专利名称：一种基于热导原理的氢气传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及氢气传感器，具体地说是一种基于热导原理的氢气传感器。
背景技术：
氢气是生产中常用的工业气体、化学工艺生产中的常见产物，也是今后最具潜力
的清洁能源，所以氢气的使用伴随了现代工业的整个过程，对于氢气的新生产工艺和储运
技术的研究也方兴未艾。然而由于氢气的不安全性，使氢气传感器成为不可或缺的设备，只
有在生产、实验和使用过程中具备快速可靠的监测手段，才能有效地避免危险。
目前的多数氢气传感器采用选择性气体敏感膜技术，例如在光纤表面涂
上钯膜作为敏感材料，利用钯在氢气中的膨胀而改变有效光程后利用干涉技术检测。敏感膜型氢气传感器的缺
点在于响应和回复时间较长，且敏感膜材料都有一定的使用寿命，对使用场合的温度、湿
度以及清洁程度都要求较高，所以很多情况下无法胜任在恶劣环境下的监测任务，更不适
合长期和大量的使用。电化学传感器的灵敏度较高，线性度、精度、选择性优良，但由于使
用了流动的电解液，电解液的泄漏、挥发，使元件的寿命较短，且电化学传感器的价格也相
对较高[原田修治，松田州央氢气传感器中国专利申请号200680028782. 3国际申请号
2006-04-11PCT/JP2006/307592]。 与之相对应的是采用物理手段，即热导原理工作的氢气传感器，利用和周围气体 显著的热导差异实现对氢气的高灵敏响应，可见基于热导原理的氢气传感器从核心的敏感 器件到整体的设计组成，都可以得到更长的使用寿命和更强的环境适应性，形成了一种高 灵敏度，响应快速，低故障率的特点，代表了氢气传感器的主要发展方向。然而热导型氢气 传感器的技术问题是容易受到环境温度和周围气流波动的影响，以及传感器工作时自身发 热的所带来的基线漂移问题，在一定程度上限制了热导型传感器的优势和推广。
发明内容
针对以上背景，本发明的目的在于提供一种改进型单通道氢气传感器，其是通过 对基于热导原理的氢气传感器物理结构进行有效的改进和优化，而不是通过复杂的电子线 路设计，最大限度地降低了环境和自身温度变化带来的基线漂移，非常适合气体生产车间 等恶劣环境下的长期使用。 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下 —种基于热导原理的氢气传感器，其由测量热敏电阻、参比热敏电阻、桥路电阻、 测量池、参比池、电压放大和温度补偿电路板、传感器壳体组成； 测量池为上端开口的筒状结构、参比池为密闭的筒状结构，测量池和参比池均放 置于传感器壳体内，并紧贴在一起；测量热敏电阻和参比热敏电阻均分别通过桥路电阻与 电压放大和温度补偿电路板导线连接；测量热敏电阻及与其相连的桥路电阻置于测量池 内，参比热敏电阻及与其相连的桥路电阻置于参比池内；传感器壳体的上端设置有小孔，一扩散膜贴附于传感器壳体带有小孔的端面上；测量热敏电阻、参比热敏电阻和桥路电阻共 同组成惠斯登电桥。 所述测量热敏电阻、参比热敏电阻和它们对应的桥路电阻分别固定于测量池PCB 板及参比池PCB板上，测量池PCB板及参比池PCB板分别置于测量池和参比池内；在测量池 PCB板及参比池PCB板外侧分别设置有挡板，以挡板进行密封，彻底防止氢气的渗透。
所述热敏电阻是由热敏金属丝(钼、镍、銖钨合金等)缠绕在绝热体(玻璃棒、玻 璃管、陶瓷管等)上制成；热敏电阻直径在0.3 2mm之间，长度在0.3 20mm之间。用金 属丝绕制的热敏电阻具有长期稳定性和温度系数性能的一致性。 所述测量池和参比池均为金属铝池，热敏电阻固定在金属铝池内，其中测量池是 半开放式结构，通过扩散膜与大气相通，参比池为密封结构，环境中的氢气不能渗入。
所述扩散膜为半透膜或多孔膜或网；扩散膜的膜孔直径在50 200微米之间。
