一种双模半导体热导手持式氢气传感器及其测量方法与流程

1.本发明涉及氢气传感器技术领域，特别是涉及一种双模半导体热导手持式氢气传感器及其测量方法。


背景技术：

2.氢气传感器的发展和应用是现代科学技术发展中的一个重要领域。在市面上，常见的氢气传感器主要有以下几种类型：催化燃烧型、电化学型、半导体型、热导型和表面声波型。催化燃烧型传感器主要依赖于氢与氧气在催化剂的作用下燃烧产生热量的性质。然而，这种传感器可能会受到其它燃烧气体的干扰，而且需要一定的电源来维持催化剂的工作温度，限制了其应用的便利性。电化学型传感器通过氢气在电极上的氧化还原反应产生电流的方式来检测氢气的浓度。但是，这种类型的传感器具有使用寿命短，且在极端环境(如温度和湿度)下存在稳定性不佳的问题。半导体型传感器则是通过氢气与半导体材料反应改变其电导率来测量氢气浓度，这种传感器的问题在于环境湿度和温度的变化容易引起测量误差。热导型传感器的在低温下精度并不高，易受温度影响。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种双模半导体热导手持式氢气传感器及其测量方法，能够实现宽量程，高精度，快速响应的氢气测量。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种双模半导体热导手持式氢气传感器，包括：陶瓷基底、半导体敏感层和热导敏感层；
6.所述陶瓷基底上设有第一空位和第二空位；所述第一空位和所述第二空位相邻放置；其中，所述第一空位用于设置所述半导体敏感层；所述第二空位用于设置所述热导敏感层；
7.所述半导体敏感层的表面和所述热导敏感层的表面覆盖有一层金属网格保护层；所述热导敏感层与所述金属网格保护层之间还设有空室。
8.可选地，所述陶瓷基底采用陶瓷基底电路板。
9.可选地，所述半导体敏感层采用半导体探头。
10.可选地，所述热导敏感层采用热导探头。
11.本发明还提供一种双模半导体热导手持式氢气传感器测量方法，包括：
12.采集所述热导探头的输出数据和半导体探头的输出数据；
13.根据所述热导探头的输出数据、所述半导体探头的输出数据和互解交互算法，确定氢气浓度。
14.可选地，所述互解交互算法，具体为：
15.c＝a*f(t)+b*g(h)+c*f(t)*g(h)+d
16.其中，c表示气体浓度；t表示热导探头的输出数据；h表示半导体探头的输出数据；
f(t)和g(h)分别表示对应探头的输出数据与气体浓度之间关系的函数；a、b和c为互解交互算法的模型因子，a表示热导因子，b表示半导体因子，c表示交互因子；d表示补偿因子。
17.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
18.本发明公开了一种双模半导体热导手持式氢气传感器及其测量方法，所述氢气传感器包括陶瓷基底、半导体敏感层和热导敏感层；所述陶瓷基底上设有第一空位和第二空位；所述第一空位和所述第二空位相邻放置；其中，所述第一空位用于设置所述半导体敏感层；所述第二空位用于设置所述热导敏感层；所述半导体敏感层的表面和所述热导敏感层的表面覆盖有一层金属网格保护层；所述热导敏感层与所述金属网格保护层之间还设有空室。利用上述结构的氢气传感器和双模交互的互解交互算法对氢气浓度进行检测，能够实现宽量程，高精度，快速响应的氢气测量。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明双模半导体热导手持式氢气传感器的结构示意图；
21.图2为本实施例中氢气传感器的简化电路图。
22.附图标记：
23.1、半导体敏感层；2、热导敏感层；3、陶瓷基底；4、金属网格保护层；5、空室。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.本发明的目的是提供一种双模半导体热导手持式氢气传感器及其测量方法，能够实现宽量程，高精度，快速响应的氢气测量。
26.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
27.如图1所示，本发明提供一种双模半导体热导手持式氢气传感器，包括：陶瓷基底3、半导体敏感层1和热导敏感层2。
28.具体地，所述陶瓷基底3上设有第一空位和第二空位；所述第一空位和所述第二空位相邻放置；其中，所述第一空位用于设置所述半导体敏感层1；所述第二空位用于设置所述热导敏感层2；所述半导体敏感层1的表面和所述热导敏感层2的表面覆盖有一层金属网格保护层4；所述热导敏感层2与所述金属网格保护层4之间还设有空室5。
29.在本实施例中，所述陶瓷基底3采用陶瓷基底3电路板，所述半导体敏感层1采用半导体探头，所述热导敏感层2采用热导探头。
30.在上述传感器结构的基础上，提供如下所述实施例。
31.传感器的主体是一块陶瓷基底3电路板。该电路板上有两个相邻传感器空位，用于安装半导体探头和热导探头。半导体敏感层1芯片位于电路板上的左侧空位，热导敏感层2芯片则位于电路板上右侧空位。两个探头传感器的表面覆盖有一层金属网格保护层4，这层保护层可以防止探头被机械损伤，同时也允许气体通过，以便探头能够直接与气体接触。
32.本发明还提供一种双模半导体热导手持式氢气传感器测量方法，包括：
33.步骤100：采集所述热导探头的输出数据和半导体探头的输出数据。
