氢气传感器的研究及应用进展

发展氢能产业对于构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系和实现“双碳”目标有着重要意义,但是氢气易燃易爆的特性带来了较大的安全隐患;因此,开发氢气即时高效检测技术具有重要意义。针对近年来氢气传感器及其技术的发展情况,本文探讨了电阻传感器、电化学传感器、催化传感器、光学传感器、机械传感器和声学传感器等氢气传感器的研究进展。围绕氢气传感器在灵敏度、选择性、响应时间和稳定性方面的问题,重点分析了贵金属钯、铂、过渡金属氧化物、还原氧化石墨烯等传感器材料的性能特点和氢气传感技术存在的挑战,指出未来的研究方向主要有氢敏材料结构纳米化设计、多功能传感微型化设计、低成本规模化的绿色制造、氢气传感器智能化设计等。

氢气传感器在电解制氧系统中的应用研究

针对电解制氧系统中氢气浓度测量受环境因素影响大、测量准确性低等问题,选取了半导体型、催化燃烧型、热导型三类不同原理的氢气传感器,对其在电解制氧系统中的应用进行了试验验证,并对试验结果进行了讨论,分析了各类氢气传感器的使用局限性。

不同退火气氛对PdNi氢气传感器的性能影响研究

氢能是最有望代替化石能源的清洁能源之一,其具有易生产、高效和清洁环保等优点。但当氢气浓度达到4%~75.6%时,极易发生爆炸,所以在氢气的生产制备、储存、运输、分配和应用过程中,氢气浓度监测极为重要。文章采用磁控溅射技术和MEMS工艺制备了薄膜厚度为90 nm的PdNi合金薄膜,针对PdNi合金薄膜氢气传感器的零点漂移问题,采用空气和氩气进行退火处理,退火温度和时间设置为250℃和2 h,随后测试了不同退火气氛下的PdNi合金薄膜氢气传感器的氢敏响应特性。研究表明:空气退火后,PdNi薄膜氧化严重,不能对H2有较好地响应;Ar退火后,PdNi薄膜合金化程度增强,薄膜缺陷减少,降低了PdNi合金薄膜传感器的响应值及灵敏度、延长响应时间,但会使材料结构更加稳定,可以抑制传感器的零点漂移现象,相较于未退火样品优化了50%左右,传感器响应更加稳定。

Pd/Ga_(2)O_(3)/AlGaN/GaN HEMT基氢气传感器研究

氢气易燃易爆,因此需要海量快速响应的氢气传感器对加氢站、运输车及氢能源汽车等氢能源各个环节进行预警预报。本文研究了基于贵金属钯(Pd)为栅极的高速二维电子气晶体管(HEMT)型氢气传感器,金属Pd栅极为敏感电极,Ti/Al/Ti/Au为源漏极。结果表明:该晶体管开关比为3.58×10^(7)。实验研究了不同厚度Ga_(2)O_(3)插入层对氢气响应特性的影响规律。随着Ga_(2)O_(3)插入层的厚度增大,传感器的饱和体积分数明显增大,从1×10^(-3)提高到7×10^(-3)。对于Ga_(2)O_(3)插入层厚度为10 nm的器件,其综合性能最好,饱和浓度为5×10^(-3),且具有很高的响应度,1×10^(-3)时的响应度为4300%。特别地,其响应速度非常快,最快可以2 s内完成氢气检测。

薄膜氢气传感器改进型PID控温方法研究

为满足航天、航空、船舶等领域对氢气高精度测量的需求,针对电阻式薄膜氢气传感器的响应时间和测量精度易受温度波动影响的问题,该文提出了一种改进型数字PID控温方法,缩短了传感器温度进入稳态的时间,降低了超调幅度,提高了温度控制精度。试验结果表明,采用传统PID算法氢气传感器的调节时间为68 s,控温精度为±0.25℃,采用改进型PID算法其调节时间缩短至35 s,控温精度为±0.1℃,使氢气传感器响应时间缩短,信噪比得到提升,具备工程应用价值。

光纤氢气传感器结构创新研究

氢气是重要的化工原料及新能源汽车燃料,但其易燃易爆性质要求高效监测以确保安全。传统氢气传感器难以满足现代需求,因此开发新型传感器具有重要意义。光纤氢气传感器具有近距离监测、体积小、成本低、高灵敏度等优点,是研究的热点之一。主要分为微透镜型、干涉型、渐逝场型和光纤光栅型,每种类型都有自己的工作原理和应用环境。不同传感器类型在稳定性、灵敏度、成本等方面有所不同。光纤光栅因为其简单结构、低成本、大面积监测优势,而被认为有良好的发展前景。本文提出了一种新型面型光栅光纤型氢气传感器,有成本低,稳定性高,灵敏度高等优点。

