CN101504388A - 微型光离子化传感器 - Google Patents

Abstract

一种微型光离子化传感器，包括紫外光源、电离室和驱动电路，电离室为由接地电极板、收集电极板和偏置电极板相互平行组成的复合电极，各电极板之间以聚四氟乙烯板间隔，并在垂直于电极板方向贯通有若干个进气通道。紫外光源位于电离室接地电极板一侧，对正进气通道。接地电极板与驱动电路的地线连接，收集电极板连接微电流放大器，偏置电极板接入驱动电路中。本发明的微型光离子化传感器可以用于各个领域的有机气体浓度检测。

Description

微型光离子化传感器

技术领域

本发明涉及一种检测易挥发性有机化合物的器件。具体地说，涉及一种基于光离子化原理的微型传感器。

背景技术

光离子化技术就是利用光电离检测器来电离和检测特定的易挥发性有机化合物。光电离检测器可以探测那些气体电离势能在紫外光源辐射能量水平之下的气体，其高能紫外辐射可使空气中大多数有机物和部分无机物电离，但仍保持空气中的基本成分如N₂、O₂、CO₂、H₂O等不被电离(这些物质的电离电位大于lleV)。

微型光离子化传感器由紫外灯光源和电离室等主要部分构成。电离室内的极化电极和收集电极之间形成电场，待测气体在紫外灯的照射下，电离成带正电的离子和带负电的电子，在电场作用下，分别向两极漂移、撞击，引起收集电极的感应电荷量发生变化，从而形成可被检测到的微弱离子电流，经放大输出信号。微型光离子化传感器灵敏度高、无中毒问题、安全可靠，随着科技的发展，已经成为实时检测污染、痕量检测和环境保护等方面的有力工具。

传统的微型光离子化传感器大多采用独立供电的多电源系统供电，系统体积庞大；气路系统比较复杂，电离室体积大，系统功耗较大，不利于系统的微型化，从而限制了微型光离子化传感器的使用范围。

国内外光离子化传感器的厂商情况基本如下：

1)美国Baseline公司推出的小型VOC光离子化传感器，2005年前后进入我国市场；

2)英国离子公司也推出了自己的小型光离子化传感器。

但以上两种传感器均未在我国得到广泛应用。美国Baseline公司推出的传感器响应时间较长，灵敏度低，不能满足现场应急需要；英国离子公司的传感器体积大，功耗高，不利于安装携带。而且两种传感器没有分离系统，只能给出模糊测试结果，其应用具有局限性。

目前国内光离子化传感器的研究有了较大发展，但是针对潜在泄漏事故的防范及处理控制技术研究较少，使用的光离子化传感器还存在着体积大，功耗大，成本高等缺点，缺少一种微型化的、低功耗的气体传感检测设备来满足需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种微型光离子化传感器，以解决目前光离子化传感器体积大、质量大的问题。

本发明提供的微型光离子化传感器包括一个紫外光源、一个电离室和一个驱动电路，一起装入一个设有进气通道的圆柱形外壳中，其中：

所述的电离室为一个由接地电极板、收集电极板和偏置电极板相互平行组成的复合电极，且收集电极板位于接地电极板与偏置电极板之间，各电极板之间以聚四氟乙烯板间隔，并在电离室上垂直于电极板方向贯通有若干个进气通道，接地电极板与驱动电路的地线连接，收集电极板连接微电流放大器，偏置电极板接入驱动电路中；

所述紫外光源位于电离室的接地电极板一侧，对正进气通道，包括有一个无极紫外灯和一对激发电极，激发电极紧挨无极紫外灯的侧壁，通过引线与驱动电路连接；

所述的驱动电路包含一个微型变压器B，微型变压器B的次级线圈L1与无极紫外灯的激发电极连接，次级线圈L1上的另外一个接头通过二极管D1连接偏置电极板。

进一步地，所述的接地电极板、收集电极板和偏置电极板可以直接电镀在聚四氟乙烯板上。

本发明中的激发电极采用铜纸制作，形状为矩形，在激发电极上还可以包裹有绝缘黄金纸，以防止高压电泄漏。

本发明的紫外光源选用功耗低、体积小的真空无极紫外灯，灯的发光窗口直径与电离室直径相同，紧贴电离室，光子能量为10.6eV，大于一般的有机气体电离能，小于氮气、氧气电离能，因此能以大气作为载气，不用对样品进行分离，真正做到了传感器的微型化。

所述的驱动电路包括无极紫外灯驱动电路和偏置驱动电路，分别向紫外光源提供驱动交流高压信号和向偏置电极板提供直流高压偏置信号。驱动电路的输入电压为10V。

本发明的微型光离子化传感器外壳顶部及电离室进气口均为微型孔，从而可减少高速气流对传感器的影响。电离室采用一体化封装技术，无需打开气路的任何部分就能与电气系统分离，易于气路系统整体密封净化处理和老化，气密性好，可减少由于污染引起的仪器输出背景和噪声。

检测样品进入电离室后被真空紫外灯离子化，本发明的微型光离子化传感器设计为将所有样品尽可能处于真空紫外灯有效射程内的结构，整个光窗都被用作有效的离子化区域，有效利用了紫外光源，进一步提高了离子化效率。

传感器外壳采用金属外壳，既提高了传感器的可靠性，同时也提高了传感器的抗干扰能力。

本发明微型光离子化传感器的应用范围非常广泛，可以用于有机气体浓度的检测，也可以用于各类使用、生产、存储、运输各类有机化合物企业的安全卫生检测，同时还可用于环保行业的应急事故、工业卫生咨询、公安检查、防化等各个领域。

