CN213148221U - 一种钯合金薄膜氢气传感器 - Google Patents

Abstract

一种钯合金薄膜氢气传感器，包括电源模块、钯合金薄膜氢敏元件、温度控制模块、信号调理模块、ADC采集模块、通信模块和中央处理模块；中央处理模块分别与ADC采集模块和通信模块双向信号电连接，中央处理模块的输出端口与温度控制模块的输入端口电连接，温度控制模块的输出端口与钯合金薄膜氢敏元件的输入端口电连接，钯合金薄膜氢敏元件的输出端口与信号调理模块的输入端口电连接，信号调理模块的输出端口与ADC采集模块的输入端口电连接；本实用新型中由氢敏元件、信号调理模块、温度控制模块实现的硬件控温功能，使氢敏元件工作在稳定的温度范围内，同时保证了钯合金薄膜氢敏元件可靠的氢气浓度检测。

Description

一种钯合金薄膜氢气传感器

技术领域

本实用新型属于氢气泄漏检测技术领域，具体涉及一种钯合金薄膜氢气传感器。

背景技术

氢燃料电池汽车作为氢气在汽车领域的应用，相比传统燃油汽车铅酸电池、动力电池，存在能量密度大，能量转换效率高、反应产物为水无污染等优点，是新能源车的理想解决方案之一。但氢气分子很小、渗透性强，同时氢气无色无味、常温常压下着火点仅为585℃，空气中氢气含量在4%～74%范围内、遇火源即可发生爆炸。在氢燃料电池汽车储存、传输和使用过程中如果泄漏，可能造成严重事故。

在《氢燃料电池汽车安全指南中（2019版）》明确提出在燃料电池系统中易发生氢气泄漏或者氢气积聚的部位，且驾驶员容易识别的部位安装氢气泄漏报警提醒装置。目前汽车用氢气传感器多采用催化燃烧或半导体原理，这类氢气传感器检测氢气浓度范围有限，少氧环境下无法正常工作，对周边燃油车排放的CO和CH等未燃烧充分尾气的抗干扰性能差。而固态钯合金薄膜氢气测量技术，检测氢气具有专一性，不受CO、CH等可燃气体和NOx的影响，有氧和无氧状态下均能正常工作，可应用在车用氢气泄漏检测。

实用新型内容

本实用新型为了解决现有技术中的不足之处，提供一种钯合金薄膜氢气传感器，满足高选择性无氧环境可正常工作的燃料电池汽车中的氢气检测，监控燃料电池汽车氢气系统运行状况。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种钯合金薄膜氢气传感器，包括电源模块、钯合金薄膜氢敏元件、温度控制模块、信号调理模块、ADC采集模块、通信模块和中央处理模块；

中央处理模块分别与ADC采集模块和通信模块双向信号电连接，中央处理模块的输出端口与温度控制模块的输入端口电连接，温度控制模块的输出端口与钯合金薄膜氢敏元件的输入端口电连接，钯合金薄膜氢敏元件的输出端口与信号调理模块的输入端口电连接，信号调理模块的输出端口与ADC采集模块的输入端口电连接；

电源模块采用多级供电模式，为钯合金薄膜氢敏元件、温度控制模块、信号调理模块、ADC采集模块、通信模块和中央处理模块供电；钯合金薄膜氢敏元件用于将氢气浓度转换为电参数；温度控制模块用于调控钯合金薄膜氢敏元件内加热器件加热功率，减少环境温差变化带来的检测干扰；信号调理模块用于钯合金薄膜氢敏元件内各信号放大及处理；ADC采集模块用于将经过信号调理模块处理的电信号转换为数字量；中央处理模块用于读取与处理系氢气浓度数据，将氢气浓度数据转化为合适PWM波通信参数进行输出，同时可向ADC采集模块和温度控制模块发出相关信号指令；通信模块用于将中央处理模块处理后的PWM波通信参数传递至燃料电池汽车氢气管理系统。

钯合金薄膜氢敏元件、信号调理模块、温度控制模块组成闭环硬件温度控制系统；

钯合金薄膜氢敏元件包括氢敏薄膜电阻、加热薄膜电阻和测温薄膜电阻，温度控制模块包括压控电流控制电路、参比测温薄膜电阻和温度仪表运放；压控电流控制电路的输出端口与加热薄膜电阻输入端口电连接，测温薄膜电阻和参比测温薄膜电阻的输出端口均与信号调理模块输入端口电连接，信号调理模块中与测温薄膜电阻和参比测温薄膜电阻对应的输出端口分别与温度仪表运放的反相和同相输入端口电连接，温度仪表运放的输出端口与压控电流控制电路的输入端口电连接。

