CN110987779A

CN110987779A - 一种用于检测弱酸性混合气体腐蚀性强度的装置

Info

Publication number: CN110987779A
Application number: CN201911274432.0A
Authority: CN
Inventors: 付广伟; 付兴虎; 陈翰; 金娃; 毕卫红
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2020-04-10
Anticipated expiration: 2039-12-12
Also published as: CN110987779B

Abstract

本发明公开了一种用于检测弱酸性混合气体腐蚀性强度的装置，利用酸性气体腐蚀金属圆筒厚度变薄、恒定扭矩加载不同厚度的薄壁圆筒产生的扭转角不同、薄壁圆筒内表面的位移拉伸光栅使其中心波长发生漂移的原理，实现了混合酸性气体腐蚀性强度的检测。本发明解决了现有技术检测周期长，无法实时监测的问题，使用两根不同固定方向的光栅解决了位移‑温度的交叉敏感问题，具有高灵敏度、可以实时监测的优点。

Description

一种用于检测弱酸性混合气体腐蚀性强度的装置

技术领域

本发明涉及光学传感器技术领域，特别是涉及一种基于薄壁圆筒的扭转式酸性气体腐蚀性传感器。

背景技术

半导体生产过程涉及多种工艺，每种工艺在生产过程中都会使用和产生多种酸性气体，统称为气相污染物。实际证明，多种气体混合的情况可能产生协同作用，单项污染物测定数据无法表明这种可能的协同效应所造成的影响。目前广泛应用的方法为环境反应监测法，将环境反应采样片放在气体环境中的各个待测区域，时间以30天为一个周期，到期后取出采样片，显微镜下观察采样片厚度的变化，根据一个周期内采样片厚度的减少量来确定气体环境的污染程度。环境反应采样片的材料通常含有铜或铜和其他金属的组合即铜合金。反应性监测可以显示气相污染物对材料的具体影响，但该方法的缺点是监测周期过长，无法实现金属采样片厚度的实时监测，而且无法得知环境气体的具体浓度值。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于检测弱酸性混合气体腐蚀性强度的装置，以解决上述现有技术存在的技术问题，实现高灵敏度、实时性传感。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种用于检测弱酸性混合气体腐蚀性强度的装置，包括金属薄壁圆筒、轴承、第一固定支座、第二固定支座、位移传感光栅、温度传感光栅、旋转轴、绳索、固定螺钉、重物块、环形器、1分2光纤分束器、ASE宽带光源和光谱仪，所述第一固定支座与所述第二固定支座相对设置，所述轴承的外圈固定于所述第一固定支座上，所述旋转轴的第一端同轴固定于所述轴承的内圈上，所述旋转轴的第二端与所述金属薄壁圆筒的第一端同轴固定相连，所述金属薄壁圆筒的第二端与所述第二固定支座固定相连，所述金属薄壁圆筒与所述旋转轴外径相同，所述绳索缠绕于所述旋转轴上，所述固定螺钉与所述旋转轴螺纹连接，所述绳索的第一端夹紧于所述固定螺钉于所述旋转轴之间，所述绳索的第二端自然悬垂，所述重物块固定于所述绳索的第二端，所述位移传感光栅沿纵向粘贴于所述金属薄壁圆筒内表面，所述温度传感光栅沿周向粘贴于所述金属薄壁圆筒内表面，所述第二固定支座上设有通孔，所述位移传感光栅的一端和所述温度传感光栅的一端穿过所述通孔并分别连接一所述环形器的2端口，每个所述环形器的1端口分别连接一所述1分2光纤分束器的两个分光端口，每个所述环形器的3端口连接一所述的光谱仪，所述的1分2光纤分束器的光源输入端口连接一所述的ASE宽带光源。

优选地，还包括基座，所述第一固定支座和所述第二固定支座均为L型，所述第一固定支座和所述第二固定支座的水平部分设置有若干螺纹孔，所述第一固定支座和所述第二固定支座通过螺钉与所述基座固定相连。

优选地，所述轴承的外圈与所述第一固定支座之间、所述旋转轴的第一端与所述轴承的内圈之间、所述旋转轴的第二端与所述金属薄壁圆筒的第一端之间和所述金属薄壁圆筒的第二端与所述第二固定支座之间均为焊接固定。

优选地，所述金属薄壁圆筒为铜合金材质。

优选地，所述绳索为尼龙绳。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1.本发明结构简单，设计合理，本发明结构中无电气部件，使用光学传感元件，保证了装置在腐蚀气体环境中的稳定性；

2.本发明改善了现有方法灵敏度低，检测周期长的缺点，实现高灵敏度，实时监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例用于检测弱酸性混合气体腐蚀性强度的装置的结构示意图；

