CN111896606A - 基于微带天线的氢气浓度传感器及其系统 - Google Patents
基于微带天线的氢气浓度传感器及其系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及基于微带天线的氢气浓度传感器及其系统,具体而言涉及氢气传感领域。氢气浓度传感器的敏感吸附层的材料为氢敏感材料,氢敏感材料对氢气较为敏感,并且吸收周围的氢气,使得自身的介电常数和体积发生改变,在氢气浓度传感器周围氢气浓度较大时,该氢敏感吸附层吸收周围空气中的氢气,改变了辐射贴片和接地板之间的距离和介电常数,由于该辐射贴片、敏感吸附层、绝缘层和接地板组成了微带天线,微带天线的谐振频率与该辐射贴片和接地板之间的距离和介电常数有关,从而使得该微带天线的谐振频率发生改变,通过测量该微带天线的谐振频率的改变情况,并通过微带天线的谐振频率的改变情况与氢气浓度的对应关系,得到待测的氢气浓度。
Description
技术领域
本发明涉及氢气传感领域,具体而言涉及一种基于微带天线的氢气浓度传感器及其系统。
背景技术
氢气作为一种清洁新能源,在石化、电子、冶金、航天及汽车等诸多领域有着广泛的应用。但是氢气密度极低,扩散系数高、无色无嗅和易燃易爆,人的感官无法检测到它的存在,所以氢气的安全储藏和运输并不容易。因此在生产、储存和运输中检测氢泄漏并对气体浓度进行量化十分重要,所以制备出对氢气极其敏感和准确的气体传感器对于氢能源的广泛应用和社会生产生活的安全至关重要。
现有技术中采用的是电化学氢气浓度传感器,电化学氢气浓度传感器在使用过程中容易产生电火花,从而引起爆炸,安全性能较差,灵敏度较低。
发明内容
本发明的目的在于,针对上述现有技术中的不足,提供一种基于微带天线的氢气浓度传感器及其系统,以解决现有技术中采用的是电化学氢气浓度传感器,电化学氢气浓度传感器在使用过程中容易产生电火花,从而引起爆炸,安全性能较差,灵敏度较低的问题。
为实现上述目的,本发明实施例采用的技术方案如下:
第一方面,本发明提供了一种基于微带天线的氢气浓度传感器,氢气浓度传感器包括:辐射贴片、敏感吸附层、绝缘层和接地板;绝缘层设置在接地板的一侧,敏感吸附层包裹在绝缘层的远离接地板的一侧和四周,辐射贴片设置在敏感吸附层远离接地板的一侧,辐射贴片和接地板的材料为金属良导体材料,敏感吸附层的材料为氢敏感材料。
可选地,该绝缘层的材料为绝缘材料。
可选地,该敏感吸附层的材料为氧化锡和三氧化钨中的至少一种。
可选地,该辐射贴片和接地板的材料为银和铜中的至少一种。
可选地,该绝缘材料为二氧化硅和氧化铝中的至少一种。
可选地,该敏感吸附层中掺杂有铂。
第二方面,本发明还提供了一种基于微带天线的氢气浓度传感器系统,氢气浓度传感器系统包括:矢量网络分析仪和第一方面任意一项的氢气浓度传感器,矢量网络分析仪与氢气浓度传感器通讯连接,用于检测基于微带天线的氢气浓度传感器频谱。
本发明的有益效果是:本发明提供了一种基于微带天线的氢气浓度传感器,氢气浓度传感器包括:辐射贴片、敏感吸附层、绝缘层和接地板;绝缘层设置在接地板的一侧,敏感吸附层包裹在绝缘层的远离接地板的一侧和四周,辐射贴片设置在敏感吸附层远离接地板的一侧,辐射贴片和接地板的材料为金属良导体材料,由于敏感吸附层的材料为氢敏感材料,氢敏感材料对氢气较为敏感,并且吸收周围的氢气,使得自身的介电常数和体积发生改变,在氢气浓度传感器周围氢气浓度较大时,该氢敏感吸附层吸收周围空气中的氢气,改变了辐射贴片和接地板之间的距离和介电常数,由于该辐射贴片、敏感吸附层、绝缘层和接地板组成了微带天线,微带天线的谐振频率与该辐射贴片和接地板之间的距离和介电常数有关,从而使得该微带天线的谐振频率发生改变,通过测量该微带天线的谐振频率的改变情况,并通过微带天线的谐振频率的改变情况与氢气浓度的对应关系,得到待测的氢气浓度。本申请的氢气浓度传感器将氢气测量问题转化为微带天线的谐振频率,由于现有技术对微带天线的谐振频率测量的准确性和精度均较高,则使得本申请的氢气浓度传感器测量氢气浓度的灵敏度较高,且本申请不存在直接与氢气接触的电子设备,则不易产生火花,引起爆炸,安全性能较高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,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相关的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种基于微带天线的氢气浓度传感器的横截面示意图;
