多层钯钇合金纳米膜增敏的新型光纤氢气传感器研究

摘要

氢气的化学性质活泼，在生产运输及使用的过程中极易发生泄露导致爆炸火灾等重大事故。人们为了最大限度降低氢气在运输、存储和使用过程中的风险，也研究出了各种用于氢气检测的传感器设备。在现有的氢气传感器中，光纤氢气传感器具有许多常规检测技术所不可比拟的优势之处。光纤氢气传感器主要原理是当金属钯膜吸收氢气后，测量材料的光学或机械特性变化，从而反映相对的氢气浓度。钯与氢气之间存在的这一可逆化学反应是光纤氢气检测的本质原理，其反应时间决定了传感器的响应时间，反应的程度决定了氢气浓度。
　　传统的薄膜模型光纤氢气传感器受制于氢气在膜层中的扩散作用，在增加膜厚提高灵敏度的同时，势必降低传感器的反应速度。减小薄膜厚度能够减小膜内H原子扩散时间，提高响应速度，但是较薄的钯膜在吸氢之后，其光学性质和机械性质改变十分微弱，从而降低测量的灵敏度，另外太薄的钯膜对传感器机械强度和可靠性也会造成严重影响，出现薄膜脱层、开裂等失效问题。为了不影响氢气传感器的响应速度，同时提高传感器灵敏度，本文是在透射式光纤束氢气传感器的的基础上进行结构改进，设计出了一种多层透射式光纤氢气传感器。该传感器采用透射式光路设计结构，将多片钯钇合金纳米薄膜排列成一排，形成多层透射式光纤氢气传感器，该结构能够通过增加薄膜数量来增加传感器的灵敏度，通过减少膜厚来提高响应速度，实现了光纤氢气传感器的灵敏度和快速响应性的独立优化。
　　本文的主要工作如下：1)多层透射式光纤氢气传感器的理论研究，分析了传感器的探头结构模型和传感器的双光路补偿结构模型，再利用Drude模型分析了金属钯对氢气的吸收和释放前后钯膜折射率的改变，建立了透射式光纤氢气传感器的光学模型；2)多层透射式光纤氢气传感器的结构设计，如钯钇合金纳米薄膜的制备、传感器探头结构的设计、气路结构的设计、传感器信号检测和采集以及数据处理方法等；3)针对多层透射式光纤氢气传感器的工作性能进行的实验研究，如采用原子力显微镜对所制备的钯钇合金纳米薄膜的形貌及厚度进行了测量，结果表明薄膜具有良好的均匀性；在常温常压下对多层透射式光纤氢气传感器进行了响应时间和灵敏度测试实验以及传感器响应稳定性和重复性实验；对传感器的光谱特性进行了相关的实验对比和研究等。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题的研究目的和意义

1.2光纤氢气传感器结构的国内外研究现状

1.3光纤氢气传感器氢敏材料的国内外研究现状

1.4论文的主要研究内容

第2章 多层透射式光纤氢气传感器的理论研究

2.1传感器的结构模型

2.2传感器的光学模型

2.3传感器的理论模型

2.4本章小结

第3章 多层透射式光纤氢气传感器的结构设计

3.1钯钇合金纳米薄膜的制备

3.2 传感器各功能模块的设计

3.3 系统软件部分设计

3.4 本章小结

第4章 多层透射式光纤氢气传感器的实验研究

4.1钯钇合金薄膜的表征

4.2 传感器系统的实验测试与性能分析

4.3 传感器系统的光谱特性分析

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录A 研究生期间参与的项目

附录B 研究生期间发表的论文