基于超声波相位差检测法测量氢气浓度开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

氢气是重要的航天能源物质，也是影响航天器安全与寿命的重要因素。低浓度氢的检测在航天、能源、化工等众多领域具有重要意义。氢气是重要的化工原料，也是重要的清洁能源，因此得到了广泛应用。在航天工业中，氢已成为航天器发动机的主要燃料。氢气分子非常小，在存储与运输过程中易发生泄漏。当空气中氢气含量达到4％以上时，即可能发生强烈爆炸；在真空中，氢虽不易爆炸，但即使非常微小的泄漏，也可显著缩短航天器所携带的氢电池寿命[1]。因此，随着氢的广泛应用，对低浓度氢检测技术的研究具有重要意义。

20世纪80年代butlerma等人提出了干涉型光纤氢气传感器[2]。其基本原理是将钯膜电镀在传感光纤上，在遇到氢气时，钯膜产生膨胀以致拉伸光纤，从而使光程增加，使信号臂中光的相位发生改变，再由干涉仪测量干涉场的光强即可计算出对应的氢气含量。目前的干涉型光纤氢传感器主要有两种，一种基于michelson干涉仪[3]，另一种基于mach—zehnder干涉仪[4]。干涉型传感器可探测的氢气浓度范围为0．002～2000pa。huntergw等人应用附有pd—ag的硅基肖特基(sic)二极管制作了氢气传感器，以此为基础开发了氢气泄漏检测系统。该系统能够快速检测出惰性环境中的低含量氢气并能实时检测出航天器的漏点及漏率大小。在半导体上沉积一层非常薄的金属就形成“肖特基结”，其制备工艺水平决定着金属半导体传感器的性能。肖特基氢气传感器的基本原理是，氢气接触到金属半导体(肖特基)时被吸附在具有催化性能的金属表面，并被快速催化分解为h，h经过金属晶格间隙扩散至金属半导体界面，将一定偏置电压加在传感器上，由于h的存在，半导体二极管特征曲线发生漂移，传感器通过检测恒电流下电压的漂移来确定氢气含量。huntergw[5]等人应用附有pd—ag的硅基肖特基(sic)二极管制作了氢气传感器，以此为基础发了氢气泄漏检测系统。该系统能够快速检测出惰性环境中的低含量氢气并能实时检测出航天器的漏点及漏率大小。陈卫兵[6]等采用no直接氧化制备的氮化氧化物作绝缘层，制作了碳化硅基高灵敏度misic气体传感器，300℃时，在0～400×10-6范围内，氢气浓度与信号成正比。但与gaas、inp等基体相比，sic存在如下缺点[7]：(1)sic较贵不易得到；(2)gaas、inp比sic易形成肖特基结；(3)sic为基体的传感器的适用温度范围不如gaas、inp作基体的传感器的适用温度范围宽；(4)gaas、inp等还适用于微波、高频、高压、光电等设备中。

从检测的实用性看，传感器技术是今后发展的重点。将来的研究将侧重于以下三个方面：(1)应用对氢气更敏感、响应时间更短的新型材料制作传感器，并进一步提高制作工艺的稳定性以及同一传感器测量的可重复性。(2)拓宽对氢气含量的检测范围，进一步缩短响应时间，减少外界环境的干扰。(3)针对现场快速检测的需求，提高研究成果的实用性，比如在确保方法的灵敏度、精密度等基本要求的前提下，努力开发操作简捷、仪器简单、功耗小、重量轻的实用性低浓度氢气检测方法。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究的基本内容

不管是在实验室研究中还是重工业生产中，都对气体浓度的检测提出了更高的要求，我们需要实现对复杂环境中气体成分和浓度的精确识别。在众多气体探测技术中，声学气体探测具有成本低廉、结构简单、可重复性强、可同时检测多种气体等优点，已成为气体信息传感和检测领域中的前沿技术和重要方法。由于声波信号在不同浓度的气体中传播速度不同，所以当我们改变气体浓度时收发信号的相位会发生改变，本文旨在测量超声波发射和接受信号的相位差来测量氢气的浓度。

2.2目标

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解气体浓度检测的应用及方法，并分析利用超声波相位差检测法与其他方法的优劣，完成开题报告；

第4-6周：完成英文文献翻译，进一步完善研究目标，理解混合气体中声速与气体浓度的关系并完成公式推导；

第7-9周：设计实验电路并搭建实验平台，通过实验来测量声波信号的相位差，从而测量氢气的浓度；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]张兴嘉，花榕，陈双喜等．低浓度氢气检测方法研究进展[j]．分析仪器，2009，5：6-12

[2]christofidesc，mandelisa[j]．applphys，1990，68：1—30

[3]farahif，leilabadypa，jonesjd，jacksonda[r]．4thinternationalconferenceonopticalfibersensors(ofs)，19861127—130