CN115825170A

CN115825170A - 一种氢气浓度探测传感器

Info

Publication number: CN115825170A
Application number: CN202211340798.5A
Authority: CN
Inventors: 陈小青
Original assignee: Shenzhen Kewei New Technology Co ltd
Current assignee: Shenzhen Kewei New Technology Co ltd
Priority date: 2022-10-29
Filing date: 2022-10-29
Publication date: 2023-03-21

Abstract

本发明提供了一种氢气浓度探测传感器，利用氢气超高热导率，通过对加热线路施加电压来产生热量，热量在热传导腔中通过被测气体因对流和辐射而传输至感应线路，通过实时监测感应线路两极的阻值来到达测量感应线路温度，由温度升值幅度与升温时程的比值来对应氢气浓度从而完成浓度测量；氢气浓度传感器的运行分为基态、过渡态和高速响应态三种状态，根据浓度变化三种运行状态间可以相互转变；基态是指氢气浓度为零的探头参数表现，是传感器对标的基础；过渡态是基态稳定性被打破之后的运行态，打破稳定的可能是被测浓度改变，亦或是外部环境参数的突然改变；高速响应态是传感器过渡态的后续状态，目的是持续监控氢气泄漏情况，持续保持浓度探测。

Description

一种氢气浓度探测传感器

技术领域

本发明涉及新能源之氢能源汽车领域，具体地涉及氢能源汽车安全防护装置，更具体涉及一种氢气浓度探测传感器。

背景技术

氢气作为一种清洁能源，具有燃烧效率高、产物仅为水对环境无污染等优点而备受青睐。在生活中，常见的氢动力能源电动汽车就是利用氢气的无污染性，但氢气具有易燃易爆性，无色无味，在泄漏时人体无法察觉。在新能源汽车中，为确保相关设施的安全使用，需要配置氢气浓度传感器对可能产生氢气泄漏的氢燃料电池周围进行实时监测，以作为异常报警和联动控制的核心。

目前氢气传感器主要有电化学型、电学型、光学型三大类。本发明属于上述第二类的电学型传感器，它利用了氢气传热速率高的特点，通过热源释放热能，中间被测气体进行热传导，将热源释放的热量传递至特别设计的热敏电阻电子线路，通过测量单位时间内热敏电阻电子线路的电阻值变化量来探测氢气的浓度。

技术上前述原理要求对探头持续加热，然而加热的极限是毋庸置疑的，所以，在工程中需要针对加热过程施加一个反向的散热过程，然后再加热，如此实现一种持续、间隙、周期式的热传导及温度被测与受控的过程。

发明内容

本发明主要解决的技术问题在于提供了一种氢气浓度探测传感器，利用氢气超高热导率，通过对加热线路施加电压来产生热量，热量在热传导腔中通过被测气体因对流和辐射而传输至感应线路，通过实时监测感应线路两极的阻值来达到测量感应线路温度，由温度升值幅度与升温时程的比值来对应氢气浓度从而完成浓度测量。

为了提高流体端响应速度，在气体通道末端设置有强力风扇，通过强力风扇对于气体通道产生负压来拉动气体进入并快速通过气体通道。

感应线路需要维持一个较低冷源来建立相应的温度梯度，冷源是前述实现传感器气体热传导技术的前提条件，它与加热线路形成的热源共同提供了一个升温与降温的可持续的循环，并可实现传感器可获得的温度梯度的波动起伏特征以及得到该特征的节拍。

上述冷源具体可以将感应线路所附着的电极板与一种铲齿散热片相连接，铲齿散热片与空气充分接触且有足够的散热面积，成为所需要的冷源。

为实现上述目的，本发明采用如下具体方法来实现：一种氢气浓度探测传感器，包括了滤网、探头、铲齿散热器、外壳、外壳连接器、线束连接体、插头、线束、强力风扇、PCBA电子电路、控制软件、负压腔以及环境温度传感器。

所述探头是传感器的硬件核心部分，用于探测氢气的浓度。包括加热线路、感应线路、测温线路、热源板、冷源板、热传导腔所述热源板为两种材料的基板连接而成，具体为高导热率的、绝缘的热源陶瓷基板通过导热胶粘接在金属板上。所述冷源板为两种材料的基板连接而成，具体为高导热率的、绝缘的冷源陶瓷基板通过导热胶粘接在实心的金属板上。所述测温线路及所述加热线路被设置在热源板上，所述感应线路被设置在冷源板上。热源板与冷源板之间以线路面面对面排布，在二者线路面两侧、气体流动方向放置低热导率中空陶瓷片作为支撑板。热源板、冷源板与支撑板之间形成气体流通腔道为热传导腔。所述探头插针引线与上述加热线路、感应线路及测温线路末端相连，位于引线固定柱体内部并在末端形成电器插头。所述引线固定柱体为中空的柱体结构，作用为固定探头插针引线及热源板、冷源板，与外壳之间通过密封圈形成密封；其内部的通道对接热传导腔，内部还分布有与通道不重合的蜂窝孔；所述蜂窝孔上端连接外壳连接器上的可调节大小的通孔，蜂窝孔末端连接线束连接体上的通孔。

