CN108226226A - 一种多量程气体传感器阵列及其量程自动切换逻辑 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气体监测技术领域，具体为一种多量程气体传感器阵列及其量程自动切换逻辑。其包括传感器阵列和量程自动控制切换电路；所述传感器阵列由不同量程的气体传感器组成，所述量程自动控制切换电路包括电压比较器、主控制器和存储器；本发明解决了传统单一气体传感器小量程测量较大气体浓度易损坏、寿命降低，而大量程传感器测量微弱气体浓度时灵敏度和精度低的问题。同时本发明将量程自动控制切换电路与传感器阵列集成在一起，通过阵列中不同量程传感器的响应，自动控制切换最合适量程的传感器工作，可靠性高，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种多量程气体传感器阵列及其量程自动切换逻辑，属于气体监测技术领域。
背景技术
气体传感器的敏感层是是由对一种或多种气体敏感的材料构成的，而不同的材料或者不同膜厚的相同材料对气体的敏感程度不同。基于纳米材料的气体传感器是将纳米材料涂覆在集成敏感电极的基底上，一般基底的背面或者周边会加工制作加热电极以提供合适的工作温度。不同的材料对相同气体的响应以及测量的量程是不同的，所以可以根据测量环境中气体的不同选择不同的气敏材料传感器。相同的材料，如果其涂覆在敏感电极上的膜厚不同，其对气体的响应以及其量程也会有较大的差异。一般来说传感器灵敏度越高，量程越小，而量程较大的传感器，其灵敏度也相应较低。但是由于当前气体传感器的选择性还不能做到较高的水平，大多数传感器由于材料的特性，会对一类气体都有响应，同时由于环境中的气体成分比较复杂，人们对环境中的气体浓度的监测，需要覆盖很大的范围，如从ppb量级至几千甚至上万ppm量级，这就要求传感器在测量低浓度气体的时候，灵敏度较高，而测量高浓度气体的时候量程够大，不会损坏。但是由于材料特性及测量精度等因素的限制，很难依靠单一气体传感器完成测量。
发明内容
本发明的目的是解决传统单一气体传感器小量程测量较大气体浓度易损坏、寿命降低，而大量程传感器测量微弱气体浓度时灵敏度和精度低的问题，提出了一种可自动调整的多量程气体传感器阵列及其量程自动切换逻辑。其主要特征是将不同量程的气体传感器阵列集成到一起，同时包括自动控制电路，能实现根据实际监测气体的浓度自适应选择不同量程气体传感器的功能。
本发明的技术方案具体介绍如下。
一种多量程气体传感器阵列，其包括传感器阵列和量程自动控制切换电路；所述传感器阵列由不同量程的气体传感器组成，所述量程自动控制切换电路包括电压比较器、主控制器和存储器；不同量程的气体传感器的输出端分别连接到不同电压比较器，电压比较器中分别设有参考电压，参考电压的大小分别和不同气体浓度的气体传感器输出电压相适应，电压比较器的输出端连接至主控制器，不同量程的气体传感器的工作电源由主控制器控制，主控制器的输出端连接电压比较器，主控制器和存储器相连。
本发明中，所述传感器阵列由电极和电极上的通过淀积获得的不同膜厚的气敏薄膜配合形成，或者由电极和电极上淀积的不同掺杂种类的金属氧化物气敏材料构建而成。淀积的膜厚不同或者材料不同，传感器的响应灵敏度及量程也不同，以此实现多量程的气体传感器阵列。
本发明中，传感器阵列和量程自动控制切换电路通过半导体工艺技术制作加工在同一块基底上，形成系统芯片；或者传感器阵列和量程自动控制切换电路通过片外连接的方式制作在一块印制电路板上；或者采用多芯片封装的形式，将传感器阵列与量程自动控制切换电路封装在一个管壳中。
本发明还提供一种用于多量程气体传感器阵列的量程自动切换逻辑，具体如下：
