技术领域本实用新型涉及传感器领域，更具体地说，涉及一种氢气传感器，特别是针对氢冷发电机氢气泄露监测等应用场景下的高浓度氢气监测，具有响应迅速、测量范围宽、使用寿命长、环境耐受性强等突出优点。
背景技术：
氢气是一种无色、无味、无毒、易燃易爆的气体，和氟气、氯气、氧气、一氧化碳以及空气混合均有爆炸的危险。其中，氢气与氟气的混合物在低温和黑暗环境就能发生自发性爆炸；与氯气的混合体积比为1：1时，在光照下也可爆炸。当空气中的氢气含量达到4％时就会发生爆炸，而氢气由于无色无味，燃烧时火焰是透明的，因此其存在不易被感官发现，具有巨大的危险性。氢气虽无毒，在生理上对人体是惰性的，但若空气中氢气含量增高，将引起缺氧性窒息。与所有低温液体一样，直接接触液氢将引起冻伤，液氢外溢并突然大面积蒸发还会造成环境缺氧，并有可能和空气一起形成爆炸混合物，引发燃烧爆炸事故。氢气与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热或明火即会发生爆炸，此外，氢气比空气轻，在室内使用和储存时，漏气上升滞留屋顶不易排出，遇火会引起爆炸。故能够快速准确的监测环境中氢气的含量显得尤为重要。氢气作为一种工业气体，虽然有巨大的危险性，但是却在人们的日常生产生活中扮演着不可或缺的作用，比如氢冷发电机就是典型的应用，发电机在运行过程中会发生各种各样的能量损耗，这些损耗的能量最终都将转换为热量，致使发电机发热引起安全隐患，因此必须及时将这些热量排离发电机。氢冷发电机利用氢气优良的热传导性能以闭环循环的方式在发电机内部做强制循环流动使发电机得到冷却。但由于空气中的氢气含量达到4％时就会引起爆炸，所以氢冷发电机内部填充的是纯氢气，但是发电机内部的氢气如果发生泄露或者渗漏，到达环境空气中也存在巨大的安全隐患，所以必须在氢冷发电机的适当位置安装氢气传感器检测氢气泄露情况，也就是时刻监测环境中的氢气含量，以确保安全。在这种应用中，对氢气传感器的要求包括：1)响应迅速：时间就是生命，要在泄露发生的最短时间内及时报警；2)检测范围宽：氢冷发电机的氢气泄露最大的特点在于要么不漏要不就是大量泄露，常常达到15％以上的浓度，所以要求所使用的传感器要在0～20％的氢气浓度范围内都能准确检测；3)环境耐受性强：这种应用中要求传感器能够在50度和90％以上的相对湿度下长期稳定工作；4)使用寿命长：氢冷发电机的寿命可以达到几十年，电子器件的寿命也在八年以上，而且更换气体传感器需要停电才能操作，这就要求所使用的传感器要具有尽可能长的使用寿命，以减少现场的维护量。而现有的氢气传感器均不能满足这些要求，故急需开发一种特别适合于氢冷发电机漏氢监测的氢气传感器。
技术实现要素：
本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种氢气传感器。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种氢气传感器，包括传感器壳体、分别设在所述传感器壳体底部的第一插针、第二插针和第三插针以及依次设在所述传感器壳体内部的用于控制进入所述传感器壳体内部的气体分子的种类和数量的气流控制单元、用于将通过所述气流控制单元进入的氢气转换为电信号，并通过所述第一插针、第二插针和第三插针传输至外界PCB板的气体检测单元和用于调节所述传感器壳体内部湿度的环境调控单元。在上述氢气传感器中，所述气体检测单元包括工作电极、工作电极引线、对电极、对电极引线、参比电极、参比电极引线以及电解质；其中：所述工作电极与所述对电极、参比电极分别设于所述电解质的相对两侧，所述工作电极、对电极、参比电极分别通过所述工作电极引线、对电极引线和所述参比电极引线与所述第一插针、第二插针和第三插针一一对应连接以传输电信号至外界PCB板。在上述氢气传感器中，所述气流控制单元包括用于在常压下让环境中的氢气分子及氧气分子通过的防水透气膜，所述气体检测单元中的工作电极面对所述防水透气膜。在上述氢气传感器中，所述环境调控单元包括腔体和设在所述腔体上的气体隔离膜，所述腔体内部填装有恒湿剂，所述对电极和所述参比电极面对所述气体隔离膜。在上述氢气传感器中，所述工作电极、对电极和所述参比电极为同样的多孔气体扩散电极。在上述氢气传感器中，所述工作电极、对电极和所述参比电极分别为不同的多孔气体扩散电极。