个腔体在固定的交变磁场下，具有一个固定频率。附在压电陶瓷片旁边的铜片起到调整整个谐振的谐振频率，起到频率补偿的作用。当混有被测气体的外部空气进入谐振腔内后，会引起腔体声学特性的改变，使得谐振频率和声学阻抗都改变，通过检测压电陶瓷片和铜片复合层的谐振频率变化来测量氢气浓度。
作为优选，所述磁场激励模块包括恒流功率放大器、信号发生器和两个赫姆霍兹线圈，所述恒流功率放大器分别与信号发生器和两个赫姆霍兹线圈电连接，所述两个赫姆霍兹线圈相对设置。
由信号发生器产生一个周期信号，经过恒流功率放大器连接到一对赫姆霍兹线圈上，从而产生一个稳定的交变激励磁场。通过调节恒流功率放大器的放大倍数，实现交变磁场大小强度的调整。
作为优选，所述磁致伸缩片位于两个赫姆霍兹线圈圆心连接线的中间位置。磁致伸缩片与两个赫姆霍兹线圈圆心连接线相互垂直。
作为优选，所述环体由铝制成，外径为27mm，内径为26mm，高为1mm。
作为优选，所述压电陶瓷片呈圆形，直径为26mm，厚度为0.2mm；所述铜片呈圆形，直径为27mm，厚度为0.2mm；所述磁致伸缩片呈圆形，直径为27mm，厚度为0.2mm。
作为优选，所述进气孔和出气孔的直径都为0.2mm。进气孔和出气孔用于气体的进出，并保持谐振腔内的气体压强恒定。进气孔、出气孔位于环体侧壁的中间位置。
作为优选，所述铜片通过环氧树脂粘在环体顶部，所述磁致伸缩片通过环氧树脂粘在环体底部，所述压电陶瓷片通过环氧树脂粘在铜片顶面。粘接前先将铜片、环体和磁致伸缩片的粘接面超声清洗干净。
作为优选，所述压电陶瓷片由Pb-Zr-Ti系列的氧化陶瓷制成。其中高性能压电材料Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(PZT-5)性能最优。
作为优选，所述磁致伸缩片由稀土磁致伸缩材料、磁致伸缩合金、铁氧体磁致伸缩材料中的一种制成。其中高性能磁致伸缩材料Terfenol-D性能最优。
本发明的一种基于磁电谐振检测痕量氢气的方法，使用上述的一种基于磁电谐振检测痕量氢气的系统，包括以下步骤：
S1：取得N个不同浓度C的氢气，将每个浓度C的氢气输入到环体内，检测每个浓度C的氢气对应的谐振腔传感检测模块的谐振频率f，得到N个特征点(C，f)，N个特征点(C，f)线性拟合得到氢气浓度计算公式：C＝k*f，k为系数，
检测谐振频率f的方法包括以下步骤：
当某个浓度C的氢气输入到环体内后，控制磁场激励模块产出不同频率的激励磁场，铜片和压电陶瓷片组成的感应元件产生的最大电压对应的磁场频率为谐振腔传感检测模块的谐振频率f；
S2：将待测气体输入到环体内，控制磁场激励模块产出不同频率的激励磁场，根据铜片和压电陶瓷片组成的感应元件产生的最大电压确定谐振腔传感检测模块的谐振频率f，将得到的谐振腔传感检测模块的谐振频率f代入氢气浓度计算公式：C＝k*f，计算出氢气浓度。
以氢气浓度C为横坐标、谐振腔传感检测模块的谐振频率f为纵坐标建立直角坐标系，步骤S1中测得的N个特征点(C，f)在直角坐标系中标出，线性拟合得到氢气浓度计算公式：C＝k*f。
本发明的有益效果是：利用氢气的声学特性(氢气和其他气体在声速和声阻抗上都有着明显的差异)，当混有被测气体的外部空气进入谐振腔内后，会引起腔体声学特性的改变，结果使得谐振频率和声学阻抗都改变，通过检测谐振频率的变化来测量氢气浓度，从而能够实时检测氢气浓度，稳定性好，且响应速度快，使用寿命长，适用于长期连续在线地震前兆地下流体断层逸出氢的观测和生产活动中的氢气泄露监测等。
附图说明
图1是实施例的结构示意图；
图2是本系统的输出电压与磁场激励模块输出磁场强度随时间的关系图；
图3是输入气体的氢气浓度为0时，本系统的输出电压与磁场激励模块输出磁场频率的关系图；
图4是输入气体的氢气浓度为0时，谐振腔传感检测模块的电阻抗、相位与磁场激励模块输出磁场频率的关系图；
图5是输入气体的氢气浓度为0时，本系统的输出电压与磁场激励模块输出磁场强度的关系图；
图6是谐振腔传感检测模块的谐振频率与氢气浓度的关系图。