图2为本发明一实施例提供的另外一种基于微带天线的氢气浓度传感器的横截面示意图;
图3为本发明一实施例提供的另外一种基于微带天线的氢气浓度传感器的横截面示意图。
图标:1-辐射贴片;2-敏感吸附层;3-绝缘层;4-接地板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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,所描述的实施例是本发明一金属板实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外,术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂,而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平,并不是表示该结构一定要完全水平,而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了使本发明的实施过程更加清楚,下面将会结合附图进行详细说明。
实施例1
图1为本发明一实施例提供的一种基于微带天线的氢气浓度传感器的横截面示意图;如图1所示,本发明提供了一种基于微带天线的氢气浓度传感器,氢气浓度传感器包括:辐射贴片1、敏感吸附层2、绝缘层3和接地板4;绝缘层3设置在接地板4的一侧,敏感吸附层2包裹在绝缘层3的远离接地板4的一侧和四周,辐射贴片1设置在敏感吸附层2远离接地板4的一侧,辐射贴片1和接地板4的材料为金属良导体材料,敏感吸附层2的材料为氢敏感材料。
该绝缘层3设置在该接地板4的上方,该敏感吸附层2设置在该绝缘层3的四周和上方,此处以该绝缘层3的形状为长方体进行说明,长方体的绝缘层3具有六个面,其中底面与该接地板4连接,顶部和其他四个面均设置有敏感吸附层2,即该敏感吸附层2为一个内部空间与绝缘层3相贴合的空腔,该辐射贴片1设置在该敏感吸附层2的上方,即该接地板4和该敏感吸附层2形成了一空腔,该空腔内部设置有绝缘层3,该辐射贴片1设置在该敏感吸附层2远离接地板4的一侧,该辐射贴片1、敏感吸附层2、绝缘层3和接地板4的形状和几何参数根据实际需要进行选择,为了方便说明,在此以该辐射贴片1、绝缘层3和接地板4的形状为长方体,该敏感吸附层2为“U”形结构,该“U”形结构的敏感吸附层2套设在该绝缘层3上,即该绝缘层3的长和宽均小于该敏感吸附层2的内壁的长和宽,该接地板4的长和宽可以等于该“U”形结构的敏感吸附层2外壁的长和宽,该辐射贴片1为体积略小的长方体,该接地板4和该敏感吸附层2形成的空腔内可以完全填充有绝缘层3,也可以留有空隙,在该敏感吸附层2在氢气的作用下,体积和介电常数发生改变时,该敏感吸附层2底部留有该敏感吸附层2扩张的空间,减少敏感吸附层2由于扩展不充分引起的对氢气浓度的测量误差,在氢气浓度传感器周围氢气浓度较大时,该氢敏感吸附层2吸收周围空气中的氢气,改变了辐射贴片1和接地板4之间的距离和介电常数,由于该辐射贴片1、敏感吸附层2、绝缘层3和接地板4组成了微带天线,微带天线的谐振频率与该辐射贴片1和接地板4之间的距离和介电常数有关,从而使得该微带天线的谐振频率发生改变,通过测量该微带天线的谐振频率的改变情况,并通过微带天线的谐振频率的改变情况与氢气浓度的对应关系,得到待测的氢气浓度,需要说明的是,该微带天线的谐振频率的改变情况与氢气浓度的对应关系工具实际测量得到在此不做过多说明。本申请的氢气浓度传感器将氢气测量问题转化为微带天线的谐振频率,由于现有技术对微带天线的谐振频率测量的准确性和精度均较高,则使得本申请的氢气浓度传感器测量氢气浓度的灵敏度较高,且本申请不存在直接与氢气接触的电子设备,则不易产生火花,引起爆炸,安全性能较高。