基于GA⁃BP神经网络的氢气传感器的浓度补偿研究

为解决环境因素致使氢气浓度传感器测量精度误差较大,导致氢燃料电池车辆因氢气泄漏检测不精确而产生爆炸风险的问题,提出了一种基于遗传算法反向传播(GA⁃BP)神经网络的氢气浓度传感器的浓度补偿方法。首先,利用BP神经网络对氢气浓度进行初步预测;然后,通过GA在寻优方面的优势进行浓度补偿,解决了BP神经网络局部陷入极值的问题。实验结果表明:基于GA⁃BP神经网络的氢气浓度传感器的浓度补偿方法对热导型氢气浓度传感器的预测准确度达到99.98%,最大相对误差值为0.2%,氢气浓度传感器的测量准确度提高了50.8%,为氢燃料汽车行业的发展奠定了基础。

氢敏材料及氢气传感器的研究进展

对氢气进行快速、准确、原位测量,具有重要的学术意义和广阔的应用前景。氢气传感器发展的关键在于高品质氢敏材料的研制,氢敏材料的敏感响应性、重现性等决定着氢气传感器的工作性能。综述了近年来研究较多的半导体型、热电型、光学型、电化学型4类氢气传感器及相应氢敏材料的研究进展,并展望了氢敏材料及氢气传感器的发展方向。

氢气传感器的研究进展

作为氢气检测的一种重要手段,氢气传感器显得尤为重要。介绍了目前研究最为广泛的半导体型、热电型、光纤型3种氢气传感器的研究进展,分别阐述了这3种传感器的结构、工作原理、研究现状及其优缺点,并对氢气传感器的应用前景和研究方向进行了展望。

基于WO_3-Pd复合膜的D型光纤光栅氢气传感器

采用磁控溅射方法在侧边抛磨的光纤光栅(D型光纤光栅)上溅射40 nm WO3-Pd复合薄膜,制作了D型光纤光栅氢气传感器.40 nm WO3-Pd复合薄膜是由5 nm的WO3、5 nm的WO3/Pd混合膜和30 nm的Pd薄膜组成.实验中,首先采用射频溅射技术向D型光纤光栅溅射5 nmWO3薄膜,再利用共溅射技术溅射5 nm WO3/Pd混合膜,最后用直流溅射技术溅射30 nm的Pd薄膜.SEM结果显示在多次通氢气后WO3-Pd薄膜仍然具有较好的表面形貌,这说明WO3-Pd复合薄膜具有较好的机械性能.实验结果表明:该氢气传感器具有较好的重复性,同镀有同样氢气敏感膜的普通FBG相比,D型光纤光栅的灵敏度提高了200%;在氢气体积浓度为6%时,D型光纤光栅传感器的波长变化为15pm.

基于小波奇异熵和相关向量机的氢气传感器故障诊断

针对氢气传感器故障问题,提出了一种智能化的传感器故障诊断方法,可以对自身故障状态进行诊断和识别。提出了一种基于小波奇异熵(wavelet singular entropy,WSE)和相关向量机(relevance vector machine,RVM)原理的氢气传感器故障诊断方法,将小波变换和奇异熵两种分析思想相结合,提取信号的完备故障特征;利用小生境粒子群优化算法(niche particle swarm optimization,NPSO)对相关向量机的核参数进行优化,提高故障诊断的准确率。将提出的方法与其他成熟算法进行了比较,实验结果表明所提方法故障诊断识别率达到98%以上,解决了非线性、小样本条件下的传感器故障诊断问题,提高了传感器的可靠性。

薄膜型钯-铬合金氢气传感器技术研究

文中介绍了采用Pd-Cr合金作为氢敏材料,利用MEMS加工技术制备薄膜型氢气传感器。测试了传感器对0～4%浓度范围氢气的敏感特性,结果显示,传感器对0～4%氢气浓度具有良好的线性输出特性,并表现出较高的响应灵敏度和较好的响应重复性。

