CN103091396A - 柴油蒸汽传感器 - Google Patents

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吕晓洲
卢文科
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Abstract

本发明公开了一种柴油蒸汽传感器，主要解决现有传感器测量精度低、抗干扰能力弱、易中毒和寿命短的问题。其包括声表面波感应器件(1)、声表面波参考器件(2)、感应器件放大器(3)、参考器件放大器(4)、混频器(5)、低通滤波器(6)和运算单元(7)。声表面波感应器件(1)输出柴油蒸汽浓度的测量频率信号，并通过感应器件放大器(3)放大后输入给混频器(5)；声表面波参考器件(2)输出参考频率信号，并通过参考器件放大器(4)输入给混频器(5)，混频器(5)对测量频率信号和参考频率信号混频后，输出差频信号给低通滤波器(6)整形滤波后，经运算单元(7)输出柴油蒸汽浓度值。本发明具有测量精度高、抗干扰能力强的优，可用于对船舶机舱和柴油运输环境的柴油蒸汽浓度实时测量。

Description

柴油蒸汽传感器
技术领域
本发明属于电子器件技术领域，特别涉及一种柴油蒸汽传感器，可用于测量船舶机舱和柴油运输等环境下的柴油蒸汽浓度。
背景技术
船舶机舱原动机多以柴油机为主，柴油机曲柄箱和加油口密封不严的部分以及船舶机舱中管接头、法兰盘之间由于螺丝松动会引起柴油渗漏，同时，一些输油管道由于长时间腐蚀、使用时间久等会有细微的缝隙，亦会引起柴油的渗漏。这些渗漏的柴油不断挥发，在特定的条件下，比如机舱温度过高，挥发的蒸汽不断累积，如不及时采取措施，会达到爆炸下限而存在安全隐患。另外，一些工作人员违反规定，将汽油、酒精等可燃易爆品带入机舱，同样会引发安全隐患。为此，需要在船舶机舱中布置柴油蒸汽传感器，以便对此安全隐患进行检测和报警。
目前市场上尚无专门检测柴油蒸汽浓度的传感器，为此，吕晓洲、卢文科等人基于黑白元件研发了催化燃烧式柴油蒸汽传感器（见Xiaozhou Lü,Wenke Lu,Building output-input function of catalytic combustion sensor to dieselvapor,Measurement,43(4):596-602,2010.），该传感器基于黑白元件和惠斯通电桥，能够实时测量柴油蒸汽浓度。但在使用过程中，该传感器具有如下缺点：
（1）精度低：传感器基于黑白元件和惠斯通电桥，输出的电压信号经过后期转换电路转换成电流信号，测量精度低、误差大；
（2）抗干扰能力差：传感器的电流信号极易收到外界温度、辐射、噪音和电磁等干扰信号的影响；
（3）易中毒：传感器在连续使用较长时间后，极易发生中毒，从而失去测量柴油蒸汽浓度的功能；
（4）寿命短：传感器使用寿命只有2年，需要重新更换，增加了成本。
发明内容
本发明的目的在于针对上述传感器的不足，提供一种测量精度高、抗干扰能力强、使用寿命长的柴油蒸汽传感器，以实现对柴油蒸汽浓度的实时准确测量。
本发明是这样实现的：
一、技术原理
本发明提供的一种柴油蒸汽传感器，其基本工作原理是在压电基片上制作输入和输出叉指换能器，在两个换能器之间涂有气体敏感膜，当传感器暴露于柴油蒸汽中时，气体敏感膜吸收柴油蒸汽并发生反应，使得声表面波的传播相位和路径发生改变，从而引起输出频率发生改变来测量柴油蒸汽浓度。同时制作一块结构完全相同的未涂有气体敏感膜的声表面波器件，利用两个器件输出的差频，以达到消除环境温度变化带来的影响。
二、技术方案
本发明公开的柴油蒸汽传感器，包括声表面波参考器件、感应器件放大器、参考器件放大器、混频器、低通滤波器和运算单元，其特征在于：
声表面波参考器件与参考器件放大器的输入端相连；声表面波参考器件的一侧放置有声表面波感应器件，用于检测柴油蒸汽浓度，该声表面波感应器件，由感应器件基片、感应器件输入叉指换能器、感应器件输出叉指换能器和气体敏感薄膜组成，感应器件输入叉指换能器和感应器件输出叉指换能器位于感应器件基片上，气体敏感薄膜位于感应器件输入叉指换能器和感应器件输出叉指换能器之间，感应器件输入叉指换能器和感应器件输出叉指换能器分别与测量器件放大器的输入端相连；
参考器件放大器输出的参考频率信号和感应器件放大器输出的测量频率信号通过混频器混频后输出差频信号，该差频信号通过低通滤波器过滤干扰信号后，经过运算单元输出待测柴油蒸汽浓度值。
作为优选，所述的柴油蒸汽传感器，其特征在于所述的声表面波参考器件，由参考器件基片、参考器件输入叉指换能器和参考器件输出叉指换能器组成，参考器件输入叉指换能器和参考器件输出叉指换能器位于参考器件基片上，参考器件输入叉指换能器和参考器件输出叉指换能器分别与参考器件放大器的输入端相连；
