一种用于测试薄膜水蒸气透过率的装置的制作方法

本实用新型涉及薄膜水蒸气透气率测试技术领域，具体涉及一种用于测试薄膜水蒸气透过率的装置。

背景技术：

食品、药品等领域所需的包装材料的水蒸气透过率对包装对象的品质有着直接联系，对包装材料的水蒸气透过率进行准确测量是保证包装对象品质的主要保障。

目前，具有国家标准要求的检测薄膜水蒸透过率方法有杯式法、称重法和电解分析法。杯式法是将试样固定在特制的透湿杯上，通过测定透湿杯的重量增量来计算药用薄膜、薄片及药用铝箔的水蒸气透过量的分析方法，杯式法和称重法是该领域的标准的方法，但其测试周期太长一个膜需要几天的时间测试，而且一般适用于水蒸气透过量不低于2g/(m²·24h)的薄膜、薄片，常用来对其它方法的校准。电解分析法是利用水蒸气遇电极电解为氢气和氧气，通过电解电流计算出单位时间内水蒸气透过总量的水蒸气透过量分析方法。该方法适用于透湿数据较小的药用薄膜、薄片及药用铝箔的水蒸气透过量的测定，对于大透过量的薄膜检测准确度降低，且需要多个标准薄膜进行校准，无法实现无源、无损检测。

技术实现要素：

为了克服传统薄膜水蒸气透气率测试方法存在的测试周期长、测量线性区间小、需标定和准确度低等不足，本实用新型提供一种用于测试薄膜水蒸气透过率的装置，该装置能够实现薄膜水蒸气透过率的免标定、快速、无扰和较大线性区间的准确测量，且能够简化薄膜水蒸气透气率测试程序，提高测试效率。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种用于测试薄膜水蒸气透过率的装置，包括渗透腔和水蒸气浓度检测系统。

具体地说，所述渗透腔包括自上向下依次设置的湿腔与干腔；所述湿腔与干腔之间用于装夹检测薄膜，检测薄膜将湿腔与干腔隔开；所述湿腔顶部设有样气入口和样气出口；所述干腔底部设有载气入口。

所述水蒸气浓度检测系统包括光学吸收腔、DFB激光器、光电探测器和激光器驱动及数据处理单元；所述光学吸收腔通过载气管道与干腔相连通；所述光学吸收腔内设有采用多次反射池结构的传感器；所述光学吸收腔通过入射光纤与DFB激光器的输出端相连，光学吸收腔还通过出射光纤与光电探测器的输入端相连；所述DFB激光器的输入端接激光器驱动及数据处理单元的输出端；所述光电探测器的输出端接激光器驱动及数据处理单元的输入端。

进一步的，所述湿腔与干腔之间设有O型密封圈。

进一步的，所述光学吸收腔内部传感结构是多次反射式吸收池。进一步的，所述光学吸收腔上开设有气体出口。所述光学吸收腔的外侧设有保温层，光学吸收腔内部的温控部分通过温控电缆与激光器驱动及数据处理单元的输出端相连。

进一步的，所述激光器驱动及数据处理单元分别通过信号电缆与DFB激光器、光电探测器相连。

进一步的，所述DFB激光器和光电探测器的封装结构均采用了无水密封处理。

进一步的，所述DFB激光器的输出波长为1368.5±0.5nm。

由以上技术方案可知，本实用新型能够实现薄膜水蒸气透过率的免标定、快速、无扰和较大线性区间的准确测量，且能够简化薄膜水蒸气透气率测试程序，提高测试效率。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

其中：

1、湿腔，2、干腔，3、O型密封圈，4、薄膜试样，5、样气入口，6、样气出口，7、载气入口，8、载气管道，9、气体出口，10、光学吸收腔，11、激光器驱动及数据处理单元，12、无水封装DFB激光器，13、无水封装光电探测器，14、控温保温层，15、入射光纤，16、出射光纤，17、温控电缆，18、信号电缆，19、多次反射式吸收池。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明：

如图1所示的一种用于测试薄膜水蒸气透过率的装置，包括渗透腔和水蒸气浓度检测系统。

具体地说，所述渗透腔包括自上向下依次设置的湿腔1与干腔2；所述湿腔1与干腔2之间用于装夹检测薄膜4，检测薄膜4将湿腔1与干腔2隔开。所述湿腔1顶部设有样气入口5和样气出口6。所述干腔2底部设有载气入口7和载气出口。通过样气入口5向湿腔1内通入恒定湿度的水蒸气，水蒸气透过装夹在湿腔1与干腔2之间的薄膜试样4进入到干腔2中。通过载气入口7向干腔2内通入恒定流速的干燥载气。