基于表面等离子体共振的光子准晶体光纤甲烷氢气传感器

设计了一种用于同时检测甲烷和氢气的基于表面等离子体共振(SPR)的新型光子准晶体光纤(PQF)传感器。在该传感器中,在银膜上分别沉积Pd-WO3和掺杂聚硅氧烷的笼型分子E薄膜作为氢气和甲烷的敏感材料。采用全矢量有限元方法对PQF-SPR传感器进行数值分析,结果证明该传感器具有良好的传感性能。在0%~3.5%的浓度范围内,氢气的最大检测灵敏度和平均灵敏度分别为0.8 nm/%和0.65 nm/%,甲烷的最大灵敏度和平均灵敏度分别为10 nm/%和8.81 nm/%。该传感器具有同时检测多种气体的能力,在设备小型化和远程监测方面具有很大的潜力。

钯铬合金电阻氢气传感器研究

采用钯铬合金作为氢敏材料，利用离子柬技术制备薄膜式氢气传感器。测试了传感器对0-4%浓度范围氢气的敏感特性，结果显示，传感器对0-4％氢气浓度具有良好的线性输出特性，并表现出较高的响应灵敏度和较好的响应重复性，传感器响应信号相对强度随着温度升高减小，传感器响应时间随着温度升高而减小。

级联长周期光纤光栅氢气传感器

为了监测某些特殊研究领域内狭小密闭空间里的氢气气氛,以防止氢气泄漏对产品和人员产生危害,研究了一种表面镀钯银合金(Pd-Ag)膜的级联长周期光纤光栅氢气传感器。简要介绍了检测原理,通过初步实验获得不同氢气浓度下的透射光谱,分析了对应的干涉条纹对比度变化规律,实验结果表明设计的传感器对氢气浓度具有明显的响应特性可以用于监测氢气。

新型高性能氢气传感器

报道了本项目组发明的Ａｌ２Ｏ３基新型高性能半导体陶瓷气体传感器材料及用以制造氢气体传感器的研究结果。这类新型气体传感器具有工作温度低、气体选择性好、检测灵敏度与气体浓度呈近似线性关系、响应时间和恢复时间快、抗湿性能好等明显优点，可望进行工业规模的生产。

MISiC高温氢气传感器研究

文章报道了采用NO直接氧化制备氮化氧化物作绝缘层,制备高灵敏度MISiC肖特基二极管式高温气体传感器的技术。采用NO直接氧化法,改善了器件的界面特性。实验结果显示,采用该方法制作的传感器具有高响应灵敏度和良好的响应重复性。

基于虚拟仪器的光纤氢气传感器的设计

针对传统的气体传感器检测的缺点,开发了一套基于虚拟仪器的检测氢气的光纤氢气传感器;它采用NI公司的图形化开发平台LabVIEW,将传统的电路分析和处理,以及传统仪器的功能集成于一台计算机中,用户可以修改虚拟仪器的软件模块中的参数来达到修改气体传感器检测的特性;该氢气传感器检测系统通过计算机进行各类采集有关数据的处理、数据存储和分析;同时,详细介绍了系统的硬件连接、基于LabVIEW的软件设计和检测系统的稳定性和可靠性。

高性能Si基MOS肖特基二极管式氢气传感器研究

报道了采用NO直接氧化制备氮化氧化物作为绝缘层制备高性能Si基MOS肖特基二极管式气体传感器(SDS)的技术。实验结果显示,MOS肖特基二极管式气体传感器具有高的响应灵敏度和好的响应重复性,可以探测浓度约为10-6的氢气。因此,采用NO直接氧化法制备绝缘层是一种制备高可靠、高灵敏度Si基MOSSDS的技术。

多层Au-Pd核壳纳米颗粒膜增敏的光纤氢气传感器

高灵敏度、快速响应的光纤氢气传感技术是未来氢气传感技术的发展方向,对保障氢能系统安全具有重要意义。针对纳米尺度的钯基氢敏材料难以与光器件耦合的问题,本文采用水相合成及离心沉积方法制备具有快速氢气响应特性的Au-Pd核壳纳米颗粒膜,搭建了含有Au-Pd核壳纳米颗粒氢敏膜阵列的透射式传感系统,实现了光信号与多层纳米颗粒膜阵列的耦合,通过提高敏感材料对光信号的调制能力增强了传感器的灵敏度。实验研究表明,本文制备的Au-Pd核壳纳米颗粒膜粒径为48 nm,Pd层厚度约为4 nm。该敏感薄膜对4%浓度氢气的响应时间小于3 s,且在循环测试中显示了良好的重复性和稳定性。通过3片薄膜阵列传感,在不影响传感器响应速度的同时将传感器灵敏度提升至最高,为单片膜的2.7倍。该研究为开发高性能光纤氢气传感器提供了重要指导。