34.步骤200：根据所述热导探头的输出数据、所述半导体探头的输出数据和互解交互算法，确定氢气浓度。
35.其中，所述互解交互算法，具体为：
36.c＝a*f(t)+b*g(h)+c*f(t)*g(h)+d
37.其中，c表示气体浓度；t表示热导探头的输出数据；h表示半导体探头的输出数据；f(t)和g(h)分别表示对应探头的输出数据与气体浓度之间关系的函数；a、b和c为互解交互算法的模型因子，a表示热导因子，b表示半导体因子，c表示交互因子；d表示补偿因子。
38.在上述测量方案的基础上，提供如下所述实施例。
39.在测量时采用的互解交互算法模型中，考虑了热导敏感层2和半导体敏感层1输出之间的交互效应，因此能够提供更准确的气体浓度估计。由于在不同的浓度范围内，两种传感器的精度不同，因此针对不同的浓度，则要分别选取不同的因子。
40.此外，互解交互算法的算法公式还可以采用简化算法进行替换。
41.互解交互算法的简化算法为：
42.c＝w1*f(t)+w2*g(h)
43.其中，c表示气体浓度；f(t)和g(h)分别表示对应探头的输出数据与气体浓度之间关系的函数，这两个函数可以通过实验数据进行拟合得到。w1和w2表示权重系数，且w1+w2＝1。
44.经双模半导体热导手持式氢气传感器及其测量方法，在陶瓷基底电路板中根据如图2所示的电路结构进行测算，对氢气浓度检测的结果如表1所示。
45.表1检测结果表
46.实际值(ppm)检测值(ppm)101350451009720019650048910001012200020045000502210000993320000199674000041998
47.因此，通过采用双模测量方法，可以减小环境因素对测量结果的影响，提高传感器
的可靠性和精度。这为高精度、高稳定性的氢气检测提供了新的可能性。因此研发一种兼具其他类型传感器优点的新型氢气传感器，如双模半导体热导氢气传感器，是非常有意义的。
48.在本实施例中的氢气传感器结合了半导体型和热导型两种传感器的优点，因此具有一系列的优势：
49.1、高灵敏度：使用半导体材料可以大大提高传感器对氢气的敏感性。同时，通过结合热导型传感器的工作机理，这种传感器可以更快、更准确地响应氢气浓度的变化。
50.2、高稳定性：相比单一模式的传感器，双模式传感器可以通过一个模式来补偿另一个模式可能出现的误差或不稳定性，从而提高整体的稳定性。
51.3、强抗干扰能力：通过双模式的工作机制，可以减小其他环境因素(如温度、湿度等)对氢气测量的干扰。
52.4、长期使用的可靠性：由于双模式传感器可以自我校正，它可以保持长期的测量精度，不需要频繁地校准。
53.5、环境适应性强：由于双模传感器结合了两种不同类型的传感器，它在更广泛的环境条件下都可以正常工作。
54.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
55.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种双模半导体热导手持式氢气传感器，其特征在于，包括：陶瓷基底、半导体敏感层和热导敏感层；所述陶瓷基底上设有第一空位和第二空位；所述第一空位和所述第二空位相邻放置；其中，所述第一空位用于设置所述半导体敏感层；所述第二空位用于设置所述热导敏感层；所述半导体敏感层的表面和所述热导敏感层的表面覆盖有一层金属网格保护层；所述热导敏感层与所述金属网格保护层之间还设有空室。2.根据权利要求1所述的双模半导体热导手持式氢气传感器，其特征在于，所述陶瓷基底采用陶瓷基底电路板。3.根据权利要求1所述的双模半导体热导手持式氢气传感器，其特征在于，所述半导体敏感层采用半导体探头。4.根据权利要求1所述的双模半导体热导手持式氢气传感器，其特征在于，所述热导敏感层采用热导探头。5.一种双模半导体热导手持式氢气传感器测量方法，其特征在于，包括：采集所述热导探头的输出数据和半导体探头的输出数据；根据所述热导探头的输出数据、所述半导体探头的输出数据和互解交互算法，确定氢气浓度。6.根据权利要求5所述的双模半导体热导手持式氢气传感器测量方法，其特征在于，所述互解交互算法，具体为：c＝a*f(t)+b*g(h)+c*f(t)*g(h)+d其中，c表示气体浓度；t表示热导探头的输出数据；h表示半导体探头的输出数据；f(t)和g(h)分别表示对应探头的输出数据与气体浓度之间关系的函数；a、b和c为互解交互算法的模型因子，a表示热导因子，b表示半导体因子，c表示交互因子；d表示补偿因子。

技术总结
本发明公开一种双模半导体热导手持式氢气传感器及其测量方法，涉及氢气传感器技术领域。所述氢气传感器包括：陶瓷基底、半导体敏感层和热导敏感层；所述陶瓷基底上设有第一空位和第二空位；所述第一空位和所述第二空位相邻放置；其中，所述第一空位用于设置所述半导体敏感层；所述第二空位用于设置所述热导敏感层；所述半导体敏感层的表面和所述热导敏感层的表面覆盖有一层金属网格保护层；所述热导敏感层与所述金属网格保护层之间还设有空室。本发明能够实现宽量程，高精度，快速响应的氢气测量。测量。测量。


技术研发人员：王远西 王鼎 王东良 李罗申辉
受保护的技术使用者：上海和璞电子技术有限公司
技术研发日：2023.07.21
技术公布日：2023/10/11