【技术领域】
[0001] 本
发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种测氢气的磁电谐振传感器、测试装置及测试方法。【背景技术】
[0002] 在新
能源领域，氢能源作为一种资源丰富，
燃烧热量大，重量轻的可持续发展的优质清洁能源，吸引着各国在推动氢能产业链的大
力发展。氢气是目前世界上最轻的气体，无色无味且不容于
水，在常温下，氢气的化学性质是稳定的，但是在燃烧或加热的条件下，氢气很容易和多种物质发生化学反应，在反应过程中有大量的热量放出，是相同条件下
汽油的三倍。空气中混入氢气的体积达到总体积的4％～74.2％，加热或者燃烧就容易发生爆炸。在运输和使用氢气的过程中，检测氢气浓度是十分的有必要。
[0003] 现有的检测氢气的系统中，常采用传感器来检测氢气。目前常用的氢气传感器有化学变色氢传感器，电化学氢传感器，
半导体型ZnO和SnO2氢传感器，以及Pd基类氢传感器，均使用不同的机理来检测氢气。然而，这些传感器均存在以下缺点：检测性能差，选择性差，
稳定性低，受环境
温度影响大，灵敏度低，这些缺点始终是困扰氢传感器检测的主要问题。【发明内容】
[0004] 本发明旨在公开一种测氢气的磁电谐振传感器、测试装置及测试方法，将
磁致伸缩材料的磁致伸缩效应和压电材料的
压电效应结合，提供一种新型的
精度高，体积小，结构简单，成本低廉的氢气浓度检测器件。
[0005] 本发明采取的技术方案为：
[0006] 一种测氢气的磁电谐振传感器，所述传感器包括磁致伸缩层、金属片、压电层、压电层引出
导线、金属片引出导线和侧面密封壁，所述磁致伸缩层与金属片分别设置在侧面密封壁的两端，所述磁致伸缩层用于在
磁场下产生弹性形变，所述压电层设置在金属片上，所述磁致伸缩层与压电层之间设置为
谐振腔，谐振腔设置在侧面密封壁内，所述谐振腔用于把磁致伸缩层的弹性形变传给压电层，所述压电层引出导线设置在压电层上，所述金属片引出导线设置在金属片上，所述压电层用于通过压电效应诱导输出电荷从压电层引出导线输出。
[0007] 进一步地，上述方案还包括进气孔，所述进气孔设置在谐振腔上，进气孔贯穿侧面密封壁把谐振腔与外部连通。
[0008] 进一步地，所述侧面密封壁设置为圆筒状结构，所述磁致伸缩层、金属片和压电层均是设置为圆形结构，压电层的圆形半径比金属片的圆形半径小。
[0009] 进一步地，所述侧面密封壁与金属片通过环
氧树脂胶水粘合，所述侧面密封壁采用
铝环。
[0010] 进一步地，所述磁致伸缩层使用的材料为Terfenol-D，所述压电层使用的材料为PbZr0.52Ti0.48O3。
[0011] 一种测氢气的磁电谐振传感器的测试装置，所述测试装置包括
信号发生器、功率
放大器、传感器、亥姆霍兹线圈、氢气产生器、示波器、氢气检测仪和磁通计，所述传感器为
权利要求1-5任意一项的磁电谐振传感器，所述信号发生器与
功率放大器连接，所述信号发生器用于发生
正弦波信号，所述功率放大器与亥姆霍兹线圈连接，所述功率放大器用于把正弦波信号进行放大并传给亥姆霍兹线圈，所述亥姆霍兹线圈用于产生磁场；所述氢气产生器用于生成氢气，所述氢气检测仪用于检测氢气的浓度，所述磁通计与示波器连接，所述磁通计用于检测磁场强度，并把检测的数据传给示波器，所述磁电谐振传感器的压电层引出导线输出端与示波器连接，所述磁电谐振传感器用于把产生的
电信号传给示波器。
[0012] 进一步地，上述方案还包括容器，所述容器设置为密闭的容器，所述传感器、亥姆霍兹线圈和氢气产生器均设置在容器内，所述氢气检测仪和磁通计的
探头均设置在容器内，所述氢气检测仪用于检测容器内的氢气浓度，所述磁通计用于检测传感器的磁致伸缩层附件的磁场大小。
[0013] 进一步地，所述亥姆霍兹线圈的数量为两个，分别设置在传感器的两端。
[0014] 进一步地，所述氢气产生器为NaOH溶液的氢气
电解池。
[0015] 一种测氢气的磁电谐振传感器的测试方法，所述测试方法包括如下步骤：