优选的，冷源板的金属基板从垂直于平面方向看为“品”字形结构，两侧的为悬臂结构，悬臂穿过外壳芯片腔墙壁延伸至外壳散热腔并与铲齿散热片连接。

所述外壳是传感器探头的封装结构，有三个腔道，分别为中间的芯片腔和两侧的散热腔，芯片腔与散热腔之间通过墙壁隔断，在隔断墙壁上设置有两条长矩形窗口，为探头冷源板提供固定结构。在两侧的散热腔中有用于安装铲齿散热片的平台，平台上设有通孔。外壳两端外侧设有用于固定传感器探头的孔位。外壳连接器上设置有可调节截面积大小通孔结构的调节孔，该调节孔与引线固定柱体上的散热蜂窝孔连通。

所述铲齿散热片为铲齿结构，铲齿散热片底部有形状大小与冷源板相同的沟道，沟道为与探头冷源板连接的结构，铲齿散热片固定安装在外壳散热腔中。

所述滤网由塑胶件主体及端部的滤布组成，作用为过滤进入芯片腔的气体。通过卡扣安装在外壳，在二者对接面安放有橡胶密封圈。

所述环境温度传感器为高精度NTC，被嵌入冷源板气体入口端孔中，其引线与PCBA电子电路连接。

所述线束包括引线与插簧端子，插簧端子镶嵌于线束连接体内部与探头插针引线相连，引线连接插簧端子与PCBA电子电路。

所述线束连接体为中空结构，通过卡扣连接在外壳连接器上，内部空腔连通引线固定柱体的通道及蜂窝孔末端。

所述负压腔为气体流经的全部通道，包括：外壳的芯片腔、探头的热传导腔、引线固定柱体的通道、引线固定柱体的蜂窝孔及插头的空腔。

所述强力风扇为高转速排气扇，安装在线束连接体尾部，为负压腔提供所需的负压，一方面保证气体可以顺利并快速通过气体探测通道；另一方面可加快引线固定柱体蜂窝孔中的气体流通速度，进而对引线固定柱体降温。

所述PCBA电子电路放置在位于线束连接体主体部分侧壁上的矩形槽中通过螺钉固定。PCBA电子电路包括电源管理电路、MCU控制电路、PWM调制电路、AD/DA、采样电路以及通信电路；所述决策及控制模块处于所述传感器主程序与驱动模块、检测模块、诊断模块与通信模块之间，是整个传感器的软件中间层；决策及控制模块通过通信模块接收上位机指令、应答上位机请求及传送氢气浓度状态；决策及控制模块通过驱动模块、检测模块以及诊断模块对传感器硬件，包括测温线路、感应线路以及环境温度传感器进行采样，对采样结果与标定函数进行对比以实现判定与诊断，针对不同的判定及诊断结果调用驱动模块；决策及控制模块在动态过程中完成驱动、检测与诊断功能。

所述决策及控制模块完成驱动、检测与诊断功能还需要按照传感器的响应等级要求及氢气浓度等级要求来进行；具体会在系统中设定各个运行等级，运行等级由基态、过渡态以及高速响应态组成；不同运行等级是通过不同应用场景进行标定，获取到各种态的参数；决策及控制模块内部对上述标定过程获取的参数进行配置与存储，形成数据库或者函数表达式。

所述基态是指氢气浓度为零、系统驱动探头以及强力风扇运行下的稳定态；基态下，决策及控制模块内部对基态做出参数设定，热源板测温线路根据启动时环境温度T₀ ⁰设定起点控制温度T₀ ¹，设定最高控制温度T_e ¹，具体为T₀ ¹=T₀ ⁰+⊿T0、T_e ¹=T₀ ¹+⊿T1；⊿T0>0,且与 T₀ ⁰大小成负相关，⊿T1>0且与系统响应速度相关，响应速度要求快，则⊿T1相应小，反之则大；系统主程序持续、间断、周期性地调用驱动程序接通与断开加热线路，驱动热源板加热与停止加热，维持其运行在温度

与

之间；系统设定时钟，同步记录基态的两个时间参数t_u ¹和t_d ¹，t_u ¹和t_d ¹是热源板升温时间与降温时间；上述热源板的升温及降温过程，通过热传导腔内气流对流传热与辐射传热作用于冷源板的感应线路，叠加冷源板铲齿散热片与环境交互带来的温度梯度，冷源板获得与热源板相似的温度特征曲线，特征曲线温度最高点为T_ye ²，最低温度点为T_y ²，升温以及降温时间参数为t_u ¹和t_d ^1'，温度最高点T_ye ²低于热源板 T_e ¹，对应的时间点滞后于T_e ¹对应时间点，二者产生了一个延迟时间t_g，温度最低点T_y ²低于热源板T₀ ¹，其对应的时间点滞后于热源板T₀ ¹对应时间点，二者产生了一个延迟时程t_g；基态参数T₀ ¹、T₀ ⁰、⊿T0、T_e ¹、⊿T1、t_u ¹、t_u ^1'，t_d ¹、t_d ¹'、T_ye ²、T_y ²、t_g在基态标定，按照T₀ ⁰[x]、⊿T0[x]、 ⊿T1[x]与热源板加热驱动模块的驱动系列D[x]配对来形成策略系列C[x]，按照集合概念， C[x]= c{（T₀ ⁰[x]、⊿T0[x]、⊿T1[x]）,D[x]}，[x]中的x称为系列数；D[x]作用于PWM调制电路，获得不同的PWM占空比值，记为PWM[x]；标定是在C[x]确定情况下，对于参数⊿T/⊿t获取一些列离散值；上述参数⊿T/⊿t是温度特征曲线的温度T对时间t的导数，此导数对时间 t的函数g（⊿T/⊿t，t）构成了决策及控制模块内部的基态数据库，函数g针对热源板记为 g^r，针对冷源板记为g¹。