作为优选，所述的柴油蒸汽传感器，其特征在于声表面波感应器件的感应器件基片和声表面波参考器件的参考器件基片均采用压电材料制作而成；
作为优选，所述的柴油蒸汽传感器，其特征在于感应器件基片、感应器件输入叉指换能器、感应器件输出叉指换能器与声表面波参考器件的参考器件基片、参考器件输入叉指换能器、参考器件输出叉指换能器的尺寸和结构完全相同。
作为优选，所述的柴油蒸汽传感器，其特征在于运算单元采用单片机制成。
本发明具有如下优点：
1.本发明由于采用了声表面波器件，减小了传感器的体积、降低了功耗、增强了结构和质量的稳定性、提高了传感器的重复性和可靠性，便于大规模生产，提高了响应速度，使得传感器具有实时测量的能力；
2.由于采用的声表面波器件输出量为频率量，不易受到外界电磁辐射、噪音等干扰信号的影响，使得传感器具有较强的抗干扰能力；
3.本发明由于选用了选择性气体敏感薄膜，提高了灵敏度和测量精度；
4.本发明由于采用了与感应器件结构和尺寸完全相同的参考器件，使得传感器对于温度变化的敏感得到了完全补偿。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的声表面波感应器件结构示意图。
具体实施例
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容以后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求数所限定的范围。
参照图1，本发明所述的柴油蒸汽传感器，包括声表面波感应器件1、声表面波参考器件2、感应器件放大器3、参考器件放大器4、混频器5、低通滤波器6和运算单元7，其中：
声表面波感应器件1，由感应器件基片11、感应器件输入叉指换能器12、感应器件输出叉指换能器13和气体敏感薄膜14组成，如图2所示。感应器件基片11采用压电材料制成，但不局限于该材料。在感应器件基片11上制作感应器件输入叉指换能器12和感应器件输出叉指换能器13，用于激励和接收声表面波信号。在感应器件输入叉指换能器12和感应器件输出叉指换能器13之间制作气体敏感薄膜14，用于选择性吸收柴油蒸汽并发生反应，该气体敏感薄膜采用Al2O3材料制成，但不局限于该材料。将感应器件输入叉指换能器12和感应器件输出叉指换能器13分别与测量器件放大器3的输入端相连；感应器件放大器3的输出端与混频器5输入端相连。当声表面波感应器件1置于含有柴油蒸汽的环境中时，气体敏感薄膜14选择吸收柴油蒸汽并发生反应，引起感应器件输入叉指换能器12和感应器件输出叉指换能器13之间激励的声表面波的传播路径和相位发生变化，使声表面波感应器件1的输出频率发生变化，即为柴油蒸汽浓度的测量频率信号，该测量频率信号经过感应器件放大器3放大后输入到混频器5。
声表面波参考器件2，放置在声表面波感应器件1的一侧，以实现对传感器进行温度补偿，为了保证两个器件感受相同的温度变化，两者之间的距离不小于1cm。该声表面波参考器件2由参考器件基片21、参考器件输入叉指换能器22和参考器件输出叉指换能器23组成。参考器件基片21由压电材料制成，但不局限于该材料。在参考器件基片21上制作参考器件输入叉指换能器22和参考器件输出叉指换能器23，用于激励和接收声表面波。参考器件输入叉指换能器22和参考器件输出叉指换能器23分别与参考器件放大器4的输入端相连，用于对声表面波参考器件2输出的参考频率信号进行放大，该参考频率信号经过感应器件放大器4放大后，输入到混频器5。
混频器5将感应器件放大器3输出的感应频率信号和参考器件放大器4输出的参考频率信号混频后，输出差频信号，该差频信号输入到低通滤波器6进行过滤整形，过滤整形后的差频信号输入到运算单元8，该运算单元采用单片机制成，但不局限于单片机，运算单元8中存储有差频信号f与柴油蒸汽浓度C的函数关系，如公式（1）所示：
C＝af+b                （1）
其中，a为传感器的灵敏度，b为传感器的初始值，当传感器制作完成后，a和b可根据实验确定为常数。
运算单元8对输入的差频信号f根据公式（1）运算后，输出待测柴油蒸汽浓度C，以达到实时测量柴油蒸汽浓度的目的。
所述声表面波参考器件2的参考器件基片21、参考器件输入叉指换能器22和参考器件输出叉指换能器23的结构和尺寸分别与所述声表面波感应器件1的感应器件基片21、感应器件输入叉指换能器22和感应器件输出叉指换能器23完全相同，以保证声表面波参考器件2对温度的完全补偿。