[0016] 使用氢气产生器产生氢气，同时使用氢气检测仪检测氢气的浓度；
[0017] 使用亥姆霍兹线圈产生磁场，通过磁通计检测磁场大小传给示波器；
[0018] 把磁电谐振传感器放入磁场中，把磁电谐振传感器的电信号输出端传给示波器；
[0019] 根据磁电谐振传感器输出的电信号，磁通计检测的磁场大小和氢气的浓度分析出磁电谐振传感器在不同氢气浓度时谐振
频率变化。
[0020] 进一步地，所述亥姆霍兹线圈产生磁场的过程为：
[0021] 使用信号发生器发生正弦波信号，正弦波信号经过功率放大器进行放大后传给亥姆霍兹线圈产生磁场。
[0022] 进一步地，所述测试为在密闭的容器内进行。
[0023] 采用本发明技术方案具有以下优势：
[0024] 本发明将磁致伸缩材料的磁致伸缩效应和压电材料的压电效应结合，提供一种精度高，体积小，结构简单，成本低廉的新型氢气检测器件；提供了一种结构简单，精度高，成本低廉的新型磁电谐振传感器件检测氢气浓度的完整过程。在不同的氢气浓度下，将磁电谐振传感器放置在不同的交变磁场下，检测磁电
输出电压Vout随氢气浓度变化的规律，实验结果可以表明，氢气浓度n和磁电谐振传感器的谐振频率呈现非常好的线性关系(△f/n≈0.48kHz)。在以上结果的
基础上可以实现通过检查磁电输出电压来检测氢气浓度的目的。【
附图说明】
[0025] 图1是本发明一种测氢气的磁电谐振传感器的结构示意图。
[0026] 图2是本发明一种测氢气的磁电谐振传感器测试装置的结构示意图。
[0027] 图3是本发明一种测氢气的磁电谐振传感器的磁电谐振传感器的阻抗谱图。
[0028] 图4是本发明一种测氢气的磁电谐振传感器的磁电谐振传感器的磁电谐振传感器在不同频率下输出电压图。
[0029] 图5是本发明一种测氢气的磁电谐振传感器的磁电谐振传感器的磁电谐振传感器在不同频率下输入输出电压变化图。
[0030] 图6是本发明一种测氢气的磁电谐振传感器的磁电谐振传感器的磁电谐振传感器在不同氢气浓度时谐振频率变化图。
[0031] 附图标号说明
[0032]磁致伸缩层1 进气孔2 金属片3
压电层4 压电层引出导线5 金属片引出导线6
侧面密封壁7
信号发生器10 功率放大器20 传感器30
亥姆霍兹线圈40 氢气产生器50 示波器60
氢气检测仪70 磁通计80 容器90
[0033] 如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。【具体实施方式】
[0034] 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作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。
[0035] 需要说明的是，在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
[0036] 本发明的
说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何
变形，意图在于
覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
[0037] 需要说明的是，下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0038] 下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。
[0039] 请参阅图1，是本发明实施例提供的一种测氢气的磁电谐振传感器的结构示意图，如图1所示，所述传感器包括磁致伸缩层1、金属片3、压电层4、压电层引出导线5、金属片引出导线6和侧面密封壁7。所述磁致伸缩层1与金属片3分别设置在侧面密封壁7的两端，所述磁致伸缩层1用于在磁场下产生弹性形变，所述压电层4设置在金属片3上，所述磁致伸缩层1与压电层4之间设置为谐振腔，谐振腔设置在侧面密封壁内，所述谐振腔用于把磁致伸缩层的弹性形变传给压电层4，所述压电层引出导线5设置在压电层4上，所述金属片引出导线