过渡态是基态稳定性被打破后的运行态，打破稳定的可能是被测浓度改变，亦或是外部环境参数的突然改变；系统诊断模块参与过渡态的运行，首先去排除外部环境参数的突变，结论如果是肯定的，就启动过渡态，处理被测浓度的突变；决策及控制模块持续调用诊断模块及检测模块，并将检测模块获得的温度值以及对应的时间值进行差分求商运算⊿T/⊿t，运算结果与诊断模块调用的基态数据库相应参数比较，判定确定的时间t对应的⊿T/⊿t是否超出了设定阈值，超过设定阈值就判定基态稳定被打破，策略及控制模块调用过渡态数据库；过渡态参数T_e ²、T₀ ²、t_u ²、t_d ²、T_ye ^2*、T_y ^2*、t_u ^1*、t_d ^1*、t_g*及ρ(*)在过渡态标定，按照T₀ ²[y]、T_e ²[y]、ρ(*)与热源板加热驱动模块的驱动系列D[y]配对来形成策略系列C[y]，按照集合概念，C[y]= c{（T₀ ²[y]、T_e ²[y]、ρ(*)）,D[y]}，[y]中的y称为系列数；D[y]作用于PWM调制电路，获得不同的PWM占空比值，记为PWM[y]；标定是在C[y]确定情况下，对差分⊿T及⊿t求商⊿T/⊿t，上述差分商⊿T/⊿t是温度特征曲线的温度T对时间t的导数，此导数对时间t的函数p（⊿T/⊿t，t）构成了决策及控制模块内部的过渡态数据库，函数p针对热源板记为p^r，针对冷源板记为p^l；ρ(*)为被测氢气浓度，ρ(*)视系统精度、等级以及用户需求，可以标定为不同等级的过渡态数据库子库，如p^r：ρ(1.0)，p^r：ρ(1.5)，p^r：ρ(2.0)，p^l：ρ(1.0)，p^l：ρ(1.5)，p^l：ρ(2.0)，... ...，符号“：”为“基于”的意思，括弧中后缀数字x.x代表的是氢气浓度的百分比；当系统判定到的ρ(*)值等级逐渐上升、并且达到系统设定的浓度阈值时，传感器会做出报警并触发氢气管路电磁阀关闭，同时上报被测浓度值等级信号给上位机。

所述高速响应态是传感器过渡态的后续状态，与过渡态相比较，高速响应态是在传感器系统已经警示了风险和/或接收到上位机已经执行了关断通气电磁阀后的续作，目的是持续监控氢气泄漏情况，持续保持浓度探测；其参数设定与运行是在保持高温及更大温差的基础上持续、间歇、周期性地接通与断开加热线路；对比过渡态，高速响应态热源板温度特性曲线的最大温度T_e ³、最低温度T₀ ³、温度上升时间t_u ³和温度下降时间t_d ³满足如下关系：T_e ³>T_e ²，T_e ³-T₀ ³>T_e ²-T₀ ²，t_u ³<t_u ²，t_d ³<t_d ²；冷源板获得与热源板相似的温度特征曲线，特征曲线温度最高点为T_ye ^3*，最低温度点为T_y ^3*，升温以及降温时间参数为t_u ^3*和t_d ^3*，温度最高点T_y ^3*低于热源板T_e ³，时间点滞后于热源板对应时间点T_e ³，二者产生了一个延迟时间t_g ^3*，温度最低点T_y ^3*低于热源板T₀ ³，时间点滞后于热源板T₀ ³对应时间点，二者产生了一个延迟时程t_g ^3*；所述高速响应态参数T_e ³、T₀ ³、t_u ³、t_d ³、T_ye ^3*、T_y ^3*、t_u ^3*、t_d ^3*及ρ(*)在高速响应态标定，按照T₀ ³[z]、T_e ³[z]、ρ(*)与热源板加热驱动模块的驱动系列D[z]配对来形成策略系列C[z]，按照集合概念，C[z]= c{（T₀ ³[z]、T_e ³[z]、ρ(*)）,D[z]}，[z]中的z称为系列数；D[z]作用于PWM调制电路，获得不同的PWM占空比值，记为PWM[z]；标定是在C[z]确定情况下，对差分⊿T及⊿t求商⊿T/⊿t，上述差分商⊿T/⊿t是温度特征曲线的温度T对时间t的导数，此导数对时间t的函数q（⊿T/⊿t，t）构成了决策及控制模块内部的高速响应态数据库，函数q针对热源板记为q^r，针对冷源板记为q^l；ρ(*)为被测氢气浓度，ρ(*)视系统精度、等级以及用户需求，可以标定为不同等级的高速响应态数据库子库，如q^r：ρ(1.0)，q^r：ρ(1.5)，q^r：ρ(2.0)，q^l：ρ(1.0)，q^l：ρ(1.5)，q^l：ρ(2.0)，... ...，符号“：”为“基于”的意思，括弧中后缀数字x.x代表的是氢气浓度的百分比；当系统判定到的ρ(*)值等级逐渐下降、并且达到系统设定的浓度阈值时，系统由高速响应态转换至基态运行。