所述传感器壳体为不锈钢材料制成，利用不锈钢导热速度慢的性质对外界温度变 化进行较为有效的隔离。 同其他传感器相比，本发明的设计具有以下特点 1)测量池和参比池的外壁材料为铝，利用铝的良好导热性能使测量池和参比池保 持良好的温度一致性。 2)不锈钢外壁实现对于敏感元件的有效保护，屏蔽掉外界的电磁干扰，并利用不 锈钢材料导热速度慢的特点，减小环境温度对热敏电阻的影响。 3)测量体固定在工作电路板一侧，并与其连成一体。测量体和工作电路板通过热 传导达到传感器整体的热平衡，并且使结构紧凑，提高了传感器对于环境状态变化的缓冲 能力。 4)测量体顶端多孔膜微观下的通道结构，可以阻挡传感器外部的气体流场变化， 消除了环境气体波动对测量造成的影响，有效防止空气颗粒物的进入。 本发明通过简单的结构对于严重影响测量效果的物理参数(如温度、气体流速 等)实现了极为有效的控制，既保留了以往热导型传感器的优势，同时也克服了稳定性差 的缺点。
图1为测量池结构示意图，左图为俯视图，右图为剖面图；
图2为传感器壳体结构示意图，左图为俯视图，右图为剖面图；
图3为金属丝绕制成的热敏电阻的放大示意图；
图4氢气传感器分解示意图，其中 101-测量热敏电阻，102-参比热敏电阻，201-桥路电阻，301-测量池，302-参比 池，401-测量池PCB板，402-参比池PCB板，403-电压放大和温度补偿电路，500-传感器壳 体，501-多孔膜，502-密封挡板
图5为体积浓度1 %的氢气测定谱图。
具体实施例方式
—种基于热导原理的氢气传感器，其由测量热敏电阻101、参比热敏电阻1Q2、桥
4路电阻201、测量池301、参比池302、电压放大和温度补偿电路板403、传感器壳体500组 成； 测量池及参比池外壁材料为铝；传感器壳体为不锈钢材料；传感器的热敏电阻为 热敏金属丝绕在绝热体上制成；测量池固定在工作电路板的一侧；测量池上置有多孔膜；
测量池301为上端开口的筒状结构、参比池302为密闭的筒状结构，测量池301和 参比池302均放置于传感器壳体500内，并紧贴在一起；测量热敏电阻101和参比热敏电阻 102均分别通过桥路电阻201与电压放大和温度补偿电路板403导线连接；测量热敏电阻 101及与其相连的桥路电阻201置于测量池301内，参比热敏电阻102及与其相连的桥路电 阻201置于参比池302内；传感器壳体500的上端设置有小孔， 一扩散膜501贴附于传感器 壳体500带有小孔的端面上；测量热敏电阻101、参比热敏电阻102和桥路电阻201共同组 成惠斯登电桥。 所述测量热敏电阻101 、参比热敏电阻102和它们对应的桥路电阻201分别固定于 测量池PCB板401及参比池PCB板402上，测量池PCB板401及参比池PCB板402分别置 于测量池301和参比池302内；在测量池PCB板401及参比池PCB板402外侧分别设置有 挡板502，以挡板502进行密封，彻底防止氢气的渗透。 所述热敏电阻是由热敏金属丝缠绕在绝热体上制成；热敏电阻直径在0. 3 2mm 之间，长度在0. 3 20mm之间；所述测量池301和参比池302均为金属铝池，热敏电阻固定 在金属铝池内，其中测量池是半开放式结构，通过扩散膜501与大气相通，参比池为密封结 构，环境中的氢气不能渗入。 所述扩散膜501为半透膜或多孔膜或网，膜孔直径在50 200微米之间。所述传 感器壳体500为不锈钢材料制成，利用不锈钢导热速度慢的性质对外界温度变化进行较为 有效的隔离。
实施例1 1热敏金属丝缠绕在玻璃观上制成测量热敏电阻101和参比热敏电阻102 ; 2测量热敏电阻101、参比热敏电阻102和桥路电阻201组成惠斯登电桥，测量热
敏电阻101位于测量池PCB板401的上侧，参比热敏电阻102位于参比池PCB板402的上
侧，桥路电阻201位于各自对应的PCB板下侧，保持各电阻之间的对称性； 3直径4cm、高3cm的圆柱型铝块，在其上加工出直径7. 2mm圆形通孔，为测量池
