大氣腐蝕速率在線監測傳感器的製造方法
2023-09-11 02:53:30
大氣腐蝕速率在線監測傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種大氣腐蝕速率在線監測傳感器，它包括腐蝕監測模塊、MCU模塊、通信模塊；所述通信模塊與所述MCU模塊連接，所述腐蝕監測模塊包括金屬薄膜試片、恆流源模塊和AD/DA差分電路模塊，所述金屬薄膜試片與所述恆流源模塊連接，所述恆流源模塊與所述MCU模塊連接，所述金屬薄膜試片與所述AD/DA差分電路模塊連接，所述AD/DA差分電路模塊與所述MCU模塊連接，用於測定金屬薄膜試片的電阻值。本發明具有高解析度、高靈敏度、重現性好、成本低、可攜式等優點，適合實時、在線、連續監測大氣環境中氣體汙染物的濃度變化，尤其對於博物館文物保存微環境低氣體汙染物監測具有廣泛的應用前景。另外，本發明對人居環境、新裝修居室的環境監測也具有實用價值。
【專利說明】大氣腐蝕速率在線監測傳感器
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種大氣腐蝕速率監測領域，尤其是博物館微環境汙染物腐蝕速率在 線監測傳感器，具體涉及一種大氣腐蝕速率在線監測傳感器。
【背景技術】
[0002] 文物是歷史的印記，是重要的歷史文化遺產，是人類文明的見證，大部分文物以博 物館形勢進行展示和儲存。據不完全統計，我國館藏文物約有3000餘萬件，品類齊全、數量 巨大，價值極高，博物館總數達4000餘座，作為館藏文物展示與存儲的大氣環境保護尤其 重要。雖然現代環境科學和技術獲得了飛速發展，但當前我國館藏文物預防性保護措施欠 缺，博物館環境質量不高，館藏文物的展示和儲存受溫度、相對溼度、光照度、紫外線強度、 二氧化碳、揮發性有機物、有機酸汙染物、無機汙染物、含硫汙染物等因素的影響，隨著歲月 的流逝，這些珍貴的歷史文化遺產飽經滄桑，遭受著不同程度的汙染物腐蝕。由於缺乏有效 的汙染物監控手段、成本過高等原因，目前國內只有少數重點博物館對館藏文物環境的溫 溼度進行了監測，還沒有對文物造成危害的低濃度氣體汙染物進行監測；受限於目前對微 環境的檢測技術水平，國內的文物保護活動仍多處於被動模式，將被保護對象置於一個相 對封閉的微環境中，任由文物隨著時光的流逝緩慢受損甚至遭到破壞，事後再對文物採取 搶救性修補措施。因此急需開發博物館微環境低濃度汙染物腐蝕速率在線監測傳感器，對 我國可移動文物保存環境進行精確監測、科學評價以從事後修補被動模式向預防性主動保 護模式轉變，為文物保護提供有力支撐。
[0003] 現有的國外大氣環境腐蝕速率實時監測技術，主要是以Purafil公司的OnGuard系 列產品為代表，它能夠連續測量大氣中汙染物的腐蝕速率。這類國外產品由於價格昂貴，知 識產權限制信息外流等因素，難以在我國推廣。目前國內大氣環境腐蝕速率實時監測技術 較為缺乏，其中上海博物館及華南理工大學聯合開發的石英晶體微天平（QCM)博物館微環 境監測裝置，在石英晶片的電極上修飾聚苯胺塗層用作壓電傳感器，對有機酸、醛及苯類氣 體汙染物產生吸附作用。將吸附的質量變化轉化為QCM諧振頻率的變化，通過對頻率的測 量，可以反映微環境汙染物當量濃度。但是QCM靈敏度高，容易受溫度、相對溼度和塵埃的 影響，機械性能較為脆弱。因此，針對目前我國缺乏自主智慧財產權的館藏文物保存環境低濃 度氣體汙染物實時監測技術以及檢測設備，迫切需要開發博物館大氣環境低濃度汙染物腐 蝕速率在線監測傳感技術及專門產品。
【發明內容】
[0004] 本發明克服了現有技術的不足，提供一種實時、在線、連續監測大氣腐蝕速率的大 氣腐蝕速率在線監測傳感器，所採用的技術方案是四電極測電阻法。
[0005] 採用四電極測電阻法時，兩塊金屬薄膜試片串聯進行測試，受環境腐蝕的傳感金 屬薄膜試片隨著表面有效橫截面積的減少將導致電阻增加，電子數據記錄器測定和記錄傳 感金屬薄膜試片相對於參比金屬薄膜試片的電阻變化值，然後通過計算得到金屬腐蝕深度 及腐蝕速率。所述數據測定採用非接觸式數據採集，即使隔著玻璃也可以進行採集。
[0006] 為解決上述的技術問題，本發明採用以下技術方案：
