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氢气压力传感器是怎么样的?

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【摘要】:
  氢气压力传感器是怎么样的?

  化石能源的广泛使用导致了目前的环境污染和全球变暖,而氢气有望在未来的能源体系中取代化石燃料,成为可持续清洁能源的载体。但氢气是易燃易爆气体,在空气中体积浓度为4%至75%,点火能量为0.02 MJ时容易发生爆炸。

  氢气压力传感器是怎么样的?

  化石能源的广泛使用导致了目前的环境污染和全球变暖,而氢气有望在未来的能源体系中取代化石燃料,成为可持续清洁能源的载体。但氢气是易燃易爆气体,在空气中体积浓度为4%至75%,点火能量为0.02 MJ时容易发生爆炸。因此,廉价可靠的氢传感器对于氢相关的应用很重要。传统的氢气检测主要基于电传感器,但是这些传感器会在感应点产生电火花。而氢气压力传感器可以消除火花的潜在风险,因为在测试点只能进行光学动作,信号读取可以远程完成。

  钯(Pd)因其可逆氢化物性和稳定性而广泛用于氢传感。以往的研究报道了各种基于光强变化的Pd传感器,如在二氧化硅衬底上的单层Pd膜,为提高灵敏度而制作的多层膜结构Mg2Ni/Ti/Pd等。同时还有基于表面等离子体共振的Pd氢传感器,如带有Pd膜的纳米槽结构,基于Pd/Au双金属的纳米圆盘散射光氢传感器等。这些传感器都取决于材料的特性、复杂的制造工艺或昂贵的设备。

  可视化氢气压力传感器,利用弹性基底上的Pd膜进行传感。由于氢化过程中的体积膨胀,弹性基底上的Pd膜可能形成表面变形,这受到刚性基底的限制。表面变形会增强光散射,减少镜面反射,增强反射对比度,终完成可见光光学氢传感器。

  当该器件暴露在4%氢气混合氮气中时,整个可见光波段的反射率变化超过60.8%,对应的反射对比度在可见光光谱中超过25.78.几乎是迄今为止报道的Pd基氢气传感器好结果的3倍。这个结果不仅仅是由于光学参数的变化,即氢化合物的形成改变了材料的光学性质。事实上,当暴露在氢气中时,材料的体积膨胀引起表面的变形,导致近镜面转变为漫反射面,大大降低了反射,从而产生如此高的反射率对比度。

  在荧光管的照射下,暴露于不同浓度氢气的图案的颜色和亮度会发生变化。在氢化之前,Pd膜具有类似的金属外观,无论基底的柔软度如何都是灰色的)。暴露在氢气中后,柔性基板上的图案变得更亮,这与我们预期的反射减少会导致颜色变暗不同。显然,随着浓度范围从0.6%增加到0.8%,图案变得更亮。同时,不同区域异常明亮的颜色表明表面可能发生了严重变形,这可能会衍射入射光。当氢浓度超过1%时,其进一步增加将不会产生可观察到的颜色和亮度变化,并且图案看起来更白。这个结果可以通过Pd中氢原子的饱和来理解。在饱和状态下,图案变成白色,没有颜色变化。图案的亮度增强看起来类似于汽车前灯照亮交通标志的现象,它比其他没有表面散射的视觉源更吸引人的注意。

  对比0-40范围内测得的反射率的差异,不同角度的反射率几乎相同,说明角度对器件的影响很小,器件使用极其方便,不需要严格的光路就可以用肉眼测试。


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