由传输线模型可知,微带天线的中心频率公式:
因此,在辐射贴片1形状确定的情况下,天线的有效电流长度确定,此时,天线的中心频率主要由介质基片的有效介电常数决定。
名词解释,介电常数是介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场,原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为介电常数又称诱电率,与频率相关。介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积。如果有高介电常数的材料放在电场中,电场的强度会在电介质内有可观的下降。理想导体的相对介电常数为无穷大。
可选地,该绝缘层3的材料为绝缘材料。
该绝缘层3的材料为绝缘材料,可以是单一的绝缘材料,也可以是多种绝缘材料组成的混合材料,该绝缘材料的具体类型根据实际需要进行选择,在此不做具体限定。
可选地,该敏感吸附层2的材料为氧化锡和三氧化钨中的至少一种。
由于氧化锡和三氧化钨均具有稳定的化学特性和较高的氧空位扩散系数,对氢气具有优良的敏感特性,则该敏感吸附层2的材料可以为氧化锡,还可以为三氧化钨,还可以为氧化锡和三氧化钨组成的混合材料,若该敏感吸附层2的材料为氧化锡和三氧化钨组成的混合材料,则该混合材料的混合比例根据实际需要进行设置,在此不做具体限定。
可选地,该辐射贴片1和接地板4的材料为银和铜中的至少一种。
该辐射贴片1和接地板4的材料为可以为银,还可以为铜,还可以为银和铜组成的混合材料,若辐射贴片1和接地板4的材料为银和铜组成的混合材料,则该混合材料的混合比例根据实际需要进行设置,在此不做具体限定。
可选地,该绝缘材料为二氧化硅和氧化铝中的至少一种。
该绝缘材料为可以为二氧化硅,还可以为氧化铝,还可以为二氧化硅和氧化铝组成的混合材料,若绝缘材料为二氧化硅和氧化铝组成的混合材料,则该混合材料的混合比例根据实际需要进行设置,在此不做具体限定。
可选地,该敏感吸附层2中掺杂有铂。
利用磁控溅射法在在该敏感吸附层2中掺杂少量的铂,可以催化三氧化钨与氢气的反应,从而提高其对氢气的敏感程度。
本发明提供了一种基于微带天线的氢气浓度传感器,氢气浓度传感器包括:辐射贴片1、敏感吸附层2、绝缘层3和接地板4;绝缘层3设置在接地板4的一侧,敏感吸附层2包裹在绝缘层3的远离接地板4的一侧和四周,辐射贴片1设置在敏感吸附层2远离接地板4的一侧,辐射贴片1和接地板4的材料为金属良导体材料,由于敏感吸附层2的材料为氢敏感材料,氢敏感材料对氢气较为敏感,并且吸收周围的氢气,使得自身的介电常数和体积发生改变,在氢气浓度传感器周围氢气浓度较大时,该氢敏感吸附层2吸收周围空气中的氢气,改变了辐射贴片1和接地板4之间的距离和介电常数,由于该辐射贴片1、敏感吸附层2、绝缘层3和接地板4组成了微带天线,微带天线的谐振频率与该辐射贴片1和接地板4之间的距离和介电常数有关,从而使得该微带天线的谐振频率发生改变,通过测量该微带天线的谐振频率的改变情况,并通过微带天线的谐振频率的改变情况与氢气浓度的对应关系,得到待测的氢气浓度。本申请的氢气浓度传感器将氢气测量问题转化为微带天线的谐振频率,由于现有技术对微带天线的谐振频率测量的准确性和精度均较高,则使得本申请的氢气浓度传感器测量氢气浓度的灵敏度较高,且本申请不存在直接与氢气接触的电子设备,则不易产生火花,引起爆炸,安全性能较高。
实施例2
图2为本发明一实施例提供的另外一种基于微带天线的氢气浓度传感器的横截面示意图;如图2所示,本实施例中另外一种微带天线的氢气浓度传感器,与实施例1基本相同,区别仅在于绝缘层3靠近接地板4设置,辐射贴片1设置在绝缘层3远离接地板4一侧的中部,敏感吸附层2设置在绝缘层3远离接地板4一侧的两端,即该两部分敏感吸附层2分别设置在辐射贴片1的两侧。