高速响应态、过渡态及基态是主程序控制下的持续、循环过程，循环是策略及控制模块在设定的条件下触发的，通过调用各种态的数据库参数来完成；其循环方向是确定的，是由基态到过渡态，过渡态到高速响应态，高速响应态到基态；基态之前为系统启动过程，完成参数的初始化。

附图说明

图1：爆炸图

1：滤网 2：探头 3：铲齿散热片 4：外壳 5：外壳连接器 6：线束连接体 7：线束 8：插头 9：强力风扇

图2：探头

20：对流腔 21：测温线路 22：感应线路 23：加热线路 24：热源板 25：冷源板 26：热传导腔 27：热源陶瓷基板 28：冷源陶瓷基板 29：支撑板 200：环境温度传感器 201：陶瓷壁

图3：外壳连接器

51：引线固定主体 52：蜂窝孔 53：调节孔 54：探头插针引线 55：圆柱形金属固定外壳

图4：外壳

41：芯片腔 42：散热腔 43:长矩形窗口

图5：负压腔

61：负压腔

图6：基态运行图

图7：过渡态运行图

图8：高速响应态运行图

图9：控制软件

11：控制软件 111：主程序 112：决策及控制模块 113：通讯模块 114：驱动模块115：检测模块 116：诊断模块。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的实施方案。

实施例：

如图1所示，一种氢气浓度探测传感器，包括了滤网1、探头2、铲齿散热器3、外壳4、外壳连接器5、线束连接体6、插头7、线束8、强力风扇9、负压腔61以及环境温度传感器200。

所述探头包括加热线路23、感应线路22、测温线路21、热源板24、冷源板25、热传导腔26、探头插针引线54、引线固定柱体51。

所述热源板24为两种材料的基板连接而成，具体为高导热率的、绝缘的热源陶瓷基板27通过导热胶粘接在中空的金属板上。陶瓷板的制造工艺为：选用高导热率的陶瓷材料通过流延法或挤膜成型法制造。金属板可以通过金属薄板组装固定实现，还可采取模具成型方法实现。

所述冷源板25为两种材料的基板连接而成，具体为高导热率的、绝缘的冷源陶瓷基板28通过导热胶粘接在实心的金属板上。其中，冷源陶瓷基板28的制造工艺参照热源板24的热源陶瓷基板27成型方法。

所述热传导腔26是由热源板24与冷源板25及低热导率支撑板29构成，具体方式为：将热源板24与冷源板25线路面面对面方式堆叠，在两个正对面之间填充厚度为σ形状与热传导腔相同的生瓷材料填充物，同时在热源板24与冷源板25之间安放低热导率支撑板29，热源板24及冷源板25与生瓷材料及低热导率支撑板29之间通过高分子粘接剂粘接，然后通过等静压技术制成一体结构，最后通过烧结成型。

所述生瓷材料填充物在烧结过程中的300℃~800℃之间发生化学反应填充物生成气体排出，形成热传导腔。

所述低导热支撑板选用低导热率、便于气份扩散的稀疏低密度材质陶瓷组成上层和底层陶瓷薄膜支架，并分别贴合在冷源板25和热源板24上，在上下层之间有间隔的地方和外周放上同样的稀疏低密度的材料，材料之间通过高分子粘接剂进行粘接，然后在热传导腔的等静压及烧结过程中同步成型。

所述探头插针引线54为V字形的导电金属薄板，可通过冲压及电镀工艺制成。

所述引线固定柱体51成型工艺为：热传导腔26烧结成型后的半成品固定在特制的夹具中，通过夹具将探头插针引线54固定使之分别与加热线路、感应线路、测温线路连接，将柱形金属固定外壳55固定在夹具中，在热传导腔26和对流腔20对接的位置分别填充生瓷材料填充物，然后将耐高温以及绝缘的陶瓷材料如氧化铝陶瓷粉末填充进入柱形金属固定外壳55中空缺的位置，将特制夹具放入烧结炉中一同烧结成型。

所述生瓷材料填充物在烧结过程中的300℃~800℃之间发生化学反填充物应生成气体排出，形成通道。

所述外壳4选用耐高温的塑胶材料通过模具成型制成半成品，通过对半成品二次加工制成。

所述铲齿散热片3选用金属型材通过铲齿机床加工形成半成品，然后对成型后的半成品进行裁切、去毛边及攻牙处理制成。

所述滤网1是将滤布注塑在滤网骨架中形成的。

所述线束7包括引线与插簧端子，所述插头7为标准连接器，所述强力风扇9为高转速排风扇，所述环境温度传感器为高精度NTC200。

所述线束连接体5选用塑胶材料通过模具注塑形成。

所述PCBA电子电路10通过贴片制造。

针对传感器全部组件，采用的安装顺序：

第一步、安装探头2，在探头2的冷源板25悬臂上均匀涂满耐高温密封胶水，将冷源板25卡入外壳4墙壁上长矩形窗口43中。

第二步、安装线束连接体5，在线束连接体5端面与内壁的密封圈放置槽中放置对应的橡胶密封圈，并将线束连接体5安装在外壳4上通过侧壁的卡扣锁紧。

第三步、安装PCBA电子电路10焊接线束及端子插头引线，将线束及端子插头引线焊接在PCBA电子电路10上并将PCBA电子电路10固定在线束连接体6侧壁的矩形槽中并通过螺钉锁紧。

