CN111257286B - 基于MgTiV-PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MgTiV‑PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置，该报警装置主要由可见光光源、光敏电阻、STM32ZET106微控制器、抗弯曲多模光纤和MgTiV‑PdCu复合薄膜构成。采用低成本的可见光光源、光敏电阻和STM32ZET106微控制器可以实现光信号的处理功能和氢气浓度的计算，从而大幅降低光纤氢气传感系统成本；利用抗弯曲光纤和MgTiV‑PdCu复合薄膜制备光纤氢气传感探头，可以大幅提高传感系统的稳定性和抗干扰能力。本发明提供的基于MgTiV‑PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置，在提高传感器抗干扰能力和大幅降低光纤氢气传感系统成本前提下，可以实现低浓度氢气的安全检测和预警，具有广阔的应用前景。

Description

基于MgTiV-PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置

技术领域

本发明涉及一种基于MgTiV-PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置，属于氢气传感器薄膜及氢气报警装置技术领域。

背景技术

近年来，随着科学技术的发展，人们越来越注重对环境的保护和资源的节约，传统的石油，煤碳能源，都属于不可再生能源，且会对环境造成一定的污染。而氢气因为其无污染，可再生，效率高等优点，被当作下一代重要的清洁能源和化工原料。然而，氢气分子小，容易泄露，且化学性质活泼，在空气中浓度达到4%~75%遇明火就会产生爆炸，造成巨大的损失。所以，一个低成本，便携式，能在一个浓度范围准确报警的小型氢气报警器在氢能源的生产和储存过程中对我们监测氢气浓度，预防爆炸事故的发生有重要的意义。

传统的电化学传感器的原理是将氢气浓度信号转换为电信号，再进行采集和处理，所以依然存在产生电火花从而引起爆炸的危险；另外电化学传感器的传感探头工作温度过高，且电化学传感器对氢气的选择性较差，可能会出现误判的情况，因此传统的电化学传感器难以在氢气的生产、运输和储存中起到安全可靠报警的作用。光纤氢气传感器将氢气浓度信号通过特定的氢气敏感材料转换成光信号，再对光信号进行处理，所以具有安全性好、抗电磁干扰、耐腐蚀及体积小等优点，是实现氢气泄露安全预警的理想方案。目前光纤氢气传感器主要分为微镜型、消逝场型、干涉型、布拉格光栅型氢气传感器等，这些传感系统成本较高和体积较大，在抗弯曲和振动方面还存在不足之处，严重阻碍这些传感器氢能源相关领域的应用。

发明内容

目的：为了解决光纤氢气传感系统成本高、体积大的缺点，提高光纤氢气传感系统抗弯曲和振动的干扰能力，进而在氢气的运输和储存设施中应用的问题，本发明提供一种基于MgTiV-PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种MgTiV-PdCu复合薄膜，包括：敏感层、催化剂层，所述敏感层上方设置有催化剂层，所述敏感层采用MgTiV薄膜，其含量为Mg原子含量为50~90%，Ti原子含量为5~25%，V原子含量为5~25%，所述催化剂层采用PdCu薄膜，其含量为Pd原子含量为60~80%，Cu原子含量为20~40%。

一种基于MgTiV-PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置，包括：传感探头，可见光光源输出的光信号通过光纤分路器的两端中的一端输入，从光纤分路器的单端传输至传感探头，返回的光从光纤分路器两端中的另一端传输到光敏电阻转换为电压信号，电压信号发送给控制与显示模块，所述控制与显示模块用于将电压信号转换为氢气浓度，并显示氢气浓度；所述传感探头包括多模光纤，多模光纤端部涂有氢气敏感薄膜，所述氢气敏感薄膜采用权利要求1所述的MgTiV-PdCu复合薄膜。