图中：1、压电陶瓷片，2、铜片，3、磁致伸缩片，4、环体，5、赫姆霍兹线圈，6、恒流功率放大器，7、信号发生器，8、电极，9、信号检测电路，10、进气孔，11、出气孔。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种基于磁电谐振检测痕量氢气的系统，如图1所示，包括磁场激励模块、谐振腔传感检测模块和信号检测电路，磁场激励模块包括恒流功率放大器6、信号发生器7和两个赫姆霍兹线圈5，恒流功率放大器6分别与信号发生器7和两个赫姆霍兹线圈5电连接，两个赫姆霍兹线圈5相对设置，谐振腔传感检测模块包括环体4、封闭住环体4顶部开口的铜片2和封闭住环体4底部开口的磁致伸缩片3，铜片2顶面设有压电陶瓷片1，环体4上设有进气孔10和出气孔11，谐振腔传感检测模块设置在两个赫姆霍兹线圈5圆心连接线的中心处，信号检测电路9分别与铜片2、压电陶瓷片1电连接。
在本方案中，铜片、磁致伸缩片、环体围成一个密闭的圆柱形空腔体，构成一个谐振腔。环体上的进气孔和出气孔用于气体的进出，并保持谐振腔内的气体压强恒定。用银胶将两个电极8分别粘在铜片2上和压电陶瓷片1上，两个电极8分别用导线引出到信号检测电路9上。
由信号发生器产生一个周期信号，经过恒流功率放大器连接到一对赫姆霍兹线圈上，从而产生一个稳定的交变激励磁场。通过调节恒流功率放大器的放大倍数，实现交变磁场大小强度的调整。
交变激励磁场作用在谐振腔传感检测模块的磁致伸缩片，使得磁致伸缩片产生一个稳定的振动，迫使环体中的气体也开始振动，环体中的气体会处于持续的声波谐振状态，铜片和压电陶瓷片组成的感应元件会产生电信号传输到信号检测电路中，信号检测电路将电信号转化为电压值输出给外部设备。外部设备控制磁场激励模块产出不同频率的激励磁场，根据铜片和压电陶瓷片组成的感应元件产生的最大电压确定谐振腔传感检测模块的谐振频率，根据谐振频率计算出通入环体中的气体的氢气浓度。
腔体内的气体和整个腔体在固定的交变磁场下，具有一个固定频率。附在压电陶瓷片旁边的铜片起到调整整个谐振的谐振频率，起到频率补偿的作用。当混有被测气体的外部空气进入谐振腔内后，会引起腔体声学特性的改变，使得谐振频率和声学阻抗都改变，通过检测压电陶瓷片和铜片复合层的谐振频率变化来测量氢气浓度。
磁致伸缩片3位于两个赫姆霍兹线圈5圆心连接线的中间位置。磁致伸缩片3与两个赫姆霍兹线圈5圆心连接线相互垂直。
环体4由铝制成，外径为27mm，内径为26mm，高为1mm。压电陶瓷片1呈圆形，直径为26mm，厚度为0.2mm。铜片2呈圆形，直径为27mm，厚度为0.2mm。磁致伸缩片3呈圆形，直径为27mm，厚度为0.2mm。进气孔10和出气孔11的直径都为0.2mm。进气孔、出气孔位于环体4侧壁的中间位置。
先将铜片2、环体4和磁致伸缩片3的粘接面超声清洗干净，随后用环氧树脂将铜片粘在环体顶部，将磁致伸缩片粘在环体底部，将压电陶瓷片粘在铜片顶面。压电陶瓷片1由高性能压电材料Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(PZT-5)制成。磁致伸缩片3由高性能磁致伸缩材料Terfenol-D制成。
本系统的输出电压与磁场激励模块输出磁场强度随时间的关系图，如图2所示。由图2可以看出本系统的输出电压与外加交流磁场是反相的。
输入气体的氢气浓度为0时，本系统的输出电压与磁场激励模块输出磁场频率的关系图，如图3所示。由图3可以看出在频率为92.8kHz时，输出电压达到最大值，此时的频率92.8kHz就是在氢气浓度为0时谐振腔传感检测模块的谐振频率。
输入气体的氢气浓度为0时，谐振腔传感检测模块的电阻抗、相位与磁场激励模块输出磁场频率的关系图，如图4所示。由图4刚好可以验证图3的结论，谐振腔传感检测模块的谐振频率为92.8kHz。
输入气体的氢气浓度为0时，本系统的输出电压与磁场激励模块输出磁场强度的关系图，如图5所示，由图5可以看出输出电压与磁场强度有很好的线性关系，在谐振频率下，磁电谐振腔型氢气传感器的磁电系数最大0.51V/Oe。
谐振腔传感检测模块的谐振频率与氢气浓度的关系图，如图6所示。由图6可以看出谐振腔传感检测模块的谐振频率与氢气浓度有很好的线性关系。本系统可以分辨的氢气浓度0.0021％。
本实施例的一种基于磁电谐振检测痕量氢气的方法，使用上述的一种基于磁电谐振检测痕量氢气的系统，包括以下步骤：
S1：取得N个不同浓度C的氢气，将每个浓度C的氢气输入到环体内，检测每个浓度C的氢气对应的谐振腔传感检测模块的谐振频率f，得到N个特征点(C，f)，N个特征点(C，f)线性拟合得到氢气浓度计算公式：C＝k*f，k为系数，
检测谐振频率f的方法包括以下步骤：