实施本实用新型的氢气传感器，具有以下有益效果：通过在传感器壳体中依次设有气流控制单元、气体检测单元以及环境调控单元，气流控制单元控制进入传感器壳体内部的气体分子的种类和数量，气体检测单元则将进入的氢气转换为电信号并通过位于传感器壳体底部的第一插针、第二插针和第三插针传输给外界PCB板，在整个过程中由环境调控单元调节传感器壳体内部湿度以保持平衡，以实现氢冷发电机漏氢监测等应用场景下高浓度氢气的检测，该氢气传感器具有响应迅速、检测范围宽、使用寿命长、环境耐受性强等优点。附图说明下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：图1是本实用新型氢气传感器优选实施例的结构示意图；图2是图1中环境调控单元的工作原理示意图；图3是图1中气体检测单元的结构示意图；图4是本实用新型氢气传感器进行温湿度实验时的实验装置示意图；图5是本实用新型氢气传感器进行响应时间测试的曲线图；图6是本实用新型氢气传感器对不同浓度氢气的响应曲线图；图7是本实用新型氢气传感器经过温湿度实验前测试氢气的响应曲线图；图8是本实用新型氢气传感器经过温湿度实验后测试氢气的响应曲线图；图9是本实用新型氢气传感器对18％氢气连续监测时的响应曲线图。具体实施方式为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。如图1所示，为本实用新型氢气传感器优选实施例的结构示意图。在该实施例中，氢气传感器包括传感器壳体11、设在传感器壳体11底部的第一插针111，第二插针112、第三插针113和第四插针114、以及依次设在传感器壳体11内部的气流控制单元14、气体检测单元13和环境调控单元12。其中：传感器壳体11为中空结构，起到整个氢气传感器的防护支撑作用，传感器壳体11的材料可以是PP、PC、ABS、尼龙等具有一定强度和韧性的高分子聚合物，优选可以适用于酸性电解质的材料。气流控制单元14用于控制进入传感器壳体11内部的气体分子的种类和数量，例如在本实施例中，允许外界环境中的氢气分子和氧气分子进入。气体检测单元13用于将通过该气流控制单元14进入的氢气转换为电信号，并通过传感器壳体11底部的第一插针111、第二插针112、第三插针113和第四插针114传输到外界PCB板。环境调控单元12用于调节传感器壳体11内部湿度，使其免受外界环境湿度的影响。具体地，气流控制单元14包括防水透气膜141，该防水透气膜141在常压下可以让目标气体分子即氢气分子以及氧气分子通过，但是液体和粉尘无法通过，同时对水蒸气的交换起隔离作用。气体检测单元13由工作电极131、工作电极引线132、对电极133、对电极引线134、参比电极135、参比电极引线136及电解质137组成。其中工作电极131、对电极133、参比电极135分别与电解质137良好接触，以保证传质的通畅性。环境调控单元12包括气体隔离膜121和腔体122，以此来实现该氢气传感器内部的湿度调控，其中：腔体122内部填装有恒湿剂，气体隔离膜121设在该气体腔122上，在常压下可以让水蒸气透过，但不能让液体和粉尘通过。如图2所示，腔体122内的空气经过恒湿处理使其具有固定的浓缩湿度值，在外界环境发生变化时，腔体122内的气体会通过气体隔离膜121在传感器壳体11内部进行自由扩散并迅速达到平衡，从而实现该氢气传感器内部的湿度调控，使其免受外界湿度变化的影响。该气体隔离膜121的材料可以是聚四氟乙烯(PTFE)、聚过氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯/六氟丙烯共聚物(PFEP)、聚四氟乙烯/全氟丙乙烯醚共聚物(PFA)、聚乙烯/四氟乙烯共聚物(PETFE)、聚酰亚胺(PI)、硅橡胶(SR)或氟化硅橡胶(FSR)中的一种或多种的组合。在本实施例中，工作电极131与对电极133、参比电极135分别设于电解质137的相对两侧，相当于工作电极131在电解质137的一面，对电极133和参比电极135在电解质137的另一面。这里需要说明的是，本实施例中的电解质17可以是液体电解质、半固体电解质或固体电解质，而当为液体电解质时，可对电解质进行封包处理或者通过棉花等载体进行吸附，总之使其以固体形态体现，此为现有技术，不再赘述。电解质17起到传递质子的作用，其中传递质子的活性成分可以是硫酸、硝酸、磷酸、苯磺酸、苯甲酸等。另外，工作电极131、对电极133以及参比电极135分别通过工作电极引线112、对电极引线134及参比电极引线136与传感器壳体11上的第一插针111、第二插针112和第三插针113一一对应相连以实现电信号的传播，具体结构如图3所示。