图2为恒定扭矩加载装置的结构示意图；

图3为位移传感光栅和温度传感光栅在薄壁圆筒内的固定方式示意图；

附图标记说明：1.恒定扭矩加载装置；2.金属薄壁圆筒；3.轴承；4.第一固定支座；5.第二固定支座；6.位移传感光栅；7.温度传感光栅；8.旋转轴；9.绳索；10.固定螺钉；11.重物块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-3所示，本实施例提供一种用于检测弱酸性混合气体腐蚀性强度的装置，包括金属薄壁圆筒2、轴承3、第一固定支座4、第二固定支座5、位移传感光栅6、温度传感光栅7、旋转轴8、绳索9、固定螺钉10、重物块11、环形器、1分2光纤分束器、ASE宽带光源和光谱仪。

其中，第一固定支座4与第二固定支座5相对设置，轴承3的外圈固定于第一固定支座4上。旋转轴8的第一端同轴固定于轴承3的内圈上，旋转轴8的第二端与金属薄壁圆筒2的第一端同轴固定相连，金属薄壁圆筒2的第二端与第二固定支座5固定相连。当旋转轴8旋转时，能够对金属薄壁圆筒2施加转矩，金属薄壁圆筒2在外加转矩作用下能够发生扭转变形。金属薄壁圆筒2与旋转轴8外径相同，以便于使两者同轴固定以及便于后续计算。绳索9缠绕于旋转轴8上，固定螺钉10与旋转轴8螺纹连接，绳索9的第一端夹紧于固定螺钉10于旋转轴8之间，绳索9的第二端自然悬垂，重物块11固定于绳索9的第二端。绳索9、旋转轴8、固定螺钉10和重物块11组成恒定扭矩加载装置1，通过重物块11和绳索9向旋转轴8施加恒定转矩，旋转轴8可以自由转动而水平和竖直位置保持不变。位移传感光栅6沿纵向粘贴于金属薄壁圆筒2内表面，温度传感光栅7沿周向粘贴于金属薄壁圆筒2内表面，第二固定支座5上设有通孔，位移传感光栅6的一端和温度传感光栅7的一端穿过通孔并分别连接一所述环形器的2端口，每个所述环形器的1端口分别连接一所述1分2光纤分束器的两个分光端口，每个所述环形器的3端口连接一所述的光谱仪，所述的1分2光纤分束器的光源输入端口连接一所述的ASE宽带光源。本实施例中，位移传感光栅6和温度传感光栅7的物理参数完全相同，中心波长1550nm，反射率90％以上。

需要说明的是，为了获得更高的灵敏度，需要将光栅栅区部分的涂覆层剥除。由于使用剥线钳剥除涂覆层会不可避免地对光纤造成损伤，影响其传感特性，故本实施例使用有机溶剂溶解法实现涂覆层的剥离。将位移传感光栅6和温度传感光栅7的栅区部分浸泡于有机溶剂如丙酮溶液中20分钟，取出后使用去离子水冲洗掉残余溶液，最后使用医用棉蘸取少量酒精擦拭裸露的光纤。使用时需要先将填充物(密封胶等)填充于第二固定支座5的通孔处，避免进入金属薄壁圆筒2内，然后再将其置于酸性环境中。

本实施例中，光纤光栅固定方式如图3所示。在金属薄壁圆筒2内壁上沿纵向分别在两端选择两个点，使用环氧树脂胶将位移传感光栅6在该两点处与金属薄壁圆筒2的内壁粘合固定，用以感受位移变化。在环氧树脂胶上涂覆硅橡胶是为了避免环氧树脂胶被酸性气体腐蚀后导致粘合力发生下降。在金属薄壁圆筒2的内壁上沿周向固定温度传感光栅7，用以感受环境温度变化，给位移传感光栅6做温度补偿，解决本实施例的位移-温度交叉敏感问题。光纤光栅受应变和温度导致的中心波长漂移公式为：

式中，Δλ_B为应变引起的波长位移，P_e为位移传感光栅6的有效弹光系数，ε为外加轴向应变，λ_B为光纤光栅初始中心波长，α为温度传感光栅7的热膨胀系数，ξ为温度传感光栅7的热光系数，ΔT为温度变化量。

使用时，将本实施例的用于检测弱酸性混合气体腐蚀性强度的装置放置并固定于密封酸性混合气体环境中，恒定扭矩加载装置1输出恒定扭矩。设输出扭矩M_n＝2.5N·m，旋转轴8的外径D＝10mm，由公式M_n＝mg·R计算可得重物块11质量m＝51kg。扭矩加载到外径与旋转轴8相同、内径d＝9.6mm，长度l＝0.5m、弹性模量G＝105GPa，泊松比μ＝0.34、剪切弹性模量

