随着氢能在交通、化工、储运等场景中的应用不断拓展,安全监测正成为产业规模化发展的重要支撑。氢气无色无味、分子小、扩散快,空气中体积分数达到约4%—75%时均可能形成爆炸性混合物,微小泄漏若未能被及时识别,极易演变为安全风险。面向这一现实需求,中国石油大学(北京)克拉玛依校区“石破天氢”团队将研究重点放在高精度氢气检测上,围绕表面等离激元(SPR)光学传感技术,探索兼顾灵敏度、响应速度与环境适应性的安全监测方案。
团队的核心思路,是利用微纳光学结构放大气体浓度变化带来的光学响应。项目采用金属—绝缘体—金属(MIM)共振腔结构,并以钯作为氢敏材料。当环境中的氢气浓度发生变化时,钯吸氢后产生微小形变,进而改变共振条件,使透射光谱峰位发生偏移。系统通过捕捉这一偏移量,实现对氢气浓度的测量。相较于敏感材料直接置于共振腔内部的传统设计,该方案将气体敏感部分与光学共振部分进行解耦,为后续器件独立优化、组装和微型化提供了空间。
图1 气体传感系统共振腔示意图
为了提升复杂工况下的稳定性,团队进一步引入温度补偿机制和多参数联合优化。系统通过实时采集环境温度,分析金属热胀冷缩对共振波长的影响,并利用补偿算法修正温度漂移;同时,将海洋捕食者算法与深度卷积神经网络应用于材料、膜厚、栅格、栅距等关键参数的协同优化。项目资料显示,该系统理论检测精度可达0.01 ppm,响应时间为200毫秒,满量程误差控制在±0.3%以内,模型识别准确率达到98%。
图2 传感系统温度改变量与气体浓度对应关系
在硬件之外,项目还将传感器与监测软件和联动控制机制进行集成。气体浓度可通过界面实时显示,系统能够记录报警时间、浓度峰值等信息;当浓度超过设定阈值时,可触发报警,并与阀门、通风及控制中心等环节联动。面向输氢管道、加氢站和石油化工等场景,团队也考虑了与现有SCADA系统的兼容,为后续形成网络化监测能力奠定基础。
图3 项目产品样品
目前,项目正从理论建模和器件设计逐步走向工程验证。项目资料显示,团队已形成10篇录用或发表论文,依托指导老师2项公开发明专利,1项软件著作权在投,并通过克里特集团、拜瑞工业等企业的技术认证,与龙游特智开展产学研合作。相关试点产品已连续稳定运行6个月以上,并在企业应用中取得了阶段性验证。面向未来,“石破天氢”将继续推进多组分检测、智能算法与工业联网能力融合,让高精度光学传感技术更贴近真实涉氢场景,为氢能安全提供更可靠的感知基础。
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