[发明专利]氢气浓度和温度一体化测量传感器探头的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术，材料科学以及光电子技术的交叉领域，涉及到功能材料制备和光电检测技术，具体涉及到Pt表面修饰掺杂WO₃氢气敏感材料的制备工艺和光纤光栅氢气传感器探头的封装方法。

背景技术

随着环境污染的加剧和传统能源的消耗，人类对清洁能源的需求显得尤为迫切。氢气是一种重要的清洁能源和化工原料，在航空航天、燃料电池、金属冶炼、化工合成有着广泛的应用。由于氢气具有最小的分子，很容易泄漏，任何与氢气制备、储存、运输和使用相关的设施都有可能发生氢气泄漏，进而有可能导致爆炸事故。一些特殊设施也会产生一定量的氢气，如：潜艇中铅蓄电池在充放电过程中产生氢气；核燃料存放设施中由于放射性材料的裂变会产生一定量氢气；核反应堆冷却系统中由于高温导致水分解也会产生氢气，安全地监测氢气浓度在这些领域显得尤为重要。传统的电化学氢气传感器采用电信号作为检测信号，难以满足本质安全的要求。光纤光栅氢气传感器具有本质安全、抗电磁干扰和分布式检测能力，在氢气泄漏和氢气浓度监测方面具有重要的应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种氢气浓度和温度一体化测量传感器探头的制备方法，所制备的探头主要用于在空气中监测氢气泄漏或氢气浓度，同时可以监测环境温度。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的氢气浓度和温度一体化测量传感器探头，是由氢气传感器探头和温度传感器探头通过一体化封装而成，其中：氢气传感器探头是利用Pt表面修饰掺杂WO₃氢气敏感材料与传感光栅结合而成，SiO₂槽作为氢气敏感材料载体；温度传感器探头是利用不含催化剂掺杂WO₃与参考光栅结合而成，并对传感光栅进行温度补偿；所述的Pt表面修饰掺杂WO₃氢气敏感材料，其中掺杂WO₃的掺杂成分为SiO₂，Pt作为催化剂，三种成分共同构成氢气敏感材料，该氢气敏感材料中的硅钨原子比的范围为1：30～1：2，铂钨原子比的范围为1：20～1：2。

本发明提供的氢气浓度和温度一体化测量传感器探头的制备方法，其包括氢气传感器探头的制备、温度传感器探头的制备和将这两种探头一体化的制备步骤，

(1)氢气传感器探头的制备：

该探头利用氢气敏感材料与传感光栅结合而成，所述氢气敏感材料为Pt表面修饰掺杂WO₃，掺杂WO₃中掺杂成分为SiO₂，Pt作为催化剂，三种成分共同构成氢气敏感材料；

(2)温度传感器探头的制备：

该探头利用不含催化剂掺杂WO₃与参考光栅结合而成；

(3)所述两种探头一体化的制备：

先将传感光栅和参考光栅分别镀Cr保护膜，再套SiO₂毛细管保护，然后用环氧树脂将传感光栅和参考光栅分别固定在凹形SiO₂基板上，凹形SiO₂基板作为传感光栅和参考光栅的载体，并使传感光栅和参考光栅栅区处于悬空状态；

将氢气敏感材料(10)涂覆在传感光栅栅区对应的SiO₂槽中，即氢气敏感材料(10)涂覆在第一SiO₂槽(3)的槽内，并将传感光栅(2)包覆；利用不含催化剂的掺杂WO₃涂覆在第三SiO₂槽(6)槽内，并将参考光栅(5)包覆，通过该方法进行温度和应力补偿，从而制备成一体化传感器探头。

上述步骤(1)中，所述氢气敏感材料涂覆在传感光栅栅区对应的载体中，所使用载体为SiO₂槽，SiO₂槽的长度为10-16mm；参考光栅栅区可以涂覆不含催化剂的掺杂WO₃进行温度补偿。

上述步骤(3)中，可以将固定好的光栅及凹形SiO₂基板固定在不锈钢支撑架和不锈钢丝网外套组成的封装结构中，光栅两端光纤和不锈钢丝网外套通过螺钉和压条固定在不锈钢支撑架上。

所述不锈钢支撑架底部中间为中空结构，并且由不锈钢丝网固定底部，光栅及凹形SiO₂基板固定在不锈钢支撑架上。

所述不锈钢支撑架由铝合金、陶瓷或玻璃钢支撑架替代。