文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
反射式光纤束氢气传感器的研究与实现
姓名:崔陆军
申请学位级别:博士
专业:机械电子工程
指导教师:陈幼平
2010-01-23
华中科技大学博士学位论文
摘要
在常温常压下,空气中泄漏的氢气浓度达到4%-%时变得易燃易爆,所以安全、
可靠且廉价的氢气测量传感技术是安全利用氢气的必要保障。迄今为止,基于不同工
作原理的氢气传感器都曾报道过,在常温常压下能提供快速而有效的响应,但这些氢
气传感器主要是电化学传感器,潜在的电磁干扰和电火花可能会引起灾难性的后果。
而光纤氢气传感器却能同时满足安全、实时在线检测、不干扰被测环境、不产生电火
花的要求。并且,还具有体积小、重量轻、柔韧性好,多点测量的特点;另外,光纤
还能抗化学腐蚀、恶劣的环境温度和电磁干扰等,非常适合在这种环境中工作。本文
主要对反射式光纤束氢气传感器的理论、设计和相关实验进行理论研究和实现。
首先,研究了单光纤对的氢气传感器的理论特征,分析总结了各相关参数对于反
射式光纤传感器的影响规律,建立了反射式光纤束氢气传感器的数学模型,为光纤在
氢气传感器的应用提供了理论基础。进而给出了光纤束在反射式氢气传感器探头中的
应用。与此同时,为了克服以往基于纯钯的氢气传感器发生“氢脆”现象的缺陷,大
大延长了氢敏薄膜的寿命,本文研究了将银作为第二组份加入到纯钯中作为检测氢气
的气敏材料,仿真分析了在氢气传感器探头中使用最佳的钯银合金的组份配比问题,
建立了反射式光纤束氢气传感器的光学模型,研究了钯银合金膜厚度与氢气浓度的关
系,从仿真和实验的角度找到了最佳的钯银合金反应薄膜厚度。
为了能够提高反射式光纤束氢气传感器的精度和稳定性,在分析了传统典型光纤
光路的优、缺点的基础上,提出一种不依赖于对光纤进行任何微细加工的光纤束的设
计思路,以及反射式光纤束氢气传感器探头的设计方法,并对所设计的光纤束光路进
行了研究和讨论,通过实验验证了该探头设计的合理性。
提出了利用溅射方法制备钯银合金薄膜的理论模型,在模型中分析了得到理想溅
射厚度和合金配比的溅射方法,讨论了在制备钯银合金膜过程中几个重要相关问题。
之后利用相关检测仪器对制备的钯银合金薄膜进行了表征,得出了制备符合要求的钯
银合金薄膜最佳的溅射条件。
依据相关性检测的原理和反射式光纤束氢气传感器的信号特点,完成了反射式光
纤束氢气传感器的微弱信号电路系统设计,设计了移相电路,相敏检波电路和除法电
路等。
为了进一步提高反射式光纤束氢气传感器的测量精度和抗干扰性,本文提出了基
于虚拟仪器和神经网络相结合的补偿设计思路,并对反射式光纤束氢气传感器进行了
补偿实验,实验结果表明:基于虚拟仪器和神经网络的补偿设计比单纯的线性拟合的
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输出精度高,同时尽可能地消除了由于内部和外部原因所带来的各种干扰因素,实现
了反射式光纤束氢气传感器在线的非线性校正。
最后,基于上述的研究,对反射式光纤束氢气传感器的样机进行了一系列实验测
试,实验结果表明基于钯银合金的反射式光纤束氢气传感器具有良好的检测效果。
关键词:氢气传感器光纤束钯银合金膜反射式微弱信号检测信号补偿
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Abstract
Under room temperature and standard pressure, the air es to be exploded when
the leaked hydrogen concentration is 4%-% in air; therefore, the safe, reliable and cheap
hydrogen sensing and detective technology is necessary for usage of the hydrogen. So far,
many hydrogen sensors that based on different operational principle, are disscuced, the
sensors could provide quick and active responses in normal temperature and pressure,
electro-chemical hydrogen sensor are ordinary during the mentioned hydrogen sensors,
potential ic interference and electric spark c