作为优选方案，还包括带孔钢管，所述带孔钢管套接在多模光纤自由端，带孔钢管3-2的端部通过环氧树脂3-1密封。

作为优选方案，还包括蜂鸣器和LED灯，所述蜂鸣器和LED灯分别与控制与显示模块相连接，用于当氢气浓度超过阈值时，LED亮起，蜂鸣器响起实现声光报警。

作为优选方案，还包括网络模块，所述网络模块与控制与显示模块相连接，网络模块用于将氢气报警信息通过网络发送给上位机。

作为优选方案，所述可见光光源采用中心波长为670nm的红光激光光源或650nm激光二极管光源，光源功率范围为1~600毫瓦。

作为优选方案，所述多模光纤采用弯曲不敏感多模光纤。

作为优选方案，所述网络模块采用ESP8266WIFI模块。

作为优选方案，控制与显示模块采用STM32F103ZET6处理器与LCD屏幕相连接。

作为优选方案，所述氢气敏感薄膜采用磁控溅射法沉积在多模光纤端面。

有益效果：本发明提供的基于MgTiV-PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置，在保证在氢气浓度超过一定阈值时准确报警的同时，利用ESP8266模块和STM32单片机方便组网进行多点监测报警，同时光电转换模块采用光敏电阻，光源部分采用可见激光光源大幅节约成本。同时光路传输部分，采用新型抗弯曲光纤制备光纤耦合器和传感探头，极大地提高光纤氢气传感器的抗干扰能力。其优点如下：

采用氢气敏感薄膜、系统结构和信号处理方法，具有较好的可靠性和稳定性，能够实现一定氢气浓度的准确报警，同时光信号的发送和转换采用波长可见光光源和一个光敏电阻，相对于基于通信波段光源和光纤光栅解调模块传感系统具有明显的成本优势，并且精度更高，具有成本低和安全可靠等优点，适合用于氢气生产和使用过程中的监测与报警；同时传统的光强调制型光纤氢气传感器，难以多点分布式组网，而本发明的氢气报警装置可以放置多个在生产车间运输设备中，并且利用ESP8266WIFI模块发送设备状态到网上进行统一管理。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图；

图2为传感探头的结构细节图；

图3为MgTiV-PdCu复合薄膜的结构示意图；

图4为沉积在Si片上氢气敏感薄膜的元素测试分析图；

图5为实施例的不同氢气浓度下的响应。

图中：1为可见光光源，2为光纤分路器，3为传感探头，4为光敏电阻，5为控制与显示模块，6为ESP8266WIFI模块，7为网络终端，3-1为环氧树脂，3-2为带孔钢管，3-3为氢气敏感薄膜，3-3-1为MgTiV薄膜，3-3-2为PdCu催化薄膜，3-4为弯曲不敏感多模光纤。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明提供一种基于MgTiV-PdCu复合薄膜的小型光纤氢气联网报警装置，如图1和图2所示，包括：可见光光源1，光纤分路器2，传感探头3，光敏电阻4，控制与显示模块5，ESP8266WIFI模块6，网络终端7；其中，可见光光源1输出的光信号通过光纤分路器2的两端中的一端输入，从光纤分路器2的单端传输至传感探头，返回的光从光纤分路器2两端中的另一端传输到光敏电阻4转换为电压信号，电压信号在控制与显示模块5中转换为当前电压值和氢气浓度显示，并通过ESP8266WIFI模块6将系统实时的状态发送到网络终端7；所述的传感探头3包括带孔钢管3-2起保护探头的作用，带孔钢管3-2内设有1根多模光纤3-4，且端部涂有氢气敏感薄膜3-3；带孔钢管3-2的端部通过环氧树脂3-1密封。

所述的微型计算机处理模块，是基于STM32F103ZET6的最小单片机系统，我们在该最小单片机系统上外加了LCD屏幕来显示即时的电压值和换算出来的氢气浓度，并且也加上了一个蜂鸣器和LED灯，当氢气浓度超过阈值时，LED亮起，蜂鸣器响起实现声光报警，并同时将报警信息上传到网上，方便记录和查看。