多量程气体传感器阵列开始工作的时候，传感器阵列中的大量程的气体传感器首先启动，同时对应的电压比较器开始工作，当监测环境中气体的浓度比预设的触发阈值小的时候，比较电路输出反馈信号给主控制器，主控制器将关闭当前大量程传感器的电源，打开较小量程的气体传感器，使其工作，同时将其对应的电压比较器使能，以得到较好的监测灵敏度；
在小量程的气体传感器工作的时候，如果环境中监测的气体浓度上升，小量程的气体传感器输出的表征气体浓度的电压大于其对应电压比较器的参考电压的时候，比较电路输出反馈信号给主控制器，主控制器关闭当前小量程传感器的电源，打开大量程的气体传感器使其工作，同时将其对应的电压比较器使能，以达到正常监测高浓度气体的需求，同时可以保护小量程气体传感器不受损坏，延长其使用寿命。以上，为大量程的气体传感器、小量程的气体传感器的命名，在于两者相对比的概念。
本发明将量程自动控制切换电路与传感器阵列集成在一起，通过阵列中不同量程传感器的响应，配合电压比较电路及控制器，自适应切换最合适量程的传感器进行工作。
本发明的优点是：解决了传统单一气体传感器小量程测量较大气体浓度易损坏、寿命降低，而大量程传感器测量微弱气体浓度时灵敏度和精度低的问题。同时本发明将量程自动控制切换电路与传感器阵列集成在一起，通过阵列中不同量程传感器的响应，自动控制切换最合适量程的传感器工作，可靠性高，成本低，可广泛应用于气体监测领域。
附图说明
图1是本发明多量程气体传感器阵列及其关键控制模块的结构框图。
图2是本发明所述的多量程气体传感器阵列的工作流程图。
图3是实施例中自动切换量程逻辑电路的仿真波形图。
具体实施方式
下面结合发明附图，具体说明本发明的具体实施方案。
实施例1
如图1所示，实施例中，所述气体传感器阵列主要包括通过不同工艺或者不同材料制备的传感器阵列203、电压比较器207、参考电压源202、主控制器205、电源管理204及接口电路208、存储器206等。
传感器阵列中各传感器的输出是电压或者电流形式，电压或者电流的大小与所监测的气体浓度大小相关，阵列中各传感器的输出连接到电压比较器上，电压比较器的参考电压通过预先设计，以满足与不同气体浓度的传感器输出电压进行比较。电压比较器的输出连接至主控制器，各传感器的工作电源受主控制器控制，主控制器通过电压比较器输出，控制相应满足监测条件的传感器工作，切断不满足监测条件的传感器电源，以达到较高的监测灵敏度，同时又能保护传感器，延长其使用寿命。
本发明所述多量程气体传感器阵列的工作流程图2所示。系统开始工作的时候，上电初始化，控制器从存储器中读取关键参数，主要包括各量程传感器的触发阈值，参考电压的产生与选择等。接着控制器使能高量程气体传感器，同时选择其对应的电压比较器的参考电压，当传感器预热结束正常工作的时候，主控制器根据此时比较器的输出控制系统的运行。
高量程传感器工作的时候，主控制器将比较器的参考电压设置为VR1，假设当前环境中，传感器监测的气体浓度为C1，其对应的输出电压VS1，如果VR1> VS1, 说明当前的气体浓度较设计的阈值低（假设传感器的输出电压与气体浓度的关系为正相关），气体浓度小量程的传感器也可以监测，这个时候控制器切断高量程气体传感器的电源，打开低量程的气体传感器电源使其工作，同时控制参考电压产生电路，选择低量程气体传感器使用中的电压比较器的参考电压。如果VR1< VS2，说明当前气体的浓度较大，是在高量程气体传感器的监测范围，此时，控制器不进行任何操作，保持当前的工作状态，存储关键参数。