第四步、安装线束连接体6，在线束连接体6侧壁的密封圈限位槽中放置对应规格的密封圈，将线束连接体6对插在外壳连接器5上，通过卡扣锁紧。

第五步、安装强力风扇9，将强力风扇9通过螺钉锁紧在线束连接体6末端。

第六步、安装滤网1，在外壳4的密封圈放置槽中放置对应规格的密封圈，将滤网1通过卡扣锁紧在外壳4上。

传感器组装完成后，需要对传感器进行数据校正：

如图6所示，传感器使用的环境温度设定为-40℃~85℃，根据传感器的精度等级要求对使用的环境温度进行等距划分为多个温度区间。不同的温度区间传感器将会调用不同的驱动策略，传感器根据环境温度T0符合的温度区间设定基态的起点温度T₀ ¹，具体为T₀ ¹=

+⊿T0，其中，

为该温度区间最高温度值。传感器启动时进入初始化阶段，测温线路21实测的温度为初始温度值T₀ ⁰。系统根据T₀ ⁰与T₀ ¹对比来决策驱动过程，通过驱动程序控制加热线路23加热或高转速风扇旋转来使T₀ ⁰快速达到T₀ ¹。

如图7所示，当所述测温线路21测得的温度值达到T₀ ¹时，传感器进入基态状态运行。系统持续、间歇、周期性地接通与断开加热线路23驱动热源板24加热与停止加热，并结合环境温度T0控制强力风扇9转速，维持测温线路21的温度在T₀ ¹与T_e ¹之间符合预设的如a1曲线所示的温度（T）—时间（t）标准曲线，其中T_e ¹=T₀ ¹+⊿T1，在一个测量周期中，测温线路21一共完成2个升温降温循环。

在上述驱动过程中，感应线路22将会根据时间实时采样，并将采样所得的温度点描绘在曲线上，将会得出如b1曲线所示的温度（T’）—时间（t’）参考曲线，由于系统误差及电子电路的噪声影响感应线路22的T’—t’曲线将会出现如c1~d1所示的温度带。

通过改变环境温度，在每一个温度区间对传感器进行上述标定过程，不同的温度区间将会得出不同的温度T-时间t标准曲线与温度（T’）—时间（t’）参考曲线，即完成了传感器基态的标定。

如图8所示，传感器基态标定完成后即进入过渡态标定模式：系统持续、间歇、周期性地接通与断开加热线路23驱动热源板24加热与停止加热，并结合环境温度T0控制强力风扇8转速，使测温线温度从当前温度值提升至过渡态最高温度T_e ²，当测温线路21温度值达到T_e ²时，维持测温线路21的温度在T₀ ¹与T_e ²之间符合预设的如a2曲线所示的温度（T）—时间（t）曲线，其中T_e ²=T₀ ¹+⊿T2，过渡态相较于基态驱动功率有显著提升，在一个测量周期内完成4次升温降温循环，大幅提升测量的响应速度。

在上述驱动过程中，感应线路22将会根据时间实时采样，并将采样所得的温度点描绘在曲线上，将会得出如b2曲线所示的温度（T’）—时间（t’）曲线，由于系统及误差电子电路的噪声影响感应线路22的T’—t’曲线将会出现如c2~d2所示的温度带。

通过改变环境温度，在每一个温度区间对传感器进行上述标定过程，不同的温度区间将会得出不同的温度T-时间t标准曲线与温度（T’）—时间（t’）参考曲线，即完成过渡态氢浓度为ρ0.0的标定。完成上述ρ0.0标定后，在传感器的气体入口处通入不同氢浓度的标准气体重复上述标定过程，感应线路22在不同氢浓度标准气体、不同温度区间条件下根据时间实时采样，并将采样所得的温度点描绘在曲线上，将会得出不同氢浓度的感应线路22温度（T’）—时间（t’）参考曲线。

如图9所示，高速响应态的标定方法与过渡态的标定方法相同，系统持续、间歇、周期性地接通与断开加热线路23驱动热源板24加热与停止加热，并结合环境温度T0控制强力风扇9转速，使测温线温度从当前温度值提升至过渡态最高温度T_e ³，当测温线路21温度值达到T_e ³时，维持测温线路21的温度在T₀ ¹与T_e ³之间符合预设的如a3曲线所示的温度T—t标准曲线，其中T_e ³=T₀ ¹+⊿T3，告诉响应态相较于过渡态驱动功率有进一步提升，在一个测量周期内完成8次升温降温循环，响应速度也进一步提高。

在上述驱动过程中，感应线路22将会实时采样，并将采样所得的温度点描绘成曲线，将会得出如b3曲线所示的温度（T’）—时间（t’）参考曲线，由于系统误差及电子电路的噪声影响感应线路22的T’—t’曲线将会出现如c3~d3所示的温度带。