由于敏感吸附层2直接位于绝缘层3的上部表面,在实验上更方便敏感吸附层2与绝缘层3的制备。
由微带天线的工作原理可知,天线谐振频率对介质基片的有效介电常数及厚度非常敏感。本发明中,敏感吸附层2位于绝缘层3上,二者一起构成微带天线中间的介质基片。使用时,敏感吸附层2吸附不同浓度的氢气后介电常数和厚度会发生不同变化,导致介质基片的厚度、介电常数有效介电常数发生相应变化,从而导致天线谐振频率发生变化。由于天线谐振频率与氢气浓度一一对应,故可以通过探测天线谐振频率的偏移量实现对氢气浓度的精确传感。此外,由于本发明氢气浓度传感器是基于微带天线结构设计,因此还具有尺寸小、安全稳定的优点。
实施例3
图3为本发明一实施例提供的另外一种基于微带天线的氢气浓度传感器的横截面示意图;如图3所示,本实施例中另外一种微带天线的氢气浓度传感器,与实施例1基本相同,区别仅在于绝缘层3靠近接地板4设置,辐射贴片1设置在绝缘层3远离接地板4一侧的中部,敏感吸附层2设置在绝缘层3远离接地板4一侧的一端,即该敏感吸附层2分别设置在辐射贴片1的一侧。
这样当氢气浓度发生变化时,敏感吸附层2和绝缘层3组成的介质基片发生不均匀变化,从而更加容易引起天线谐振频率的改变。由于天线谐振频率与氢气浓度一一对应,故可以通过探测天线谐振频率的偏移量实现对氢气浓度的更加灵敏的传感。此外,由于本发明氢气浓度传感器是基于微带天线结构设计,因此还具有尺寸小、安全稳定的优点。
实施例4
基于实施例1,实施例2和实施例3任意一种基于微带天线的氢气浓度传感器,本申请实施例还提供了一种基于微带天线的氢气浓度传感器系统,氢气浓度传感器系统包括:矢量网络分析仪和上述任意一项的氢气浓度传感器,矢量网络分析仪与氢气浓度传感器通讯连接,用于检测基于微带天线的氢气浓度传感器频谱。
当氢气浓度发生变化时,敏感吸附层2和绝缘层3一起构成微带天线的介质基片的厚度、介电常数有效介电常数发生相应变化,从而导致天线谐振频率发生变化。矢量网络分析仪用于接受检测该谐振频率的变化。最终通过矢量网络分析仪检测到的天线谐振频率偏移量的变化可以准确完成对氢气浓度的传感。由于微带天线的频率漂移对介质基片的有效介电常数及厚度非常敏感,因此该氢气传感装置性能良好。
以上仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于微带天线的氢气浓度传感器,其特征在于,所述氢气浓度传感器包括:辐射贴片、敏感吸附层、绝缘层和接地板;所述绝缘层设置在所述接地板的一侧,所述敏感吸附层包裹在所述绝缘层的远离所述接地板的一侧和四周,所述辐射贴片设置在所述敏感吸附层远离所述接地板的一侧,所述辐射贴片和所述接地板的材料为金属良导体材料,所述敏感吸附层的材料为氢敏感材料。
2.根据权利要求1所述的基于微带天线的氢气浓度传感器,其特征在于,所述绝缘层的材料为绝缘材料。
3.根据权利要求1所述的基于微带天线的氢气浓度传感器,其特征在于,所述敏感吸附层的材料为氧化锡和三氧化钨中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的基于微带天线的氢气浓度传感器,其特征在于,所述辐射贴片和所述接地板的材料为银和铜中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的基于微带天线的氢气浓度传感器,其特征在于,所述绝缘材料为二氧化硅和氧化铝中的至少一种。
6.根据权利要求3所述的基于微带天线的氢气浓度传感器,其特征在于,所述敏感吸附层中掺杂有铂。
7.一种基于微带天线的氢气浓度传感器系统,其特征在于,所述氢气浓度传感器系统包括:矢量网络分析仪和权利要求1-6任意一项所述的氢气浓度传感器,所述矢量网络分析仪与所述氢气浓度传感器通讯连接,用于检测所述基于微带天线的氢气浓度传感器频谱。
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Cited By (3)
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