按上述方案，所述的控制与显示模块的原理是，可见光光源1发出的光信号通过光纤分路器2的两端中的一端输入，经过光纤分路器2的单端传输至传感探头3，传感探头3内部多模光纤3-4端面的氢气敏感薄膜3-3将一部分可见光光源发出的光反射回来，反射的光从光纤分路器2两端中的另一端传输到光敏电阻4转换为电压信号。由于氢气敏感薄膜3-3的反射率受到所处环境氢气的影响，在不同浓度的氢气下，氢气敏感薄膜的反射率会发生改变，从而改变到达光敏电阻的光强，光强改变后光敏电阻两端电压值也随之发生改变，最后电压强度和氢气浓度直接存在一定对应关系，通过标定之后我们便可以根据电压值的强度来得出氢气浓度，设定电压阈值之后便可以实现报警功能。

所述的可见光光源1采用中心波长为670nm的红光激光光源或650nm激光二极管光源，光源功率范围为1~600毫瓦。

所述的光纤分路器的两端的功率输入比在0.1~1之间；输入端能量较高的一端与可见光光源相连，输入端能量较低的一端与光敏电阻的相连。

所述的带孔钢管为一根长度10cm不锈钢钢管，钢管内设有1根多模光纤且端部沉积氢气敏感薄膜。

所述的光纤分路器和传感探头采用新型弯曲不敏感多模光纤，其型号长飞超贝®OM2+ 和超贝 ® 宽带 OM5 弯曲不敏感多模光纤。

所述的光敏电阻，响应范围在可见光范围内，且光照强度变大时，光敏电阻的阻值变小。

所述的带孔钢管3-2起着保护探头的作用。

所述的ESP8266WIFI模块6，通过连接上WIFI之后，将我们的数据实时的发送到网络终端，方便我们在远程实时监控与控制。

所述的显示与控制模块5，是基于STM32F103ZET6和LCD屏幕的控制和显示模块，STM32F103ZET6这块芯片内部集成了ADC模块和USART串口模块，当光强改变时，光敏电阻两端的电压改变，我们通过ADC模块将光敏电阻两端电压值量化成数字电压，同时每3次取一次平均输出到LCD屏幕上即时的显示，提高我们系统的稳定性和准确性，同时硬件设计上也加入了电容来滤除杂波；我们通过USART模块，实时的将单片机的状态通过串口发送到ESP8266WIFI模块6中，以达到联网组网的目的；经过标定后我们可以将当前的电压值转换为对应的氢气浓度值，当氢气浓度值超过一定的阈值时，我们便触发报警程序，微型处理器使能蜂鸣器和LED灯，触发声光报警，并且将报警状态发送到网上。

所述的氢气敏感薄膜采用MgTiV-PdCu复合薄膜，该薄膜采用磁控溅射法在新型弯曲不敏感多模光纤端面沉积一层MgTiV薄膜，然后采用磁控溅射法在MgTiV薄膜上沉积PdCu薄膜作为保护层和催化剂。上述MgTiV-PdCu复合薄膜中，MgTiV对氢气十分敏感且有较好的选择性和稳定性，保证了装置能精准报警，减少误报；PdCu起着催化剂的作用，可以将氢气分子变成氢原子加快反应的进行，保证了检测装置的灵敏度。

所述的氢气敏感薄膜采用MgTiV-PdCu复合薄膜。

所述的氢气敏感薄膜包括两层薄膜，其中第一层薄膜3-3-1设置为敏感层，厚度为10~50nm，第二层薄膜3-3-2设置为催化剂层，厚度为20~40nm之间，敏感层MgTiV中Mg原子含量为50~90%，Ti原子含量为5~25%，V原子含量为5~25%；催化剂层PdCu中Pd原子含量为60~80%，Cu原子含量为20~40%，所述百分比均为原子比。

所述的氢气敏感薄膜包括两层薄膜，其中第一层薄膜厚度为10~50nm，第二层薄膜的厚度为20~40nm之间。

如图3所示，最强峰是Si基底的峰，氢敏薄膜中Mg、Ti、V 、Pd和Cu元素的特征峰可以观察到。测试结果表明MgTiV薄膜中Mg、Ti和V原子比大约为61：18：21，PdCu薄膜中Pd和Cu原子比大约为76：24，该薄膜成分符合预期设计组分。