301，另一个7. 2mm圆孔不贯通，为参比池302 ; 4分别安装两PCB板至各自的池内，并以挡板502密封； 5传感器壳体500顶端整体安装固定孔径150微米的多孔膜501 ; 6按照附图将传感器整体安装完成。 实施例2 采用4个相同的热敏电阻组成惠斯登电桥，其中一个为测量电阻，一个为参比电
阻，另外两个作为桥路电阻。其余步骤同实施例l。
应用例1 以空气为底气，配制1%的氢气标准气体，以切换阀切换空气和氢气流路，测量结 果见图5。
权利要求
一种基于热导原理的氢气传感器，其特征在于其由测量热敏电阻(101)、参比热敏电阻(102)、桥路电阻(201)、测量池(301)、参比池(302)、电压放大和温度补偿电路板(403)、传感器壳体(500)组成；测量池(301)为上端开口的筒状结构、参比池(302)为密闭的筒状结构，测量池(301)和参比池(302)均放置于传感器壳体(500)内，并紧贴在一起；测量热敏电阻(101)和参比热敏电阻(102)均分别通过桥路电阻(201)与电压放大和温度补偿电路板(403)导线连接；测量热敏电阻(101)及与其相连的桥路电阻(201)置于测量池(301)内，参比热敏电阻(102)及与其相连的桥路电阻(201)置于参比池(302)内；传感器壳体(500)的上端设置有小孔，一扩散膜(501)贴附于传感器壳体(500)带有小孔的端面上；测量热敏电阻(101)、参比热敏电阻(102)和桥路电阻(201)共同组成惠斯登电桥。
2. 根据权利要求l所述的氢气传感器，其特征在于所述测量热敏电阻(101)、参比热 敏电阻(102)和它们对应的桥路电阻(201)分别固定于测量池PCB板(401)及参比池PCB 板(402)上，测量池PCB板(401)及参比池PCB板(402)分别置于测量池(301)和参比池 (302)内。
3. 根据权利要求2所述的氢气传感器，其特征在于在测量池PCB板(401)及参比池 PCB板(402)外侧分别设置有挡板(502)，以挡板(502)进行密封，彻底防止氢气的渗透。
4. 根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于所述热敏电阻是由热敏金属丝缠 绕在绝热体上制成；热敏电阻直径在0. 3 2mm之间，长度在0. 3 20mm之间。
5. 根据权利要求l所述的氢气传感器，其特征在于所述测量池(301)和参比池(302) 均为金属铝池，热敏电阻固定在金属铝池内，其中测量池(301)是半开放式结构，通过扩散 膜(501)与大气相通，参比池(302)为密封结构，环境中的氢气不能渗入。
6. 根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于所述扩散膜(501)为半透膜或多 孔膜或网。
7. 根据权利要求6所述的氢气传感器，其特征在于所述扩散膜(501)的膜孔直径在 50 200微米之间。
8. 根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于所述传感器壳体(500)为不锈钢 材料制成，利用不锈钢导热速度慢的性质对外界温度变化进行较为有效的隔离。
全文摘要
本发明是一种基于热导原理的氢气传感器。传感器由测量池的热敏电阻、参比池的热敏电阻、桥路固定电阻、PCB板、外壳和放大电路组成。测量池顶端设有多孔膜或网状支撑物，参比池为密封结构，氢气不能渗入。热敏电阻和桥路电阻分别固定于PCB板上下两侧。放大电路位于底部或传感器壳体外部。本发明通过对传感器物理结构的优化，实现了传感器自身的热平衡，并抑制了外界环境的干扰，结构小巧紧凑，适合于一般的现场环境长期使用。
文档编号G01N27/14GK101750439SQ20081022998
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月19日 优先权日2008年12月19日
发明者关亚风, 夏金伟, 朱蕴卿, 王建伟 申请人:中国科学院大连化学物理研究所