的材质为H62黄铜的薄壁圆筒上带动其扭转。当薄壁圆筒受到酸性气体腐蚀后，金属厚度减小1nm，在恒定扭矩的作用下，薄壁圆筒会进一步扭转，根据公式

(其中极惯性矩

)计算扭转前后的扭转角变化量Δθ＝1.15×10-6rad，薄壁圆筒内壁上固定位移传感光栅6的两个固定点间的距离因为扭转而变大，从而拉动位移传感光栅6发生形变，理论计算应变量ε＝Δl/l＝2.57×10-7，光纤光栅应变导致其反射光谱中心波长发生漂移，此现象可以通过与光纤光栅连接的光谱仪观测，根据位移传感光栅6中心波长漂移公式Δλ_B＝(1-P_e)·ε·λ_B，理论计算可得Δλ_B＝-8.76×10-5nm，即当金属薄壁圆筒2被环境气体腐蚀厚度减小1nm时，位移传感光栅6的中心波长会向短波方向漂移0.86×10-5nm。上述计算表明，薄壁圆筒腐蚀厚度和位移传感光栅6中心波长漂移量存在一定对应关系。

具体的，本实施例还包括基座，第一固定支座4和第二固定支座5均为L型，第一固定支座4和第二固定支座5的竖直部分正对设置，第一固定支座4和第二固定支座5的水平部分设置有若干螺纹孔，第一固定支座4和第二固定支座5通过螺钉与基座固定相连。

更具体的，本实施例的轴承3的外圈与第一固定支座4之间、旋转轴8的第一端与轴承3的内圈之间、旋转轴8的第二端与金属薄壁圆筒2的第一端之间和金属薄壁圆筒2的第二端与第二固定支座5之间均为焊接固定，本领域技术人员也可根据需要选择粘接等其它固定方式，只要能够实现相互固定即可。

进一步的，本实施例中绳索9为绳索9，本领域技术人员还可选用聚脂纤维(涤纶)材质的绳索9。更进一步的，为了在保持基本结构强度的条件下减小金属薄壁圆筒2的厚度，增大金属薄壁圆筒2的长度，本实施例中金属薄壁圆筒2为铜合金材质，具体为H62黄铜，本领域技术人员也可选用其他材质的金属薄壁圆筒2，例如使用银材质作为反应性监测试件，因为银对空气中的氯非常敏感，而氯对金属的腐蚀破坏性很强。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种用于检测弱酸性混合气体腐蚀性强度的装置，其特征在于，包括金属薄壁圆筒、轴承、第一固定支座、第二固定支座、位移传感光栅、温度传感光栅、旋转轴、绳索、固定螺钉、重物块、环形器、1分2光纤分束器、ASE宽带光源和光谱仪，所述第一固定支座与所述第二固定支座相对设置，所述轴承的外圈固定于所述第一固定支座上，所述旋转轴的第一端同轴固定于所述轴承的内圈上，所述旋转轴的第二端与所述金属薄壁圆筒的第一端同轴固定相连，所述金属薄壁圆筒的第二端与所述第二固定支座固定相连，所述金属薄壁圆筒与所述旋转轴外径相同，所述绳索缠绕于所述旋转轴上，所述固定螺钉与所述旋转轴螺纹连接，所述绳索的第一端夹紧于所述固定螺钉于所述旋转轴之间，所述绳索的第二端自然悬垂，所述重物块固定于所述绳索的第二端，所述位移传感光栅沿纵向粘贴于所述金属薄壁圆筒内表面，所述温度传感光栅沿周向粘贴于所述金属薄壁圆筒内表面，所述第二固定支座上设有通孔，所述位移传感光栅的一端和所述温度传感光栅的一端穿过所述通孔并分别连接一所述环形器的2端口，每个所述环形器的1端口分别连接一所述1分2光纤分束器的两个分光端口，每个所述环形器的3端口连接一所述的光谱仪，所述的1分2光纤分束器的光源输入端口连接一所述的ASE宽带光源。

2.根据权利要求1所述的用于检测弱酸性混合气体腐蚀性强度的装置，其特征在于，还包括基座，所述第一固定支座和所述第二固定支座均为L型，所述第一固定支座和所述第二固定支座的水平部分设置有若干螺纹孔，所述第一固定支座和所述第二固定支座通过螺钉与所述基座固定相连。

3.根据权利要求1所述的用于检测弱酸性混合气体腐蚀性强度的装置，其特征在于，所述轴承的外圈与所述第一固定支座之间、所述旋转轴的第一端与所述轴承的内圈之间、所述旋转轴的第二端与所述金属薄壁圆筒的第一端之间和所述金属薄壁圆筒的第二端与所述第二固定支座之间均为焊接固定。

4.根据权利要求1所述的用于检测弱酸性混合气体腐蚀性强度的装置，其特征在于，所述金属薄壁圆筒为铜合金材质。

5.根据权利要求1所述的用于检测弱酸性混合气体腐蚀性强度的装置，其特征在于，所述绳索为尼龙绳。