[0007] -種大氣腐蝕速率在線監測傳感器，它包括腐蝕監測模塊、MCU模塊、通信模塊； 所述腐蝕監測模塊包括金屬薄膜試片、恆流源模塊和AD/DA差分電路模塊；所述金屬薄膜 試片與所述恆流源模塊連接，所述恆流源模塊與所述MCU模塊連接，用於提供穩定低漂移 的測試電流；所述金屬薄膜試片與所述AD/DA差分電路模塊連接，所述AD/DA差分電路模塊 與所述MCU模塊連接，用於測定金屬薄膜試片的電阻值；所述通信模塊與所述MCU模塊連 接，用於傳輸MCU模塊處理得出的數據。
[0008] 更進一步的技術方案是金屬薄膜試片包括至少一個傳感金屬薄膜試片和至少一 個參比金屬薄膜試片；所述傳感金屬薄膜試片與所述參比金屬薄膜試片串聯。
[0009] 更進一步的技術方案是傳感金屬薄膜試片暴露於大氣環境作為敏感元件，所述參 比金屬薄膜試片與大氣環境隔離作為參比元件。
[0010] 更進一步的技術方案是傳感金屬薄膜試片與所述參比金屬薄膜試片均是鍍於絕 緣板上。
[0011] 更進一步的技術方案是傳感金屬薄膜試片與所述參比金屬薄膜試片是相同材料 的線型薄膜金屬層，所述傳感金屬薄膜試片與所述參比金屬薄膜試片結構尺寸相同。
[0012] 更進一步的技術方案是傳感金屬薄膜試片與所述參比金屬薄膜試片厚度均為 10nm至20um，長度大於100mm。
[0013] 更進一步的技術方案是金屬薄膜試片的材料是銅、銀、鋅、鋁、鐵、鎳、鉛中的一種 材料。
[0014] 更進一步的技術方案是大氣腐蝕速率在線監測傳感器還包括用於檢測環境的溫 度和相對溼度的溫溼度檢測模塊，所述溫溼度檢測模塊與所述MCU模塊連接。
[0015] 更進一步的技術方案是通信模塊是無線通信模塊。
[0016] 更進一步的技術方案是通信模塊包括存儲單元，所述存儲單元是網絡通信存儲單 J Li 〇
[0017] 本發明由電池供電，體積小、無線發射、測量功耗低，使用壽命可達到5年，電池可 更換。
[0018] 所述傳感金屬薄膜試片電阻變化轉化為腐蝕深度的改變，進而對大氣環境腐蝕速 率進行檢測，精度可達到〇· lnm。
[0019] 與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明具有高解析度、高靈敏度、重現性 好、成本低、可攜式等優點，適合實時、在線、連續監測大氣環境中氣體汙染物的濃度變化， 尤其對於博物館文物保存微環境低氣體汙染物監測具有廣泛的應用前景。另外，本發明對 人居環境、新裝修居室的環境監測也具有實用價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發明一個實施例中傳感器的原理框圖。
[0021] 圖2為本發明一個實施例的金屬薄膜試片結構示意圖。
[0022] 圖3為本發明一個實施例中測試原理圖。
【具體實施方式】
[0023] 下面結合附圖對本發明作進一步闡述，實施例僅用於說明本發明而不局限於本發 明內容。
[0024] 本發明的實施方式涉及一種實時、在線、連續監測博物館保存微環境氣體汙染物 腐蝕速率的傳感器設備。
[0025] 如圖1所示，本發明一個實施例大氣腐蝕速率在線監測傳感器，它包括腐蝕監測 模塊、MCU主電路模塊、通信電路模塊。相應的，MCU主電路模塊連接有電源、RS232接口、 LCD以及鍵盤。腐蝕監測模塊包括鍍於絕緣板上的傳感金屬薄膜試片Rsms與參比金屬薄膜 試片RMf，恆流源和AD/DA差分電路。傳感金屬薄膜試片R sms和參比金屬薄膜試片RMf為 兩塊相同質地的線型薄膜金屬層，其中傳感金屬薄膜試片R sms暴露於大氣環境作為敏感元 件，參比金屬薄膜試片RMf與大氣環境隔離作為參比元件。恆流源與MCU主電路和金屬薄 膜試片相連，用於提供穩定低漂移的測試電流。AD/DA差分電路與MCU主電路和金屬薄膜 試片相連，用於測定金屬薄膜試片的電阻值。MCU主電路連接有溫溼度檢測模塊，溫溼度檢 測模塊用於檢測環境的溫度和相對溼度。通信電路與MCU主電路相連，用於傳輸MCU主電 路處理得出的數據。通信電路模塊採用無線通訊技術，通過無線模塊將數據傳輸給計算機。 無線通訊技術基於GPRS/GSM晶片實現。通信電路存儲單元利用網絡通信技術，能夠實現數 據的遠程存取及實時管理，可通過E-mail傳輸，方便快捷。