信号调理模块包括惠斯通桥式电路、参比氢敏薄膜电阻和信号仪表运放；惠斯通桥式电路的输出端口与信号仪表运放的输入端口连接，参比氢敏薄膜电阻的输出端口与惠斯通桥式电路的输入端口连接；氢敏薄膜电阻的输出端口与惠斯通桥式电路的输入端口连接；信号仪表运放的输出端口与ADC采集模块的输入端口连接；

钯合金薄膜氢敏元件通过信号调理模块内部的参比氢敏薄膜电阻以及惠斯通桥式电路构建惠斯通电桥；钯合金薄膜氢敏元件通过信号调理模块内部的信号仪表运放及后级高分辨率ADC采集模块构建微弱电信号采集系统。

采用上述技术方案，由于钯合金薄膜氢敏元件（简称敏感元件）对温度、氢气都具有一定灵敏度，所以温度控制是传感器的一个关键功能，在控温实现后，高精度信号调理也极为关键，从而保证传感器能采集到分辨率较高氢气浓度对应的电信号。

燃料电池汽车氢气管理系统（HMS）在通过硬件温度控制电路，实时获取钯合金薄膜氢敏元件所处的温度变化量，通过温度控制模块输出温度控制信号，保障敏感元件工作在一个稳定的温度范围内。当氢气经过敏感元件时，信号调理模块将氢气浓度转换为电信号由高精度ADC采集模块采集，交由中央处理模块，通过内置的校准参数，转换为准确的氢气浓度，并将数据通过可变占空比的PWM波信号远传至燃料电池汽车氢气管理系统（HMS）。

综上所述，本实用新型中由氢敏元件、信号调理模块、温度控制模块实现的硬件控温功能，使氢敏元件工作在稳定的温度范围内，在通过精密惠斯通电桥及精密仪表运放组成的氢气浓度转换的电信号采集功能保证了钯合金薄膜氢敏元件可靠的氢气浓度检测。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图；

图2是本实用新型中闭环硬件温度控制系统的原理框图；

图3是本实用新型中微弱电信号采集系统的原理框图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型基于钯合金薄膜的氢气传感器，包括电源模块1、钯合金薄膜氢敏元件（简称氢敏元件2）、温度控制模块6、信号调理模块3、ADC采集模块4、通信模块7和中央处理模块5。中央处理模块5分别与ADC采集模块4和通信模块7双向信号电连接，中央处理模块5的输出端口与温度控制模块6的输入端口电连接，温度控制模块6的输出端口与氢敏元件2的输入端口电连接，氢敏元件2的输出端口与信号调理模块3的输入端口电连接，信号调理模块3的输出端口与ADC采集模块4的输入端口电连接。

电源模块1负责将来自燃料电池汽车氢气管理系统（HMS）的电压转换为5V，再经过二级稳压输出3.3V电压，5V电压直接为氢敏元件2、通信模块7供电，3.3V电压为中央处理模块5、ADC采集模块4和信号调理模块3等组件供电；

氢敏元件2将氢气浓度转换为电参数，信号调理电路3将氢敏元件2输出的电信号转变为电压信号，该电压信号再经由ADC采集模块4转换为数字信号输出，通过串行通信方式被中央处理模块5读取。

氢敏元件2、信号调理模块3、温度控制模块6形成闭环硬件温度控制系统，保证氢敏元件2工作在设定的温度范围内。

中央处理模块5读取到ADC采集模块4输出的气体浓度电信号后，经过线性运算，转换为一定占空比的PWM波信号连接至通信模块7，经过电平转换为5V的标准PWM波信号，传递至HMS系统。

氢敏元件2自身集成有测温薄膜电阻2A、加热薄膜电阻2B和氢敏薄膜电阻2C。温度控制模块6包括参比测温薄膜电阻6A、温度仪表运放6B（运放放大器）和压控电流控制电路6C。信号调理模块3包括参比氢敏薄膜电阻3A, 信号仪表运放3B（运放放大器）和惠斯通桥式电路3C。

本实用新型中的电连接为线路构造中不同元器件之间通过PCB铜箔或导线等可传输电信号的实体线路进行连接的形式。

如图2所示，本实用新型中温度控制是保证传感器良性运行的核心功能。氢敏元件2中测温薄膜电阻2A实时检测氢敏元件2的温度，测温薄膜电阻2A的变化量经过信号调理模块3处理后，传递至温度控制模块6的温度仪表运放6B的反相输入端，参比测温薄膜电阻6A变化量经过信号调理模块3处理后，转换为电压信号连接至温度控制模块6内温度仪表运放6B的同相输入端。测温薄膜电阻2A和参比测温薄膜电阻6A的信号差值由温度仪表运放6B放大后，输出连接至压控电流控制电路6C。压控电流控制电路6C随着温度仪表运放6B输出电压的变化，调控供给加热薄膜电阻2B的电流，依据焦耳定律可知，加热薄膜电阻2B发热量会随着该电流的调整而产生相应变化。

