CN103499638B - 具有监测汽车尾气功能的声表面波气体传感器 - Google Patents

具有监测汽车尾气功能的声表面波气体传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种声表面波气体传感器，特别涉及一种具有监测汽车尾气功能的声表面波气体传感器。金属外壳为开口式的三角形，在金属外壳两侧面上端分别水平间隔设有管状体，传感器I和传感器II分别固定在金属外壳两侧面对称的位置，天线I、天线II的水平端分别设置在金属外壳两侧面上端设有的管状体中过度配合，天线I、天线II在金属外壳上可任意调整开合角度，天线I通过导线与传感器I连接，天线II通过导线与传感器II连接。有益效果是：本发明采用了声表面波技术，既有车辆识别功能，又能实时监测车辆尾气排放。具有安装方便、成本低、高灵敏度、体积小、无源无线等优点，适用于恶劣环境下的遥测与传感。

Description

具有监测汽车尾气功能的声表面波气体传感器
技术领域
本发明涉及一种声表面波气体传感器，特别涉及一种具有监测汽车尾气功能的声表面波气体传感器。
背景技术
近年来，随着城市汽车保有量的剧增，尾气排放已成为城市空气的第一大污染源，它也成为增长最快的温室气体排放源。汽车尾气排放中主要含有的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物等有害气体会严重影响人体健康。其中，一氧化碳与人体血液中的血红蛋白结合速度比氧气快250倍，即使仅吸入微量一氧化碳，也可能给人造成缺氧性伤害，轻者眩晕、头疼，重者脑细胞受到永久性损伤。由于汽车尾气多排放在1.5米以下，儿童吸入量一般是成人的两倍左右，对儿童健康损害尤为严重。
      目前，对车辆尾气排放的收集方法，主要包括底盘测功机测试法、室外遥感检测法、车载尾气检测法等，由于前两种都对交通状况和安置地点有苛刻的要求，因此车载尾气检测法的技术优越性使得它能够被广泛应用并有着广阔的市场前景。
发明内容
鉴于上述现有技术现状，本发明提供一种用于汽车尾气检测的声表面波（SAW）气体传感器。
本发明为实现上述目的，所采用的技术方案是：一种具有监测汽车尾气功能的声表面波气体传感器，其特征在于：包括天线I、天线II、金属外壳、传感器I、传感器II，所述金属外壳为开口式的三角形，在金属外壳两侧面上端分别水平间隔设有管状体，所述传感器I和传感器II分别固定在金属外壳两侧面对称的位置，所述天线I、天线II的水平端分别设置在金属外壳两侧面上端设有的管状体中过度配合，天线I、天线II在金属外壳上可任意调整开合角度，天线I通过导线与传感器I连接，天线II通过导线与传感器II连接。
本发明所产生的有益效果是：本发明用于汽车尾气检测系统中，对汽车不同车型、不同时段的尾气排放的污染物进行实时监测，从而判断汽车发动机是否工作正常、排出有害气体是否超出标准，是控制汽车尾气排放污染的有效工具。本发明整个结构设计为书夹式结构，具有安装方便、成本低、高灵敏度、体积小、无源无线等优点，适用于恶劣环境下的遥测与传感。本发明采用了声表面波技术，既有车辆识别功能，又能实时监测车辆尾气排放。本发明通过改变不同的吸气材料，可用于各种气体监测领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的结构分解示意图；
图3是本发明电路板的结构示意图；
图4是本发明塑料外壳的结构示意图；
图5是本发明的传感器芯片内部结构示意图；
图6是图5的仰视图；
图7是本发明SAW标签I的结构示意图；
图8是图7的A-A侧剖图；
图9是本发明SAW标签II的结构示意图；
图10是图8的B-B侧剖图；
图11是传感器I的回波分析图；
图12传感器II的回波分析图；
图13是本发明的应用安装图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1至图10所示，具有监测汽车尾气功能的声表面波气体传感器，包括天线I1、天线II2、金属外壳3、传感器I4、传感器II5，金属外壳3为开口式的三角形（整个结构设计为书夹式），在金属外壳3两侧面上端分别水平间隔设有管状体3-1，传感器I4和传感器II5分别通过螺钉固定在金属外壳3两侧面对称的位置，天线I1、天线II2的水平端分别设置在金属外壳3两侧面上端设有的管状体3-1中过度配合，天线I1、天线II2在金属外壳3上可任意调整开合角度，以使无线传输的信号能量达到最大；天线I1通过导线穿过方孔4-5-11与传感器I4连接，天线II2通过导线穿过方孔4-5-11与传感器II5连接。