[0026] 如圖2所示，金屬薄片試片，如傳感金屬薄膜試片或參比金屬薄膜試片，其結構主 要是線型金屬薄膜2,其中線型金屬薄膜2與金叉指4連接，線型金屬薄膜2與金叉指4鍍 於絕緣板1上，同時線型金屬薄膜2與金叉指4上設置有隔離層3。
[0027] 如圖3所示，傳感金屬薄膜試片Rsms暴露於大氣環境作為敏感元件，參比金屬薄膜 試片R? f與大氣環境隔離作為參比元件。本發明涉及的兩塊材質和厚度相同的金屬線型薄 膜試片置於絕緣板上，採用四電極測電阻法進行測試，兩塊金屬薄膜試片串聯進行，受環境 腐蝕的傳感金屬薄膜試片R sms隨著表面有效橫截面積的減少將導致電阻增加，電子數據記 錄器測定和記錄傳感金屬薄膜試片Rsms相對於參比金屬薄膜試片R Mf的電阻變化值，然後 通過計算得到金屬腐蝕深度及腐蝕速率。數據測定採用非接觸式數據採集，即使隔著博物 館展櫃玻璃也可以進行採集。
[0028] 採用四電極測電阻法時，兩塊金屬薄膜試片串聯進行測試，受環境腐蝕的傳感金 屬薄膜試片R sms隨著表面有效橫截面積的減少將導致電阻增加，電子數據記錄器測定和記 錄傳感金屬薄膜試片Rsms相對於參比金屬薄膜試片R Mf的電阻變化值，然後通過計算得到 金屬腐蝕深度及腐蝕速率。本實施例涉及的金屬薄膜試片腐蝕深度（大氣腐蝕速率）可以 通過以下方程式進行計算：
[0029]
【權利要求】
1. 一種大氣腐蝕速率在線監測傳感器，其特徵在於：它包括腐蝕監測模塊、MCU模塊、 通信模塊；所述腐蝕監測模塊包括金屬薄膜試片、恆流源模塊和AD/DA差分電路模塊；所述 金屬薄膜試片與所述恆流源模塊連接，所述恆流源模塊與所述MCU模塊連接，用於提供穩 定低漂移的測試電流；所述金屬薄膜試片與所述AD/DA差分電路模塊連接，所述AD/DA差分 電路模塊與所述MCU模塊連接，用於測定金屬薄膜試片的電阻值；所述通信模塊與所述MCU 模塊連接，用於傳輸MCU模塊處理得出的數據。
2. 根據權利要求1所述的大氣腐蝕速率在線監測傳感器，其特徵在於所述的金屬薄膜 試片包括至少一個傳感金屬薄膜試片和至少一個參比金屬薄膜試片；所述傳感金屬薄膜試 片與所述參比金屬薄膜試片串聯。
3. 根據權利要求2所述的大氣腐蝕速率在線監測傳感器，其特徵在於所述的傳感金屬 薄膜試片暴露於大氣環境作為敏感元件，所述參比金屬薄膜試片與大氣環境隔離作為參比 元件。
4. 根據權利要求2所述的大氣腐蝕速率在線監測傳感器，其特徵在於所述的傳感金屬 薄膜試片與所述參比金屬薄膜試片均是鍍於絕緣板上。
5. 根據權利要求2所述的大氣腐蝕速率在線監測傳感器，其特徵在於所述的傳感金屬 薄膜試片與所述參比金屬薄膜試片是相同材料的線型薄膜金屬層，所述傳感金屬薄膜試片 與所述參比金屬薄膜試片結構尺寸相同。
6. 根據權利要求2所述的大氣腐蝕速率在線監測傳感器，其特徵在於所述的傳感金屬 薄膜試片與所述參比金屬薄膜試片厚度均為l〇nm至20um，長度大於100mm。
7. 根據權利要求2所述的大氣腐蝕速率在線監測傳感器，其特徵在於所述的金屬薄膜 試片的材料是銅、銀、鋅、鋁、鐵、鎳、鉛中的一種材料。
8. 根據權利要求1所述的大氣腐蝕速率在線監測傳感器，其特徵在於所述的大氣腐蝕 速率在線監測傳感器還包括用於檢測環境的溫度和相對溼度的溫溼度檢測模塊，所述溫溼 度檢測模塊與所述MCU模塊連接。
9. 根據權利要求1所述的大氣腐蝕速率在線監測傳感器，其特徵在於所述的通信模塊 是無線通信模塊。
10. 根據權利要求1所述的大氣腐蝕速率在線監測傳感器，其特徵在於所述的通信模 塊包括存儲單元，所述存儲單元是網絡通信存儲單元。
【文檔編號】G01N17/00GK104155235SQ201410457863
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年9月10日 優先權日:2014年9月10日
【發明者】王新鋒, 田先清, 楊黎, 朱民, 王曉川, 梁延軍 申請人:四川省科學城海天實業總公司, 中國工程物理研究院化工材料研究所