通过改变环境温度，在每一个温度区间对传感器进行上述标定过程，不同的温度区间将会得出不同的温度T-时间t标准曲线与温度（T’）—时间（t’）参考曲线，即完成高速响应态氢浓度为ρ0.0的标定。完成上述ρ0.0标定后，维持加热线路23的驱动过程，在传感器的气体入口处通入不同氢浓度的标准气体，感应线路22在不同氢浓度标准气体标定条件下实时采样，并将采样所得的温度点描绘在曲线上，将会得出不同氢浓度的感应线路22标准温度（T’）—时间（t’）参考曲线。

特别的，为提高传感器测量氢气浓度的响应及分辨率，设定三个态的温度梯度比值为：

⊿T0:⊿T1:⊿T2:⊿T3=1:3:6:10、⊿T3=Tmax-50-T₀ ¹，其中，Tmax为氢混合气体安全温度上限值。

Claims

1.一种氢气浓度探测传感器，其特征是：包括了滤网（1）、探头（2）、铲齿散热器（3）、外壳（4）、外壳连接器（5）、线束连接体（6）、插头（7）、线束（8）、强力风扇（9）、PCBA电子电路（10）、控制软件（11）、负压腔（61）以及环境温度传感器（200）；所述探头（2）为传感器核心组件，包括了加热线路（23）、感应线路（22）、测温线路（21）、热源板（24)、冷源板(25)、热传导腔(26)、探头插针引线(54)、引线固定柱体(51)；所述外壳（4）是传感器的封装部分，包含了中间的芯片腔（41）和两侧的散热腔（42），探头（2）安放在芯片腔（41）中，探头冷源板（25）向两侧穿过芯片腔（41）的墙壁到达散热腔（42）并与铲齿散热片（3）连接；所述铲齿散热片（3）安装在外壳（4）散热腔（42）中；所述滤网(1)安装在外壳(4)芯片腔(41)头部；所述线束(8)包括引线与插簧端子，连接探头插针引线及PCBA电子电路(10)；所述线束连接体(6)为中空结构，通过卡扣连接在外壳(4)对接段尾部且内部插簧端子与探头引线固定柱体(51)末端的探头插针引线(54)相连接，内部空腔连通引线固定柱体(51)的中空通道及蜂窝孔(52)末端；所述插头(7)为传感器对外的电气接口；所述强力风扇(9)为防静电的高转速排风扇，安装在线束连接体(6)末端；所述负压腔(61）包括传感器待测气体流经的全部通道；所述PCBA电子电路（10）包括电源管理电路、MCU控制电路、PWM调制电路、AD/DA、采样电路以及通信电路；所述控制软件（11）包括微型系统主程序（111）、决策及控制模块（112）、通信模块（113）、驱动模块（114）、检测模块（115）与诊断模块（116）;所述环境温度传感器(200)为一NTC电阻。

2.根据权利要求1所述一种氢气浓度探测传感器，其特征是：所述热源板(24)为实心机构，上下层热源板(24)通过两侧陶瓷壁(201)所形成的中空腔为被测对流腔(20)；加热线路(23)附着在热源板(24)上，加热线路(23)位于气体流动方向前端，测温线路(21)位于气体流动方向末端；感应线路(22)附着在冷源板(25)上，加热线路（23)与感应线路（22）的位置关系为线路面相对的面对面布局；沿被测气体流动方向，在面对面的加热线路(23)与感应线路(22)两侧，设计有低热导率、稀疏低密度的绝缘陶瓷材料做的支撑板(29)，并形成了一个空腔结构，为热传导腔(26)。

3.根据权利要求1所述一种氢气浓度探测传感器，其特征是：所述引线固定柱体(51)是一种通过填充在金属外壳(55)内的绝缘陶瓷材料经过低温烧结并加工形成的，在其内部固定了探头插针引线(54)，其内部陶瓷材料提供有通道，通道对接热传导腔(26)与对流腔(20)，其外侧与外壳(4)内壁形成密封结构。

4.根据权利要求1所述一种氢气浓度探测传感器，其特征是：所述探头冷源板(25)穿过芯片腔(41)与铲齿散热片(3)紧密接触，紧密接触既可以是结构上的硬接触方式或者通过热传导耦合胶耦合方式来实现；铲齿散热片(3)被赋予足够大的表面积。

5.根据权利要求1所述一种氢气浓度探测传感器，其特征是：所述驱动模块包含热源板(24)及强力风扇(9)驱动；热源板(24)驱动及强力风扇(9)驱动由决策及控制模块(112)参与调度，不同场景选择不同驱动条件，调度相应的驱动模块(114)；驱动模块(114)作用于PWM调制电路，实现对于热源板(24)加热线路(23)及强力风扇(9)的驱动；其结果是热源板(24)以及冷源板(25)的温度特征曲线的升温段与降温段受驱动模块(114)控制，其温度特征曲线是温度值与时间的函数f（T，t）。

6.根据权利要求1所述一种氢气浓度探测传感器，其特征是：所述检测模块针对热源板(24)以及冷源板(25)上的测温线路(21)和感应线路(22)电阻值Ra和Rb做出阻值采样；所述感应线路(22)及测温线路为金属导电材料，其温度阻抗特性表现为正相关性且线性度优良，Ra和Rb对应温度值Ta与Tb为正向且线性相关，具体地Ra、Rb与Ta、Tb是线性关系。

