基于鈀基合金薄膜的光纖氫氣傳感器建模分析與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著工業(yè)化的發(fā)展,氫氣傳感器在國防、軍事及民用中均表現(xiàn)出強(qiáng)烈的需求。但是目前的各種氫氣傳感器都還存在著這樣或者那樣的缺點(diǎn),無法滿足各種實(shí)際需求。光纖傳感器以其特有高安全性和高抗干擾性成為氫氣傳感器領(lǐng)域中最具應(yīng)用前景的一類傳感器。本論文針對光纖氫氣傳感器的研究現(xiàn)狀以及存在的問題,主要以鈀基薄膜反射式光纖氫氣傳感器為對象,在傳感器機(jī)理、傳感器關(guān)鍵技術(shù)、高重復(fù)性氫氣傳感器樣機(jī)研制、快速型氫氣傳感器樣機(jī)研制等方面進(jìn)行了以下研究:
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2、)提出了基于光學(xué)矩陣的薄膜反射模型。該模型解決了薄膜折射率、薄膜厚度、基底材料折射率、入射光波波長等因素對薄膜反射率的影響。
　　(2)提出了鈀基合金薄膜中氫原子擴(kuò)散模型。該模型建立了薄膜中氫原子濃度與擴(kuò)散時(shí)間、薄膜厚度等因素的關(guān)系。通過仿真分析得出傳感器的響應(yīng)時(shí)間與薄膜厚度的平方呈正比。
　　(3)基于對現(xiàn)有薄膜微觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察,提出了用于解釋薄膜失效的氫氣泡模型。該模型闡明了脫層高度,薄膜折射率、薄膜厚度、基底材料折射

3、率、入射光波波長等因素對傳感器重復(fù)性的影響。
　　(4)建立了光纖束的反射耦合模型,通過仿真計(jì)算研究了發(fā)送光纖芯徑,接收光纖芯徑,反射距離,光纖數(shù)值孔徑等參數(shù)對薄膜反射率的影響。討論了適合光纖氫氣傳感器的最佳反射距離。
　　(5)為了提高氫氣傳感器的精度,本文分析了光電二極管工作原理,設(shè)計(jì)了基于T型網(wǎng)絡(luò)的前置放大電路,減小了輸出偏置電壓。采用小波變換方法設(shè)計(jì)了基于Matlab的濾波程序,有效地消除噪聲的影響,提高了傳感器的信

4、噪比。
　　(6)在對鈀基薄膜型傳感器失效機(jī)理深入分析的基礎(chǔ)上,首次闡明了摻雜抑制破裂的原理。并以密度泛函理論作為工具,提出了面向氫氣傳感器的鈀基合金摻雜方法。通過該方法設(shè)計(jì)了高重復(fù)性的PdY合金薄膜材料并制作了傳感器樣機(jī)。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明,鈀釔合金薄膜的確能夠提高傳感器的重復(fù)性。同時(shí),實(shí)驗(yàn)還表明,新制薄膜的通氫老化處理有利于提高傳感器的重復(fù)性。老化后的傳感器零點(diǎn)漂移和氫氣點(diǎn)漂移均小于0.2％,具有較好的實(shí)用價(jià)值。
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