Claims (5)

1.一种柴油蒸汽传感器，包括声表面波参考器件（2）、感应器件放大器（3）、参考器件放大器（4）、混频器（5）、低通滤波器（6）和运算单元（7），其特征在于： 
声表面波参考器件（2）与参考器件放大器（4）的输入端相连；声表面波参考器件（2）的一侧放置有声表面波感应器件（1），用于检测柴油蒸汽浓度，该声表面波感应器件（1），由感应器件基片（11）、感应器件输入叉指换能器（12）、感应器件输出叉指换能器（13）和气体敏感薄膜（14）组成，感应器件输入叉指换能器（12）和感应器件输出叉指换能器（13）位于感应器件基片（11）上，气体敏感薄膜（14）位于感应器件输入叉指换能器（12）和感应器件输出叉指换能器（13）之间，感应器件输入叉指换能器（12）和感应器件输出叉指换能器（13）分别与测量器件放大器（3）的输入端相连； 
参考器件放大器（4）输出的柴油蒸汽浓度参考频率信号和感应器件放大器（3）输出的柴油蒸汽浓度测量频率信号通过混频器（5）混频后输出差频信号，该差频信号通过低通滤波器（6）过滤干扰信号后，经过运算单元（7）输出待测柴油蒸汽浓度值。 
2.根据权利要求1所述的一种柴油蒸汽传感器，其特征在于所述的声表面波参考器件（2），由参考器件基片（21）、参考器件输入叉指换能器（22）和参考器件输出叉指换能器（23）组成，参考器件输入叉指换能器（22）和参考器件输出叉指换能器（23）位于参考器件基片（21）上，参考器件输入叉指换能器（22）和参考器件输出叉指换能器（23）分别与参考器件放大器（4）的输入端相连。 
3.根据权利要求1所述的柴油蒸汽传感器，其特征在于声表面波感应器件（1）的感应器件基片（11）和声表面波参考器件（2）的参考器件基片（21）均采用压电材料制作而成。 
4.根据权利要求1所述的柴油蒸汽传感器，其特征在于感应器件基片（11）、感应器件输入叉指换能器（12）、感应器件输出叉指换能器（13）与声表面波参考器件（2）的参考器件基片（21）、参考器件输入叉指换能器（22）、参考器件输出叉指换能器（23）的尺寸和结构完全相同。 
5.根据权利要求1所述的柴油蒸汽传感器，其特征在于运算单元（7）采用单片机制成。 
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