附图说明

图1为本发明微型光离子化传感器的内部结构示意图；

图2为本发明微型光离子化传感器的外部结构示意图；

图3为本发明微型光离子化传感器驱动电路部分的电路图。

具体实施方式

微型光离子化传感器的结构如图1所示，包括有一个紫外光源5、一个电离室4和一个驱动电路8。

所述电离室4包含有三个电极板：接地电极板3、收集电极板2和偏置电极板1，电极板选用不锈钢或合金制作，厚度小于0.5mm。三个电极板相互平行地采用直接电镀在聚四氟乙烯板15上的方式嵌入聚四氟乙烯板15内部，从上至下依次为偏置电极板1、收集电极板2和接地电极板3，组成复合电极，且接地电极板3与收集电极板2之间的距离小于3mm。在电离室4上垂直于电极板方向贯通有若干个规则的进气通道6。电离室4采用一体化技术封装制作，三个电极板只保留在进气通道6部分裸露，整个电离室具有良好的气密性。

其中，接地电极板3与驱动电路8的地线连接，收集电极板2连接微电流放大器7的正向输入端，微电流放大器7的反向输入端接地。偏置电极板1接入驱动电路8中。

紫外光源5由一个无极紫外灯9和一对激发电极10组成，位于电离室4的接地电极板1一侧，对正进气通道6，激发电极10采用铜纸做成，紧挨无极紫外灯9的侧壁，并采用绝缘黄金纸包裹，以防止高压电泄漏。紫外光源5的窗口采用氟化镁材料制成。

激发电极10分别通过引线与驱动电路8连接。

驱动电路8的电路如图3所示，包括有无极紫外灯驱动电路和偏置驱动电路，电路的输入电压为10V。该电路主要包含一个微型变压器B，微型变压器B的次级线圈L1与无极紫外灯9的激发电极10连接，次级线圈L1上的另外一个接头通过二极管D1连接偏置电极板1。

该电路中，电容C1和电容C2对10V输入电压进行退耦，电阻R3起着限流的作用，以防止微型变压器B烧毁。微型变压器B的匝数比为1∶40，使10V输入电压放大约40倍。三极管VT1构成反馈电路，保持输出电压稳定。二极管D1和电容C4将该接头处的输出电压整流滤波成直流电压，为偏置电极板1提供偏压，在收集电极板2和偏置电极板1之间形成使离子定向运动的电场。

图2所示为本发明微型光离子化传感器的外部结构示意图。微型光离子化传感器的外壳11采用金属外壳，整体呈圆柱状，提高了传感器的可靠性。其顶端的进气通道16与电离室4的进气通道6相一致，在底端设有三根接线柱12、13和14，分别作为10V外接电压、地线和信号输出的接线柱。

本发明微型光离子化传感器的工作过程是：

经驱动电路8放大的工作电压通过激发电极10加在无极紫外灯9上，该高压交流电电离无极紫外灯9内的稀有气体，辉光放电，发出10.6eV紫外光，电离进气通道6内的待测气体样品，其电离方程为：

M(molecule)+photon＝M⁺+e^-(electron)

偏置电极板1连接驱动电路8，在偏置电极板1与收集电极板2之间的电场作用下，正电荷向收集电极板2运动，在收集电极板2上形成微弱的电流，经微电流放大器7放大后输出。一定浓度的气体对应一定大小的电流，从而可以计算出待测气体样品的浓度。

Claims (6)

1、一种微型光离子化传感器，包括一个紫外光源(5)、一个电离室(4)和一个驱动电路(8)，其特征在于：

所述电离室(4)为一个由接地电极板(3)、收集电极板(2)、偏置电极板(1)相互平行组成的复合电极，且收集电极板(2)位于接地电极板(3)与偏置电极板(1)之间，各电极板之间以聚四氟乙烯板(15)间隔，并在电离室(4)上垂直于电极板方向贯通有若干个进气通道(6)，接地电极板(3)与驱动电路(8)的地线连接，收集电极板(2)连接微电流放大器(7)，偏置电极板(1)接入驱动电路(8)中；

所述紫外光源(5)位于电离室(4)的接地电极板(1)一侧，对正进气通道(6)，包括有一个无极紫外灯(9)和一对激发电极(10)，激发电极(10)紧挨无极紫外灯(9)的侧壁，通过引线与驱动电路(8)连接；

所述的驱动电路(8)包含一个微型变压器B，微型变压器B的次级线圈L1与无极紫外灯(9)的激发电极(10)连接，次级线圈L1上的另外一个接头通过二极管D1连接偏置电极板(1)。

2、根据权利要求1所述的微型光离子化传感器，其特征是所述的接地电极板(3)、收集电极板(2)和偏置电极板(1)直接电镀在聚四氟乙烯板(15)上。

3、根据权利要求1所述的微型光离子化传感器，其特征是所述的激发电极(10)采用铜纸制作，形状为矩形。

4、根据权利要求3所述的微型光离子化传感器，其特征是所述的激发电极(10)采用绝缘黄金纸包裹。

5、根据权利要求1所述的微型光离子化传感器，其特征是所述的驱动电路(8)的输入电压为10V。

6、根据权利要求1所述的微型光离子化传感器，其特征是所述的微型光离子化传感器装入一个圆柱形的外壳(11)中，且在外壳(11)上相应设有进气通道(16)。

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