7.根据权利要求1所述一种氢气浓度探测传感器，其特征是：所述决策及控制模块(112)处于所述传感器主程序(111)与驱动模块(114)、检测模块(115)、诊断模块(116)与通信模块(113)之间，是整个传感器的软件中间层；决策及控制模块(112)通过通信模块(113)接收上位机指令、应答上位机请求及传送氢气浓度状态；决策及控制模块(112)通过驱动模块(114)、检测模块(115)以及诊断模块(116)对传感器硬件，包括测温线路(21)、感应线路(22)以及环境温度传感器(200)进行采样，对采样结果与标定函数进行对比以实现判定与诊断，针对不同的判定及诊断结果调用驱动模块（114）；决策及控制模块（112）在动态过程中完成驱动、检测与诊断功能。

8.根据权利要求7所述一种氢气浓度探测传感器，其特征是：所述决策及控制模块（112）完成驱动、检测与诊断功能还需要按照传感器的响应等级要求及氢气浓度等级要求来进行；具体会在系统中设定各个运行等级，运行等级由基态、过渡态以及高速响应态组成；不同运行等级是通过不同应用场景进行标定，获取到各种态的参数；决策及控制模块内部对上述标定过程获取的参数进行配置与存储，形成数据库或者函数表达式。

9.根据权利要求8所述一种氢气浓度探测传感器，其特征是：所述基态是指氢气浓度为零、系统驱动探头（2）以及强力风扇（9）运行下的稳定态；基态下，决策及控制模块（112）内部对基态做出参数设定，热源板（24）测温线路（21）根据启动时环境温度T₀ ⁰设定起点控制温度T₀ ¹，设定最高控制温度T_e ¹，具体为T₀ ¹=T₀ ⁰+⊿T0、T_e ¹=T₀ ¹+⊿T1；⊿T0>0,且与T₀ ⁰大小成负相关，⊿T1>0且与系统响应速度相关，响应速度要求快，则⊿T1相应小，反之则大；系统主程序（111）持续、间断、周期性地调用驱动程序（114）接通与断开加热线路（23），驱动热源板（24）加热与停止加热，维持其运行在温度T₀ ¹与T_e ¹之间；系统设定时钟，同步记录基态的两个时间参数t_u ¹和t_d ¹，t_u ¹和t_d ¹是热源板（24）升温时间与降温时间；上述热源板的升温及降温过程，通过热传导腔（26）内气流对流传热与辐射传热作用于冷源板（25）的感应线路（22），叠加冷源板铲齿散热片与环境交互带来的温度梯度，冷源板（25）获得与热源板相似的温度特征曲线，特征曲线温度最高点为T_ye ²，最低温度点为T_y ²，升温以及降温时间参数为t_u ^1’和t_d ^1'，温度最高点T_ye ²低于热源板T_e ¹，对应的时间点滞后于T_e ¹对应时间点，二者产生了一个延迟时间t_g，温度最低点T_y ²低于热源板T₀ ¹，其对应的时间点滞后于热源板T₀ ¹对应时间点，二者产生了一个延迟时程t_g. 。

10.根据权利要求9所述一种氢气浓度探测传感器，其特征是：所述基态参数T₀ ¹、T₀ ⁰、⊿T0、T_e ¹、⊿T1、t_u ¹、t_u ^1'，t_d ¹、t_d ^1'、T_ye ²、T_y ²、t_g在基态标定，按照T₀ ⁰[x]、⊿T0[x]、⊿T1[x]与热源板加热驱动模块的驱动系列D[x]配对来形成策略系列C[x]，按照集合概念，C[x] = c{（T₀ ⁰[x]、⊿T0[x]、⊿T1[x]）,D[x]}，[x]中的x称为系列数；D[x]作用于PWM调制电路，获得不同的PWM占空比值，记为PWM[x]；标定是在C[x]确定情况下，对于参数⊿T/⊿t获取一系列离散值；上述参数⊿T/⊿t是温度特征曲线的温度T对时间t的导数，此导数对时间t的函数g（⊿T/⊿t，t）构成了决策及控制模块（112）内部的基态数据库，函数g针对热源板记为g^r，针对冷源板记为g^l。

11.根据权利要求8所述一种氢气浓度探测传感器，其特征是：所述过渡态是基态稳定性被打破后的运行态；决策及控制模块（112）持续调用诊断模块（116）及检测模块（115），并将检测模块（115）获得的温度值以及对应的时间值进行差分求商运算⊿T/⊿t，运算结果与诊断模块（116）调用的基态数据库相应参数比较，判定确定的时间t对应的⊿T/⊿t是否超出了设定阈值，超过设定阈值就判定基态稳定被打破，决策及控制模块（112）调用过渡态数据库；对比基态，过渡态热源板温度特性曲线的最大温度T_e ²、最低温度T₀ ²、温度上升时间t_u ²和温度下降时间t_d ²满足如下关系：T_e ²>T_e ¹，T_e ²-T₀ ²>T_e ¹-T₀ ¹，t_u ²<t_u ¹，t_d ²<t_d ¹；冷源板（25）获得与热源板（24）相似的温度特征曲线，特征曲线温度最高点为T_ye ^2*，最低温度点为T_y ^2*，升温以及降温时间参数为t_u ^1*和t_d ^1*，温度最高点T_ye ^2*低于热源板T_e ²，时间点滞后于热源板对应时间点T_e ²，二者产生了一个延迟时程t_g ^*，温度最低点T_y ^2*低于热源板T₀ ²，时间点滞后于热源板T₀ ²对应时间点，二者产生了一个延迟时程t_g ^*。