6设置在金属片3上，所述压电层4用于通过压电效应诱导输出电荷从压电层引出导线输出。
[0040] 通过磁致伸缩层1在磁场下产生弹性形变，通过谐振腔共振传递压电层4，压电层4通过压电效应诱导输出电荷输出，产生的电信号由示波器进行检测。将磁致伸缩材料的磁致伸缩效应和压电材料的压电效应结合，实现磁电转换功能。在外界交变(AC)磁场下，磁致伸缩层1通过磁致伸缩效应产生弹性形变，通过谐振腔共振传递给压电层4，压电层4通过压电效应诱导输出电荷输出。检测氢气浓度的机理是在氢气进入谐振腔中导致
声波速率发生变化，由于氢气的浓度
和声波速度呈线性关系，声波速度和谐振腔共振频率也是线性关系，所以检测谐振腔的共振频率的变化即可实现检测氢气的浓度变化。
[0041] 本发明实施例中，还包括进气孔2，所述进气孔2设置在谐振腔上，进气孔贯穿侧面密封壁把谐振腔与外部连通。进气孔2为出音孔。
[0042] 本发明实施例中，所述侧面密封壁设置为圆筒状结构，所述磁致伸缩层、金属片和压电层的横截面均是设置为圆形结构，压电层的横截面的圆形半径比金属片的横截面的圆形半径小。所述侧面密封壁与金属片通过
环氧树脂胶水粘合，所述侧面密封壁采用铝环。所述磁致伸缩层使用的材料为Terfenol-D，所述压电层使用的材料为PbZr0.52Ti0.48O3。
[0043] 压电层引出导线5为从压电材料表面引出来的导线，金属片引出导线6为从金属片表面引出来的导线，侧面密封壁7为谐振腔的侧面密封壁，采用铝环，其中侧面密封壁7与磁致伸缩层1，侧面密封壁7与金属片3之间通过环氧树脂胶水粘合，确保密封不漏气，金属片3为
铜片。
[0044] 磁电谐振传感器的实现效果和灵敏度与共振腔的容积，磁致伸缩材料和压电材料的功能特性，材料的直径和厚度，以及谐振腔的高度，进气孔的孔径，谐振腔的重量有关。
[0045] 一种测氢气的磁电谐振传感器的测试装置，如图2所示，所述测试装置包括信号发生器10、功率放大20器、传感器30、亥姆霍兹线圈40、氢气产生器50、示波器60、氢气检测仪70和磁通计80。所述传感器30为图1所述的磁电谐振传感器，所述信号发生器10与功率放大器20连接，所述信号发生器10用于发生正弦波信号，所述功率放大器20与亥姆霍兹线圈40连接，所述功率放大器20用于把正弦波信号进行放大并传给亥姆霍兹线圈40，所述亥姆霍兹线圈40用于产生磁场；所述氢气产生器50用于生成氢气，所述氢气检测仪70用于检测氢气的浓度，所述磁通计80与示波器连接，所述磁通计80用于检测传感器30的磁致伸缩层1端的磁场强度，并把检测的数据传给示波器60，所述磁电谐振传感器的压电层引出导线输出端与示波器连接，所述磁电谐振传感器用于把产生的电信号传给示波器60。
[0046] 在信号源提供正弦波信号，由功率放大器进行放大提供给亥姆霍兹线圈产生磁场，磁致伸缩层状材料在磁场下产生弹性形变，通过谐振腔共振传递压电层状材料，压电层状材料通过压电效应诱导输出电荷输出，产生的电信号由示波器进行检测。在磁通计80的磁场探针测试磁致伸缩层状材料附近磁场大小，然后磁通计80收集的信号传递给示波器进行分析。传感器30、亥姆霍兹线圈40和氢气产生器50放置在密闭玻璃容器中，玻璃器皿中的氢气产生器50通电分解NaOH溶液产生氢气，在玻璃器皿中传感器30的谐振腔附近插入氢气探针检测氢气浓度用来协助分析。
[0047] 本发明实施例中，还包括容器90，所述容器90设置为密闭的容器，所述传感器30、亥姆霍兹线圈40和氢气产生器50均设置在容器内，所述氢气检测仪70和磁通计80的探头均设置在容器内，所述氢气检测仪70用于检测容器内的氢气浓度，所述磁通计80用于检测传感器的磁致伸缩层附件的磁场大小。所述亥姆霍兹线圈40的数量为两个，分别设置在传感器30的两端。所述氢气产生器50为NaOH溶液的氢气
电解池。