所述水蒸气浓度检测系统包括光学吸收腔10、DFB激光器(Distributed Feedback Laser)12、光电探测器13和激光器驱动及数据处理单元11。所述光学吸收腔10的载气出口通过载气管道8与干腔2相连通。所述光学吸收腔10内设有采用多次反射池结构的传感器19。所述光学吸收腔10上开设有气体出口9。所述光学吸收腔10通过入射光纤15与DFB激光器12的输出端相连，光学吸收腔10还通过出射光纤16与光电探测器13的输入端相连。所述DFB激光器12的输入端接激光器驱动及数据处理单元11的输出端。所述光电探测器13的输出端接激光器驱动及数据处理单元11的输入端。所述光学吸收腔10为无源传感器件，只通过光纤进行信号的传输。本实用新型采用的光学吸收腔具有容积小、光程长等特点，有利于水蒸气浓度的高灵敏度及较大线性区间的准确测量。

进一步的，所述湿腔1与干腔2之间设有O型密封圈3。O型密封圈3起到密封作用，使湿腔1与干腔2形成一个密闭腔体。

进一步的，所述光学吸收腔10的外侧设有控温保温层14，光学吸收腔10内部的温控部分通过温控电缆17与激光器驱动及数据处理单元11的输出端相连。通在光学吸收腔20的外周包裹控温保温层14，能够使光学吸收腔20内的温度略高于载气温度，防止水蒸气在光学吸收腔20内吸附冷凝。

进一步的，所述激光器驱动及数据处理单元11分别通过信号电缆18与DFB激光器12、光电探测器13相连。

进一步的，所述DFB激光器12和光电探测器13的封装结构均采用了无水密封处理。

进一步的，所述DFB激光器12的输出波长为1368.5±0.5nm。本实用新型采用的DFB激光器为窄线宽、可调谐的激光器，通过控制温度和电流能够获得合适的激光输出波长，当激光穿过对该波长有吸收的气体介质时，能量被吸收。根据Beer-Lambert吸收定律，可通过测量透射光谱信号，得到光束路径上的气体吸收强度，进而反演得到气体浓度参数。

进一步的，所述激光器驱动及数据处理单元11，用于调整DFB激光器12的温度和扫描电流范围以及光学吸收腔10内部温度，获得干腔2内平均水蒸气浓度。所述激光驱动及数据处理单元，通过高效功率驱动器DRV591实现激光温度控制，采用一款高精度平衡调制解调器AD630实现锁相放大器功能，采用高性能、低功耗的STM32F405作为主处理器。

本实用新型的测试过程为：

(1)恒定温度恒定水蒸气饱和度的高湿气体以固定的流速由样气入口5进入湿腔1，高湿气体中的一部分水蒸气透过薄膜试样4进入干腔2，剩余的水蒸气随高湿气体由样气出口6排出到空气中。

(2)干燥载气以恒定的流速由载气入口7进入干腔2内，与通过薄膜试样4渗透过来的水蒸气进行混合后，由载气管道8将载气导入到光学吸收腔内10进行对载气中水蒸气浓度测量，随之，载气由气体出口9直接排出到空气中。所述干燥载气采用氮气。

(3)DFB激光器12在固定温度和电流驱动下扫描输出波长为1368.5±0.5nm的激光，由入射光纤15进入到光学吸收腔10，在光学吸收腔中，激光与气体相互作用后，经出射光纤16传输到光电探测器13中。

(4)光电探测器13将接收到的光信号转化为电信号，由信号电缆14传输给激光驱动及数据处理单元11，得到测量区域的水蒸气浓度。

本实用新型的工作原理为：

本实用新型将可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术应用于测试薄膜水蒸气透过率，达到简化薄膜水蒸气透过率测试程序，提高测试效率。该技术是根据Beer-Lambert吸收定律发展而来的，即当一束频率为v的单色光通过混合气体吸收介质后，透过光强It与入射光强Io的比率与该频率处目标气体的吸收线强S[cm^-2atm^-1]，体积分数C，激光在吸收介质中通过的路径长度L[cm]，总的气体压强P[atm]，以及吸收线型函数φ(v)[cm]的乘积呈指数关系，如式(1)所示：

通常令σ[cm^-2]为吸收截面：σ＝SP。

由于吸收线型函数在整个频域内的积分所以将公式(1)两边取对数，在整个频域内积分可得：

令积分后的值用吸光度A来表示，则吸收气体的浓度可表示为：

在测试过程中，通过得到的吸收光谱解调得到吸光度A，再由吸收谱线参数和测量光程得到测量区域目标气体的平均体积分数。为提高测试灵敏度，光学吸收腔采用多次反射池结构来增加光程，使得在较小的容积下可实现较低水蒸气浓度的测量，同时也有效提高了浓度响应效率。TDLAS技术以其响应快、、免标定、无扰、可实现在线、原位测量等优点，结合多次反射池和波长调制技术可实现水气浓度的高灵敏度及较大线性区间的准确测量，可很好的补充传统方法的效率低和测量区间小的不足。

以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。