12.根据权利要求11所述一种氢气浓度探测传感器，其特征是：所述过渡态参数T_e ²、T₀ ²、t_u ²、t_d ²、T_ye ^2*、T_y ^2*、t_u ^1*、t_d ^1*、t_g ^*及ρ(*)在过渡态标定，按照T₀ ² [y]、T_e ² [y]、ρ(*)与热源板（24）加热驱动模块（114）的驱动系列D[y]配对来形成策略系列C[y]，按照集合概念，C[y] =c{（T₀ ² [y]、T_e ² [y]、ρ(*)）,D[y]}，[y]中的y称为系列数；D[y]作用于PWM调制电路，获得不同的PWM占空比值，记为PWM[y]；标定是在C[y]确定情况下，对差分⊿T及⊿t求商⊿T/⊿t，上述差分商⊿T/⊿t是温度特征曲线的温度T对时间t的导数，此导数对时间t的函数p（⊿T/⊿t，t）构成了决策及控制模块（112）内部的过渡态数据库，函数p针对热源板（24）记为p^r，针对冷源板（25）记为p^l；ρ(*)为被测氢气浓度，ρ(*)视系统精度、等级以及用户需求，可以标定为不同等级的过渡态数据库子库，如p^r：ρ(1.0)，p^r：ρ(1.5)，p^r：ρ(2.0)，p^l：ρ(1.0)，p^l：ρ(1.5)，p^l：ρ(2.0)，... ...，符号“：”为“基于”的意思，括弧中后缀数字x.x代表的是氢气浓度的百分比；当系统判定到的ρ(*)值等级逐渐上升、并且达到系统设定的浓度阈值时，传感器会做出报警并触发氢气管路电磁阀关闭，同时上报被测浓度值等级信号给上位机。

13.根据权利要求8所述一种氢气浓度探测传感器，其特征是：所述高速响应态是传感器过渡态的后续状态，与过渡态相比较，高速响应态是在传感器系统已经警示了风险并关断通气电磁阀后的续作；对比过渡态，高速响应态热源板（24）温度特性曲线的最大温度T_e ³、最低温度T₀ ³、温度上升时间t_u ³和温度下降时间t_d ³满足如下关系：T_e ³> T_e ²，T_e ³- T₀ ³>T_e ²-T₀ ²， t_u ³<t_u ²，t_d ³<t_d ²；冷源板（25）获得与热源板（24）相似的温度特征曲线，特征曲线温度最高点为T_ye ³，最低温度点为T_Y ^3*，升温以及降温时间参数为t_u ^3*和t_d ^3*，温度最高点T_Y ^3*低于热源板（24）T_e ³，时间点滞后于热源板对应时间点T_e ³，二者产生了一个延迟时程t_g ^3*，温度最低点

低于热源板（24）T₀ ³，时间点滞后于热源板（24）T₀ ³对应时间点，二者产生了一个延迟时程t_g ^3*。

14.根据权利要求8所述一种氢气浓度探测传感器，其特征是：所述高速响应态参数T_e ³、T₀ ³、t_u ³、t_d ³、T_ye ³、T_Y ^3*、t_u ^3*、t_d ^3*及ρ(*)在高速响应态标定，按照T₀ ³ [z]、T_e ³ [z]、ρ(*)与热源板（24）加热驱动模块（114）的驱动系列D[z]配对来形成策略系列C[z]，按照集合概念，C[z]= c{（T₀ ³ [z]、T_e ³ [z]、ρ(*)）,D[z]}，[z]中的z称为系列数；D[z]作用于PWM调制电路，获得不同的PWM占空比值，记为PWM[z]；标定是在C[z]确定情况下，对差分⊿T及⊿t求商⊿T/⊿t，上述差分商⊿T/⊿t是温度特征曲线的温度T对时间t的导数，此导数对时间t的函数q（⊿T/⊿t，t）构成了决策及控制模块（112）内部的高速响应态数据库，函数q针对热源板（24）记为q^r，针对冷源板（25）记为q^l；ρ(*)为被测氢气浓度，ρ(*)视系统精度、等级以及用户需求，可以标定为不同等级的高速响应态数据库子库，如q^r：ρ(1.0)，q^r：ρ(1.5)，q^r：ρ(2.0)，q^l：ρ(1.0)，q^l：ρ(1.5)，q^l：ρ(2.0)，... ...，符号“：”为“基于”的意思，括弧中后缀数字x.x代表的是氢气浓度的百分比；当系统判定到的ρ(*)值等级逐渐下降、并且达到系统设定的浓度阈值时，系统由高速响应态转换至基态运行。

15.根据权利要求8所述一种氢气浓度探测传感器，其特征是：高速响应态、过渡态及基态是主程序（111）控制下的持续、循环过程，循环是策略及控制模块（112）在设定的条件下触发的，通过调用各种态的数据库参数来完成；其循环方向是确定的，是由基态到过渡态，过渡态到高速响应态，高速响应态到基态；基态之前为系统启动过程，完成参数的初始化。