[0048] 磁电谐振传感器放置在密闭的玻璃容器中，可以根据电解NaOH溶液产生的氢气，确保磁电谐振传感器处于不同的氢气浓度中进行测试磁电输出电压的大小。另外氢气检测仪用来检测氢气浓度，与磁电谐振传感器检测的输出电压大小进行对比，实现谐振频率与浓度直接的变化规律。
[0049] 图3为磁电谐振传感器的
电阻抗曲线和
相位曲线。虚线为电阻抗曲线，实线为相位曲线，从电阻抗曲线，可以看出谐振腔的谐振频率点在93kHz附近。
[0050] 图4为在磁场强度Hac＝1.7Oe时不同频率下的磁电输出电压曲线。从曲线可以看出检测磁电输出电压Vout达到最高值，与谐振腔的谐振频率点在93kHz是一致的。
[0051] 图5为不同频率(f＝1kHz，10kHz，92.8kHz，100kHz)下，磁电输出电压与交变磁场强度之间的关系曲线。在不同的频率(f＝1kHz，10kHz，92.8kHz，100kHz)下曲线中磁电输出电压Vout与磁场强度呈现较好的线性比例。
[0052] 图6为磁电谐振传感器的共振频率与H2体积浓度的关系曲线。氢气浓度n和磁电谐振传感器的谐振频率呈现非常好的线性关系。
[0053] 磁电谐振传感器件检测氢气浓度的完整过程，对传感器随交变磁场强度变化特性进行测试，对磁电输出电压随氢气浓度变化特性进行测试，在以上结果的基础上可以实现最佳共振状态的调试和优化，达到通过检查磁电输出电压来检查氢气浓度的目的。
[0054] 将磁致伸缩层状材料的磁致伸缩效应和压电层状材料的压电效应结合，磁信号转换为电信号，检测磁电输出电压来判断谐振频率点，发现谐振频率点在不同的氢气浓度下出现线性变化，从而实现检验氢气的目的。将磁致伸缩层状材料和压电层状材料的简单结合，组装方便，操作简单，能够实现高精度检测氢气的浓度。
[0055] 一种测氢气的磁电谐振传感器的测试方法，所述测试方法包括如下步骤：
[0056] 使用氢气产生器产生氢气，同时使用氢气检测仪检测氢气的浓度；
[0057] 使用亥姆霍兹线圈产生磁场，通过磁通计检测磁场大小传给示波器；
[0058] 把磁电谐振传感器放入磁场中，把磁电谐振传感器的电信号输出端传给示波器；
[0059] 根据磁电谐振传感器输出的电信号，磁通计检测的磁场大小和氢气的浓度分析出磁电谐振传感器在不同氢气浓度时谐振频率变化。
[0060] 通过对传感器随交变磁场强度变化特性进行测试，对磁电输出电压随氢气浓度变化特性进行测试，在以上结果的基础上可以实现最佳共振状态的调试和优化，达到通过检查磁电输出电压来检查氢气浓度的目的。
[0061] 本发明实施例中，所述亥姆霍兹线圈产生磁场的过程为：
[0062] 使用信号发生器发生正弦波信号，正弦波信号经过功率放大器进行放大后传给亥姆霍兹线圈产生磁场。将磁电谐振传感器放置在不同的交变磁场下，检测磁电输出电压Vout随氢气浓度变化的规律，实验结果可以表明，氢气浓度n和磁电谐振传感器的谐振频率呈现非常好的线性关系(△f/n≈0.48kHz)。在以上结果的基础上可以实现通过检查磁电输出电压来检测氢气浓度的目的。
[0063] 本发明实施例中，所述测试为在密闭的容器内进行。磁电谐振传感器的实现效果和灵敏度与共振腔的容积，磁致伸缩材料和压电材料的功能特性，材料的直径和厚度，以及谐振腔的高度，进气孔的孔径，谐振腔的重量有关。
[0064] 本发明提供一种测量氢气的新型磁电谐振腔传感器，将磁致伸缩材料的磁致伸缩效应和压电材料的压电效应结合，提供一种精度高，体积小，结构简单，成本低廉的新型氢气检测器件。将磁致伸缩材料的磁致伸缩效应和压电材料的压电效应结合，实现磁电转换功能。在外界交变(AC)磁场下，磁致伸缩层状材料通过磁致伸缩效应产生弹性形变，通过谐振腔共振传递给压电层状材料，压电层状材料通过压电效应诱导输出电荷输出。检测氢气浓度的机理是在氢气进入谐振腔中导致声波速率发生变化，由于氢气的浓度和声波速度呈线性关系，声波速度和谐振腔共振频率也是线性关系，所以检测谐振腔的共振频率的变化即可实现检测氢气的浓度变化。