传感器I4、传感器II5结构相同，包括螺装在塑料外壳4-5-1内的电路板4-5-2及传感器芯片4-5-3，电路板4-5-2上设有匹配电路4-5-4及焊点4-5-5，传感器芯片4-5-3焊接在电路板4-5-2上，传感器芯片4-5-3依次通过匹配电路4-5-4、焊点4-5-5与天线I1、天线II2进行连接，实现无线传输的功能。
传感器芯片4-5-3采用了贴片式封装形式，位于传感器芯片4-5-3内部的SAW标签I6和SAW标签II7通过导线8与两个传感器芯片4-5-3的引脚4-5-6进行连接，SAW标签结构是传感器芯片4-5-3的关键器件，为了满足实际需求，设计了两个不同功能的SAW标签结构。
传感器I4的传感器芯片4-5-3内部的SAW标签I6由叉指换能器I6-1、反射栅I6-2和压电基底I6-3构成，在压电基底I6-3面的一端水平间隔设有四个反射栅I6-2，在压电基底I6-3面的另一端设有叉指换能器I6-1。通过合理安排反射栅I6-2在压电基底I6-3的排列方式，使其具有身份识别功能。
传感器II4的传感器芯片4-5-3内部的SAW标签II7由叉指换能器II7-1、反射栅II7-2和压电基底II7-3构成，在压电基底II7-3面的一端水平间隔设有四个反射栅II7-2，在压电基底II7-3面的另一端设有叉指换能器II7-1，在叉指换能器II7-1与四个反射栅II7-2之间的电基底II7-3面上（在声表面波的传输路径上）涂有一层SSZ-33材料7-4用于吸收汽车尾气。
通过对比传感器I4和传感器II5的回波信号，可实现对汽车尾气的监测即可检测汽车尾气排放的含量。同时该差分结构可消除其他环境因素（尤其是温度）的影响，可大大提高尾气测量的精度。
叉指换能器I6-1、叉指换能器II7-1、反射栅I6-2、反射栅II7-2结构相同，只是铝条的厚度不同，叉指换能器I6-1、叉指换能器II7-1采用单相单向换能器（SPUDT）共线式结构，具体结构为：一个叉指周期包括一条浮动电极6-7-1和一对相邻且极性不同的短路电极6-7-2，短路电极6-7-2的指宽a为1.44μm，每对短路电极6-7-2间距b为2.16μm，每对短路电极重叠部分即孔径W为185μm，两个相邻且极性相同的短路电极的距离P为14.4μm，浮动电极6-7-1的宽度d为2.88μm，浮动电极6-7-1与短路电极6-7-2间距c为3.24μm，叉指换能器I6-1的铝条厚度h1为0.4μm，叉指换能器II7-1的铝条厚度h2为0.3μm；所述反射栅I6-2、反射栅II7-2均由四个短路反射条I6-7-3组成，每个短路反射条6-7-3的宽度e为1.44μm，每两个短路反射条6-7-3的间距f为1.44μm，反射栅I6-2的反射条6-7-3厚度h1为0.4μm，反射栅II7-2的反射条6-7-3厚度h2为0.3μm。
如图13所示，将声表面波气体传感器通过金属外壳3固定在汽车排气管9的外壁和内壁之间，传感器I4和传感器II5的工作频率分别为433MHz和435MHz，当读写器发射433MHz的查询信号时，传感器I4响应并返回回波信号，通过回波信号对车辆进行身份识别，然后在发射435MHz的脉冲信号，此时传感器II5响应并通过天线将响应信号传回读写器.如图11、如图12所示，由于吸收尾气材料的存在，传感器II5的响应信号会比传感器I4的响应信号有一个延迟时间，而延迟时间与汽车排放的尾气含量成一定的比例关系，因此可以对汽车排放的尾气进行实时监测，另一方面，声表面波在压电基片表面传播时，压电基片表面物理特性的改变都会引起其传播特性的变化，因此温度对声表面波气体传感器的影响是不容忽视的，本结构采用了差分方法，可消除温度等其他环境因素的影响，大大提高尾气测量的精度。此声表面波气体传感器用于汽车尾气检测系统中，对汽车排放的污染物进行实时监测，从而判断汽车发动机是否工作正常、排出有害气体是否超出标准，是控制汽车尾气排放污染的有效工具。