在该氢气传感器中，气体检测单元13中的工作电极131面对气流控制单元14，使得从气流控制单元14过来的目标气体分子即氢气分子直接到达工作电极131发生电化学反应；对电极133和参比电极135面对环境调控单元12中的气体隔离膜121，环境中的氧气分子在对电极133上发生化学反应，与工作电极131上发生的化学反应一起形成反应的闭环性，保证化学反应的持续性。参比电极135用于提供稳定的电势零点，防止输出信号受对电极133上的化学反应以及漂移的影响，保证输出的稳定性。其中的工作电极131、对电极133和参比电极135可以是同样的多孔气体扩散电极，也可以是不同的多孔气体扩散电极，其中的活性成分，即催化剂，可以是金(Au)、铑(Rh)、铂(Pt)、钌(Ru)、钯(Pd)、铱(Ir)、银(Ag)中的一种或几种金属的混合物，也可以是担载于导电碳颗粒上的上述金属或金属混合物，其中的导电碳颗粒可以是碳黑、碳纳米管或活性碳中的一种或几种的组合。可以理解的是，进入该氢气传感器内部的目标气体分子数量越多，产生的电信号就越大，同时对气体检测单元13中的工作电极131上的活性成分的要求就越高，只有工作电极131上的活性成分的含量及活性足够大时才可以支撑大量的目标气体的反应，尤其是在该氢气传感器检测含量高达18％的氢气时，对活性成分的要求就非常高。在本实施例中可以通过设计防水透气膜141中的透气孔的孔径及数量来达到控制进入传感器内部的气体种类及数量的目的，在此不再赘述。而上述气体隔离膜141的材料也可以是聚四氟乙烯(PTFE)、聚过氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯/六氟丙烯共聚物(PFEP)、聚四氟乙烯/全氟丙乙烯醚共聚物(PFA)、聚乙烯/四氟乙烯共聚物(PETFE)、聚酰亚胺(PI)、硅橡胶(SR)或氟化硅橡胶(FSR)中的一种或多种的组合。综上所述，本实用新型通过在传感器壳体11中依次设有气流控制单元14、气体检测单元13以及环境调控单元12，氢气通过气流控制单元14中的气体隔离膜141达到工作电极131上发生相应的电化学反应，同样地，氧气通过气流控制单元14中的气体隔离膜141达到对电极133上发生相应的电化学反应与工作电极131上发生的电化学反应一起形成闭环反应，保证化学反应的完整性，并由参比电极135提供稳定的电势零点，最终实现将氢气的含量转换为电信号以通过第一传感器壳体11底部的第一插针111、第二插针112和第三插针113传输给外界PCB板，在整个过程中采用的是定电位电解法实现将环境中的氢气含量转换成可以检测的电信号，其具体转换过程为现有技术，在此不再赘述。从而实现氢冷发电机漏氢监测等应用场景下高浓度氢气的检测，该氢气传感器具有响应迅速、检测范围宽、使用寿命长、环境耐受性强等优点。为了验证本实用新型氢气传感器进行实际检测时的主要性能，对其进行相应测试，如图4至8所示。参见图4，其为本实用新型氢气传感器进行温度实验时的实验装置示意图，在实验时把该氢气传感器密封放置于测试盒2上，测试盒中部安装有风扇21保证氢气传感器上的气体隔离膜141可以和测试盒2的环境空气进行充分的接触，同时在实验前将测试盒2中加入适量水。将上述测试盒2整体放置于环境控制为60度和90％RH的恒温恒湿箱中，在温度的作用下，测试盒2中的水分开始挥发，在风扇的作用下在测试盒2内部达到平衡，同时结合外界恒温恒湿箱中的湿度，使得氢气传感器所处环境的相对湿度达到98％以上。图5是本实用新型氢气传感器在检测气体时进行响应时间测试的曲线图，由图中可以看出，本实施例中的氢气传感器在测试1％的氢气时T90(接触到氢气后达到90％阶跃所需要的时间)为14秒，而作为对比的英国城市技术公司型号为7HYT的氢气传感器T90在93秒。图6是本实用新型氢气传感器进行不同浓度测试时的响应曲线图，从图中可以看出该氢气传感器在0.02％～18％的氢气范围内具有很好的线性响应，相关系数达0.999。图7和图8分别是本实用新型氢气传感器经过湿度实验前和湿度实验后的测试氢气的响应曲线图，在图4中的实验装置下进行了为期两周的试验(对比英国城市技术公司型号为7HYT的氢气传感器)。作为对比的英国城市技术公司型号为7HYT的氢气传感器在实验进行到第二天的时候就出现了外壳开裂损坏的现象。图9是本实用新型氢气传感器对18％的氢气连续监测时的响应曲线图，由图中可以看出，在为期两周的实验过程中本实用新型的氢气传感器一直输出比较稳定，而作为对比的英国城市技术公司型号为7HYT的氢气传感器在实验开始5分钟后就出现了衰减，到31分钟时衰减完全，输出信号回到没有氢气时的值。上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。