当某个浓度C的氢气输入到环体内后，控制磁场激励模块产出不同频率的激励磁场，铜片和压电陶瓷片组成的感应元件产生的最大电压对应的磁场频率为谐振腔传感检测模块的谐振频率f；
S2：将待测气体输入到环体内，控制磁场激励模块产出不同频率的激励磁场，根据铜片和压电陶瓷片组成的感应元件产生的最大电压确定谐振腔传感检测模块的谐振频率f，将得到的谐振腔传感检测模块的谐振频率f代入氢气浓度计算公式：C＝k*f，计算出氢气浓度。
以氢气浓度C为横坐标、谐振腔传感检测模块的谐振频率f为纵坐标建立直角坐标系，步骤S1中测得的N个特征点(C，f)在直角坐标系中标出，线性拟合得到氢气浓度计算公式：C＝k*f。

Claims (10)

1.一种基于磁电谐振检测痕量氢气的系统，其特征在于，包括磁场激励模块、谐振腔传感检测模块和信号检测电路(9)，所述谐振腔传感检测模块包括环体(4)、封闭住环体(4)顶部开口的铜片(2)和封闭住环体(4)底部开口的磁致伸缩片(3)，所述铜片(2)顶面设有压电陶瓷片(1)，所述环体(4)上设有进气孔(10)和出气孔(11)，所述谐振腔传感检测模块设置在磁场激励模块产生的磁场中心位置，所述信号检测电路(9)分别与铜片(2)、压电陶瓷片(1)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁电谐振检测痕量氢气的系统，其特征在于，所述磁场激励模块包括恒流功率放大器(6)、信号发生器(7)和两个赫姆霍兹线圈(5)，所述恒流功率放大器(6)分别与信号发生器(7)和两个赫姆霍兹线圈(5)电连接，所述两个赫姆霍兹线圈(5)相对设置。
3.根据权利要求2所述的一种基于磁电谐振检测痕量氢气的系统，其特征在于，所述磁致伸缩片(3)位于两个赫姆霍兹线圈(5)圆心连接线的中间位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁电谐振检测痕量氢气的系统，其特征在于，所述环体(4)由铝制成，外径为27mm，内径为26mm，高为1mm。
5.根据权利要求4所述的一种基于磁电谐振检测痕量氢气的系统，其特征在于，所述压电陶瓷片(1)呈圆形，直径为26mm，厚度为0.2mm；所述铜片(2)呈圆形，直径为27mm，厚度为0.2mm；所述磁致伸缩片(3)呈圆形，直径为27mm，厚度为0.2mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于磁电谐振检测痕量氢气的系统，其特征在于，所述进气孔(10)和出气孔(11)的直径都为0.2mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于磁电谐振检测痕量氢气的系统，其特征在于，所述铜片(2)通过环氧树脂粘在环体(4)顶部，所述磁致伸缩片(3)通过环氧树脂粘在环体(4)底部，所述压电陶瓷片(1)通过环氧树脂粘在铜片(2)顶面。
8.根据权利要求1所述的一种基于磁电谐振检测痕量氢气的系统，其特征在于，所述压电陶瓷片(1)由Pb-Zr-Ti系列的氧化陶瓷制成。
9.根据权利要求1所述的一种基于磁电谐振检测痕量氢气的系统，其特征在于，所述磁致伸缩片(3)由稀土磁致伸缩材料、磁致伸缩合金、铁氧体磁致伸缩材料中的一种制成。
10.一种基于磁电谐振检测痕量氢气的方法，使用权利要求2所述的一种基于磁电谐振检测痕量氢气的系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1：取得N个不同浓度C的氢气，将每个浓度C的氢气输入到环体内，检测每个浓度C的氢气对应的谐振腔传感检测模块的谐振频率f，得到N个特征点(C，f)，N个特征点(C，f)线性拟合得到氢气浓度计算公式：C＝k*f，k为系数，
检测谐振频率f的方法包括以下步骤：
当某个浓度C的氢气输入到环体内后，控制磁场激励模块产出不同频率的激励磁场，铜片和压电陶瓷片组成的感应元件产生的最大电压对应的磁场频率为谐振腔传感检测模块的谐振频率f；
S2：将待测气体输入到环体内，控制磁场激励模块产出不同频率的激励磁场，根据铜片和压电陶瓷片组成的感应元件产生的最大电压确定谐振腔传感检测模块的谐振频率f，将得到的谐振腔传感检测模块的谐振频率f代入氢气浓度计算公式：C＝k*f，计算出氢气浓度。
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