一种基于卷曲薄膜的氢气检测装置及方法与流程

本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种光学氢气检测装置及方法。

背景技术：

在当今社会不断发展的过程中，不可再生的传统化石能源储备已经日渐枯竭，且由此产生的各种环境污染和温室效应也成为了当今国内及国际社会重点讨论的问题。在此大背景下寻求可靠的清洁能源已经迫在眉睫。在众多的新能源中，氢气作为一种清洁、高效、易得的新能源受到了广泛的关注。众多学者注重于研究氢气的制备、储存、运输，寄希望研究出基于氢能的新能源运输设备、工业生产圣杯等。但氢气具有分子量小、极易燃烧、爆炸浓度范围广、无色无味等特点。泄露后难以察觉，极易引发严重的安全事故，因此大大限制了氢气能源的实际运用。因此需要可靠的检测装置对环境和管道内的氢气进行实时监测。

目前氢气检测方面的研究主要建立在以下几种机理之上：(1)电化学检测：许多金属、氧化物材料在氢气的作用下会产生物理化学性质的改变，导致阻抗的变化，基于此机理的检测器通过测量电流、电压、阻抗信号的变化来检测周围的氢气；(2)光信号检测：该方法主要是建立在光纤信号检测基础之上，在光纤的侧壁或截面上修饰具有氢气敏感特性的材料，在与氢气接触后会导致光纤内部传输信号的变化；(3)机械变化检测：该方法建立在铂、钯等贵金属在与氢气接触后产生明显的体积膨胀，由此产生力学变化或机械形变。电化学的检测方法会使易燃的氢气与电气系统直接接触，容易产生安全隐患。而传统的光信号检测需要复杂的信号发生和接收装置。而机械形变又较为微弱，如今使用这种方式的测量基本建立在微悬臂、表面波等复杂的装置上。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种安全性好、结构简单，可对氢气进行实时监测的基于卷曲薄膜的氢气检测装置及方法。

本发明提供的基于卷曲薄膜的氢气检测装置，由光源、检测设备、光信号采集设备组成；而其中检测设备由检测腔和基于透明卷曲薄膜阵列的检测组件构成。利用卷曲薄膜最内层金属层在氢气分为种产生的体积膨胀效应，引起卷曲薄膜从卷曲态转变为平展态，使光信号采集设备接收到的光信号发生明显变化，由此实现基于光探测和机械形变的安全氢气检测方法。