所述的控制与显示模块5根据读取光敏电阻4两端的电压值，显示出当前的电压值，经过标定校准后，我们便可以通过此电压值计算出当前的氢气浓度值。

图4为本发明在不同氢气浓度下的响应，在实验室环境中，最低可以测到200ppm的氢气浓度。从图中可以看出，基于MgTiV-PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置对氢气浓度变化有较大的变化量和较快的响应速度，可以实现在氢气生产和运输过程中准确的监控和报警，并且方便组网，可以实现多点，多区域的测量和统一管理与维护。

本发明提供的一种基于MgTiV-PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置，光路部分采用抗弯曲多模光纤作为传输介质，可以避免已有光纤氢气传感器容易受到光路弯曲的影响；探头部分采用MgTiV-PdCu复合薄膜作为氢气敏感材料，保证了敏感薄膜的稳定性和选择性；670nm激光光源作为传感光源，1个光敏电阻作为感光元件，STM32芯片作为电压采集和数据传输模块，可以避免采用成本较高的红外光源和光纤光栅解调模块，极大地降低了系统成本；同时该装置体积小，ESP8266WIFI模块作为联网模块，利用Internet+WIFI进行快速组网，也克服了传统微镜型光纤传感器难以组网多点监测的缺点。实验结果表明该装置可以快速准确地在一个较宽的氢气浓度范围内实现报警的功能；所以该基于MgTiV-PdCu复合薄膜的小型氢气联网报警装置在氢能源汽车、氢能源发电设施等氢气储存与运输设施中有着广泛的应用前景。

Claims (9)

1.一种MgTiV-PdCu复合薄膜，包括：敏感层、催化剂层，其特征在于：所述敏感层上方设置有催化剂层，所述敏感层采用MgTiV薄膜，其含量为Mg原子含量为50~90%，Ti原子含量为5~25%，V原子含量为5~25%，所述催化剂层采用PdCu薄膜，其含量为Pd原子含量为60~80%，Cu原子含量为20~40%，所述百分比均为原子比。

2.一种基于MgTiV-PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置，包括：传感探头，其特征在于，可见光光源输出的光信号通过光纤分路器的两端中的一端输入，从光纤分路器的单端传输至传感探头，返回的光从光纤分路器两端中的另一端传输到光敏电阻转换为电压信号，电压信号发送给控制与显示模块，所述控制与显示模块用于将电压信号转换为氢气浓度，并显示氢气浓度；所述传感探头包括多模光纤，多模光纤端部涂有氢气敏感薄膜，所述氢气敏感薄膜采用权利要求1所述的MgTiV-PdCu复合薄膜；

还包括蜂鸣器和LED灯，所述蜂鸣器和LED灯分别与控制与显示模块相连接，用于当氢气浓度超过阈值时，LED亮起，蜂鸣器响起实现声光报警。

3.根据权利要求2所述的基于MgTiV-PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置，其特征在于：还包括带孔钢管，所述带孔钢管套接在多模光纤自由端，带孔钢管的端部通过环氧树脂密封。

4.根据权利要求2所述的基于MgTiV-PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置，其特征在于：还包括网络模块，所述网络模块与控制与显示模块相连接，网络模块用于将氢气报警信息通过网络发送给上位机。

5.根据权利要求2所述的基于MgTiV-PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置，其特征在于：所述可见光光源采用中心波长为670nm的红光激光光源或650nm激光二极管光源，光源功率范围为1~600毫瓦。

6.根据权利要求2所述的基于MgTiV-PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置，其特征在于：所述多模光纤采用弯曲不敏感多模光纤。

7.根据权利要求4所述的基于MgTiV-PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置，其特征在于：所述网络模块采用ESP8266WIFI模块。

8.根据权利要求2所述的基于MgTiV-PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置，其特征在于：控制与显示模块采用STM32F103ZET6处理器与LCD屏幕相连接。

9.根据权利要求2所述的基于MgTiV-PdCu复合薄膜的光纤氢气联网报警装置，其特征在于：所述氢气敏感薄膜采用磁控溅射法沉积在多模光纤端面。

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