Claims (5)

1.一种具有监测汽车尾气功能的声表面波气体传感器，其特征在于：包括天线I（1）、天线II（2）、金属外壳（3）、没涂SSZ-33材料的传感器I（4）、涂有一层SSZ-33材料（7-4）的传感器II（5），所述金属外壳（3）为开口式的三角形，在金属外壳（3）两侧面上端分别水平间隔设有管状体（3-1），所述传感器I（4）和传感器II（5）分别固定在金属外壳（3）两侧面对称的位置，所述天线I（1）、天线II（2）的水平端分别设置在金属外壳（3）两侧面上端设有的管状体（3-1）中过度配合，天线I（1）、天线II（2）在金属外壳（3）上可任意调整开合角度，天线I（1）通过导线与传感器I（4）连接，天线II（2）通过导线与传感器II（5）连接。
2.根据权利要求1所述的具有监测汽车尾气功能的声表面波气体传感器，其特征在于：所述传感器I（4）、传感器II（5）结构相同，包括固定在塑料外壳（4-5-1）内的电路板（4-5-2），所述电路板（4-5-2）上设有传感器芯片（4-5-3）、匹配电路（4-5-4）及焊点（4-5-5），所述传感器芯片（4-5-3）依次通过匹配电路（4-5-4）、焊点（4-5-5）与天线I（1）、天线II（2）进行连接，实现无线传输的功能。
3.根据权利要求2所述的具有监测汽车尾气功能的声表面波气体传感器，其特征在于：所述的传感器I（4）的传感器芯片（4-5-3）内部的SAW标签I（6）由叉指换能器I（6-1）、反射栅I（6-2）和压电基底I（6-3）构成，在所述压电基底I（6-3）面的一端水平间隔设有四个反射栅I（6-2），在压电基底I（6-3）面的另一端设有叉指换能器I（6-1）。
4.根据权利要求3所述的具有监测汽车尾气功能的声表面波气体传感器，其特征在于：所述传感器II（5）的传感器芯片（4-5-3）内部的SAW标签II（7）由叉指换能器II（7-1）、反射栅II（7-2）和压电基底II（7-3）构成，在所述压电基底II（7-3）面的一端水平间隔设有四个反射栅II（7-2），在压电基底II（7-3）面的另一端设有叉指换能器II（7-1），在叉指换能器II（7-1）与四个反射栅II（7-2）之间的压电基底II（7-3）面上涂有一层SSZ-33材料（7-4）用于吸收汽车尾气。
5.根据权利要求4所述的具有监测汽车尾气功能的声表面波气体传感器，其特征在于：所述叉指换能器I（6-1）、叉指换能器II（7-1）、反射栅I（6-2）、反射栅II（7-2）结构相同，只是铝条的厚度不同，叉指换能器I（6-1）、叉指换能器II（7-1）采用单相单向换能器共线式结构，具体结构为：一个叉指周期包括一条浮动电极（6-7-1）和一对相邻且极性不同的短路电极（6-7-2），短路电极（6-7-2）的指宽a为1.44μm，每对短路电极（6-7-2）间距b为2.16μm，每对短路电极重叠部分即孔径W为185μm，两个相邻且极性相同的短路电极的距离P为14.4μm，浮动电极（6-7-1）的宽度d为2.88μm，浮动电极（6-7-1）与短路电极（6-7-2）间距c为3.24μm，叉指换能器I（6-1）的铝条厚度h1为0.4μm，叉指换能器II（7-1）的铝条厚度h2为0.3μm；所述反射栅I（6-2）、反射栅II（7-2）均由四个短路反射条I（6-7-3）组成，每个短路反射条I（6-7-3）的宽度e为1.44μm，每两个短路反射条I（6-7-3）的间距f为1.44μm，反射栅I（6-2）的短路反射条I（6-7-3）厚度h1为0.4μm，反射栅II（7-2）的短路反射条I（6-7-3）厚度h2为0.3μm。
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