本发明提供的基于卷曲薄膜的氢气检测装置，包括：

（1）光源，其用于发射光信号，其可以为普通光源，单色光源，激光源；

（2）检测设备，包括检测腔和检测组件，检测组件位于检测腔内；

（3）光信号采集设备，其用于采集透射光信号，得到光强、透射率或吸收率数据。

所述光源位于所述检测设备一侧，所述光源的光线透过所述检测设备照射到所述光信号采集设备；所述光信号采集设备收集透射光信号并转换成光强、透射率或吸收率数据。

本发明中，检测设备中的检测组件为透明卷曲薄膜阵列结构。

本发明中，透明卷曲薄膜阵列结构，采用如下制备方法得到：

（1）清洗基片；

（2）在基片上光刻图形阵列；

（3）使用薄膜沉积方法在基片上沉积具有内应力的金属薄膜；

（4）使用薄膜沉积方法在基片上沉积具有氢气体积膨胀效应的金属薄膜；

（5）选择性腐蚀光刻胶得到透明卷曲薄膜阵列结构。

步骤（1）中，所用的基片为玻璃片或石英片的其中一种。

步骤（3）中，所用的具有内应力的金属为钛、铬、铁、钴、镍、铜、铝的单一组分，或是这些金属中的几种构成的多层金属薄膜。

步骤（4）中，所用的具有氢气体积膨胀效应的金属为铂、钯的单一组分，或是含有这些金属组分的合金。

步骤（3）-（4）中，所用的薄膜沉积方法可以是热蒸发沉积、电子束蒸发沉积、激光脉冲沉积或磁控溅射。

步骤（3）-（4）中，所述金属薄膜的厚度为10-200纳米。

本发明中，基于卷曲薄膜的氢气检测装置，还包括与光信号采集设备相连的响应阈值判别组件，以及与响应阈值判别组件连接的报警器。

本发明中，基于卷曲薄膜的氢气检测装置，还包括与光信号采集设备相连的可视化显示装置，远程传输装置，远程控制装置。

本发明提供的基于卷曲薄膜的氢气检测方法，具体步骤如下：

（1）向所述的检测腔内通入待测气体；

（2）所述光源照射所述检测设备到达所述光信号采集设备，所述光信号采集设备采集光信号数据；

（3）所述光信号数据在所属光信号采集设备处理后输出光强、透射率或吸收率数据，通过可视化显示装置输出数据；

（4）通过比对显示装置输出数据的变化与否可以确定待测气体内是否含有氢气组分。

本发明中，氢气检测方法还包括：

步骤（5）将光信号变化量与所述响应阈值判别组件的安全变化阈值相比对，由此确定是否输出报警信号。

本发明提供的基于卷曲薄膜的氢气检测装置，其具体工作过程及原理如下：

所述光源置于由所述检测腔和所述检测组件构成的所述检测设备的一侧，所属光源照射到所述检测组件上，透射穿过含有待测气体的检测腔和与待测气体接触的所述检测组件；另一端由所述光信号采集设备获取透射光信息，测量得到如光强、透射率、吸收率的数据。

当待测气体内不含有氢气组分时，所述基于透明卷曲薄膜阵列的检测组件其上的金属薄膜保持卷曲态，光线穿过透明基底照射到所述光信号采集设备上，由此输出较高光强、透射率和较低的吸收率。

当待测气体内含有氢气组分时，所述基于透明卷曲薄膜阵列的检测组件其上的金属薄膜由卷曲态转变为平展态，遮挡住了透明基底，光线无法穿过所述检测组件到达所述光信号采集设备上，由此输出较低光强、透射率和较高的吸收率。

所述检测腔可以与管道相连或让检测元件暴露于环境中，当管道内或周围环境内发生氢气泄漏时，检测设备会产生上述变化，输出的光强、透射率和吸收率信号会产生明显变化，由此通过信号变化向工作人员警示氢气泄漏。

有益效果：本发明提供的基于卷曲薄膜的氢气检测装置及方法，实现了对氢气的实时监测。与传统的电学检测装置相比，本发明的氢气检测装置没有与氢气的直接电学接触，因而在氢气环境中有着较高的安全性。本发明所提供的氢气检测装置无需复杂的光源系统和光信号采集系统，且检测设备的制备方法较为简单，可进行大规模生产，且成本较低，因此有着实际应用意义。

本发明的独创性在于利用卷曲薄膜内层金属在氢气环境中才产生的体积膨胀，实现卷曲薄膜由卷曲态转变为平展态。通过与光源和光信号采集设备相结合，透明基底上的大规模卷曲薄膜阵列在氢气环境中产生的机械形变可以借由光信号采集设备收集到的光强、透射率和吸收率反映出来，由此实现对氢气的实时监测。

附图说明

图1为本发明制备例提供的基于透明卷曲薄膜阵列检测组件的结构示意图。其中，(a)为通入氢气前，(b)为通入氢气后。

图2为本发明实施例提供的基于卷曲薄膜的氢气检测装置结构示意图。

图3为本发明实施例提供的基于卷曲薄膜的氢气检测装置结构示意图。

图中标号：1-透明基片；2-具有内应力的金属薄膜；3-具有氢气体积膨胀效应的金属薄膜。4-待测气体进气口；5-待测气体出气口；6-检测腔；7-检测组件。

具体实施方式

以下将结合附图，以钛、铬双层金属薄膜-钯金属薄膜组成的卷曲薄膜为例详细说明其制备方法及效果。以下实施例用于说明本发明，但不作为对本发明内容的限制。

“基于透明卷曲薄膜阵列的检测组件的制备”