具体控制流程分析如下：如果氢敏元件2温度增高，具备正温度特性的测温薄膜电阻2A阻值变大，经信号调理模块3输出的电信号变大，而具有高精度低温漂系数的参比测温薄膜电阻6A的阻值相对稳定，则进入温度仪表运放6B的电信号相对稳定。此时温度仪表运放6B同相端信号不变，反相端信号变大，则温度仪表运放6B输出电压减小，通过压控电流控制电路6C输出的电流也将减小，则加热薄膜电阻2B加热功率将减小。反之，如果氢敏元件2温度降低，测温薄膜电阻2A阻值将变小，进入温度仪表运放6B的反相端的电信号减小，而温度仪表运放6B同相端信号不变，则温度仪表运放6B输出电压信号将变大，通过压控电流控制电流6C输出的电流值将变大，则加热薄膜电阻2B的加热功率将变大。如此，即使环境温度变换，氢敏元件2也能围绕着参比测温薄膜电阻6A设定加热值进行自动调整，从而保证了氢敏元件2工作在一个相对稳定的温度环境内。

如图3所示，本实用新型中氢敏元件2内部的氢敏薄膜电阻2C感应氢气输出的电信号极其微弱，通过信号调理模块3内的参比氢敏薄膜电阻3A、信号仪表运放3B及其他元件构建的惠斯通桥式电路3C，将微弱电信号放大足够倍数。高分辨率ADC采集模块4对前级放大信号进行采集，将氢气浓度相关电信号转换为数字量传送至中央处理模块5，中央处理模块5利用内部存储的校准数据对电信号进行处理，转换为相应的氢气浓度值，再通过通信模块7传送给燃料电池汽车氢气管理系统（HMS）。

需要着重指出的是，本实用新型中的各个元件之间的信号传输及控制并不需要新的计算机程序。

本实施例并非对本实用新型的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种钯合金薄膜氢气传感器，其特征在于：包括电源模块、钯合金薄膜氢敏元件、温度控制模块、信号调理模块、ADC采集模块、通信模块和中央处理模块；

中央处理模块分别与ADC采集模块和通信模块双向信号电连接，中央处理模块的输出端口与温度控制模块的输入端口电连接，温度控制模块的输出端口与钯合金薄膜氢敏元件的输入端口电连接，钯合金薄膜氢敏元件的输出端口与信号调理模块的输入端口电连接，信号调理模块的输出端口与ADC采集模块的输入端口电连接；

电源模块采用多级供电模式，为钯合金薄膜氢敏元件、温度控制模块、信号调理模块、ADC采集模块、通信模块和中央处理模块供电；钯合金薄膜氢敏元件用于将氢气浓度转换为电参数；温度控制模块用于调控钯合金薄膜氢敏元件内加热器件加热功率，减少环境温差变化带来的检测干扰；信号调理模块用于钯合金薄膜氢敏元件内各信号放大及处理；ADC采集模块用于将经过信号调理模块处理的电信号转换为数字量；中央处理模块用于读取与处理系氢气浓度数据，将氢气浓度数据转化为合适PWM波通信参数进行输出，同时可向ADC采集模块和温度控制模块发出相关信号指令；通信模块用于将中央处理模块处理后的PWM波通信参数传递至燃料电池汽车氢气管理系统。

2.根据权利要求1所述的一种钯合金薄膜氢气传感器，其特征在于：钯合金薄膜氢敏元件、信号调理模块、温度控制模块组成闭环硬件温度控制系统；

钯合金薄膜氢敏元件包括氢敏薄膜电阻、加热薄膜电阻和测温薄膜电阻，温度控制模块包括压控电流控制电路、参比测温薄膜电阻和温度仪表运放；压控电流控制电路的输出端口与加热薄膜电阻输入端口电连接，测温薄膜电阻和参比测温薄膜电阻的输出端口均与信号调理模块输入端口电连接，信号调理模块中与测温薄膜电阻和参比测温薄膜电阻对应的输出端口分别与温度仪表运放的反相和同相输入端口电连接，温度仪表运放的输出端口与压控电流控制电路的输入端口电连接。

3.根据权利要求2所述的一种钯合金薄膜氢气传感器，其特征在于：信号调理模块包括惠斯通桥式电路、参比氢敏薄膜电阻和信号仪表运放；惠斯通桥式电路的输出端口与信号仪表运放的输入端口连接，参比氢敏薄膜电阻的输出端口与惠斯通桥式电路的输入端口连接；氢敏薄膜电阻的输出端口与惠斯通桥式电路的输入端口连接；信号仪表运放的输出端口与ADC采集模块的输入端口连接；

钯合金薄膜氢敏元件通过信号调理模块内部的参比氢敏薄膜电阻以及惠斯通桥式电路构建惠斯通电桥；钯合金薄膜氢敏元件通过信号调理模块内部的信号仪表运放及后级高分辨率ADC采集模块构建微弱电信号采集系统。

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