低量程的气体传感器工作的时候，主控制器将比较器的参考电压设置为VR2，假设当前环境中，传感器监测的气体浓度为C2，其对应的输出电压VS2，如果VR2< VS2说明当前的气体浓度较设计的阈值高（假设传感器的输出电压与气体浓度的关系为正相关），气体浓度小量程的传感器无法监测，已经超出或者接近量程，会对其自身造成损伤，这个时候控制器切断低量程气体传感器的电源，打开高量程的气体传感器电源使其工作，同时控制参考电压产生电路，选择高量程气体传感器使用中的电压比较器的参考电压。如果VR2> VS2，说明当前气体浓度较低，为了保持高的气体监测响应灵敏度，控制器保持当前工作状态，存储关键参数。
图3给出了本发明中自动切换量程逻辑电路的仿真波形图。其中SENSE-EN信号使能传感器，在T1时刻，检测的气体浓度较低，此时逻辑电路控制L-EN信号为高，H-EN信号为低，以打开低量程、高灵敏度传感器使其工作，同时关闭高量程传感器；在T2时刻，检测的气体浓度较高，此时逻辑电路控制L-EN信号为低，H-EN信号为高，以打开高量程传感器使其工作，同时关闭低量程传感器。该自动切换逻辑电路可以根据实际环境中的气体浓度自动选择相应的传感器使其进行工作，可以达到较高的监测灵敏度，同时又能保护传感器，延长其使用寿命。
本实施方式列举了两种量程的切换方式，真实使用中可以集成更多量程的传感器，工作方式均类似，可以通过增加比较器的参考电压，使得控制器根据不同的传感器响应选择最合适量程的传感器进行工作。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种多量程气体传感器阵列，其特征在于，其包括传感器阵列和量程自动控制切换电
路；所述传感器阵列由不同量程的气体传感器组成，所述量程自动控制切换电路包括电压比较器、主控制器和存储器；不同量程的气体传感器的输出端分别连接到不同电压比较器，电压比较器中分别设有参考电压，参考电压的大小分别和不同气体浓度的气体传感器输出电压相适应，电压比较器的输出端连接至主控制器，不同量程的气体传感器的工作电源由主控制器控制，主控制器的输出端连接电压比较器，主控制器和存储器相连。
2.根据权利要求1所述的多量程气体传感器阵列，其特征在于，所述传感器阵列由电极
和电极上的通过淀积获得的不同膜厚的气敏薄膜配合形成，或者由电极和电极上淀积的不同掺杂种类的金属氧化物气敏材料构建而成。
3.根据权利要求1所述的多量程气体传感器阵列，其特征在于，传感器阵列和量程自动
控制切换电路通过半导体工艺技术制作加工在同一块基底上，形成系统芯片；或者传感器阵列和量程自动控制切换电路通过片外连接的方式制作在一块印制电路板上；或者采用多芯片封装的形式，将传感器阵列与量程自动控制切换电路封装在一个管壳中。
4.根据权利要求1所述的多量程气体传感器阵列，其特征在于，存储器中包括不同量程
的气体传感器的触发阈值和参考电压的产生与选择数值。
5.一种用于权利要求1所述的多量程气体传感器阵列的量程自动切换逻辑，其特征在于，具体如下：
多量程气体传感器阵列开始工作的时候，传感器阵列中的大量程的气体传感器首先启动，同时对应的电压比较器开始工作，当监测环境中气体的浓度比预设的触发阈值小的时候，比较电路输出反馈信号给主控制器，主控制器将关闭当前大量程传感器的电源，打开较小量程的气体传感器，使其工作，同时将其对应的电压比较器使能；
在小量程的气体传感器工作的时候，如果环境中监测的气体浓度上升，小量程的气体传感器输出的表征气体浓度的电压大于其对应电压比较器的参考电压的时候，比较电路输出反馈信号给主控制器，主控制器关闭当前小量程传感器的电源，打开大量程的气体传感器使其工作，同时将其对应的电压比较器使能。
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