（1）取1cm×1cm的石英片作为基片，用丙酮、乙醇、去离子水依次进行超声清洗十分钟，在氮气流中干燥。

（2）使用中国鑫有研公司的kw-4a型匀胶机在基片表面旋图一层光刻胶。光刻胶型号为德国allresist公司的ar-p3510t正性光刻胶。低转速为600rpm，旋转时间为6s；高转速为3000rpm，旋转时间为30s。然后置于电热板上在100℃下前烘60s。使用德国suss公司的ma6紫外光刻机光刻总尺寸为6mm×6mm半圆形阵列，每一个半圆形图形的直径为75μm。将光刻后的基片浸没于苏州瑞红电子化学品有限公司rzx-3038型正胶显影液中22s后用去离子水清洗，经氮气流干燥后得到半圆形的光刻基片。

（3）使用深圳天星达公司tsv700型电子束蒸发镀膜机进行金属薄膜的电子束蒸发沉积。将基片倾斜固定于样品架上，使得蒸发材料倾斜沉积于基片上，倾斜角度为60°。首先蒸发具有内应力的金属薄膜：以1å/s的速率沉积10nm钛金属，再以1å/s的速率沉积10nm铬金属。然后蒸发具有氢气体积膨胀效应的金属薄膜：以1å/s的速率沉积100nm钯金属。

（4）使用美国tousimis公司的autosamdri-815bseriesb型超临界干燥仪进行牺牲层的选择性腐蚀。将样品放置于超临界干燥仪的腔体内，然后向腔体内倒入适量丙酮溶解光刻胶之后进行超临界干燥。待干燥程序结束后取出样品，得到由钛、铬、钯金属薄膜体系组成的卷曲薄膜。

如此，完成基于透明卷曲薄膜阵列的检测组件的制备(图1(a))。

实施例1

本实施例提供一种基于卷曲薄膜的氢气检测装置，如图2所示。其中光源为普通白色灯光光源，检测腔为透明亚克力盒，其上端和下端各开一口连接管道作为待测气体的进气口和出气口。检测腔内固定有按制备例1制备的检测组件。光信号采集设备为紫外可见分光光度计，用以采集检测组件的透射率数据。紫外可见分光光度计被设定为实时采集检测组件在580nm波长光线下的透射率。

将纯氮气作为待测气体以100sccm的流速通入检测腔内时，光信号采集设备采集到的透射率为38%。当把待测气体更换为含有4%氢气的氮气混合气体时，透射率5s内减小至5%。当更换回纯氮气后，透射率在50s后恢复到38%。

实施例2

本实施例提供一种基于卷曲薄膜的氢气检测装置，如图3所示。其中光源为普通白色led光源，检测腔为透明亚克力盒，其上端和下端各开一口连接管道作为待测气体的进气口和出气口。检测腔内固定有按制备例1制备的检测组件。光信号采集设备为一光电二极管，其阻值会随照射到表面的光强强弱产生变化。响应阈值判定组件为一电压比较数字电路，参比电压由一电位器控制，该数字电路与光信号采集设备相连。当光电二极管电压高于电位器电压时输出高电平。响应阈值判定组件的输出与具有信号保持功能的报警器相连。

将纯氮气作为待测气体以100sccm的流速通入检测腔内时，光电二极管表面光照强度较高，因此电阻较小，电压低于参比电压，响应阈值判定组件输出低电平不触发报警器。当把待测气体更换为含有4%氢气的氮气混合气体时，光电二极管表面光照强度较低，因此电阻较高，电压高于参比电压，响应阈值判定组件输出高电平，触发报警器。当更换回纯氮气后，报警器依旧处于触发状态，直到工人确认泄露处理完毕重置报警器后回复初始状态。