CN108267546A - 一种高灵敏的室内空气监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高灵敏的室内空气监测系统，它包括中央处理器，所述中央处理器的输入端通过串口线电连接数据采集器和本体控制器，数据采集器的输入端电连接转换器，所述转换器的输入端分别电连接一氧化碳传感器、甲醛传感器、二氧化碳传感器、二氧化氮传感器、VOC传感器、温度传感器、湿度传感器和生化传感器的输出端，所述二氧化氮传感器为基于石墨烯的NO2传感器，该该NO2传感器为厚膜型，采用陶瓷基板为衬底，在该陶瓷基板上设有插指电极，插指电极上设有敏感薄膜，所述敏感薄膜为CuO纳米棒和Al/In2O3/RGO复合材料的混合物。

Description

一种高灵敏的室内空气监测系统
技术领域
本发明涉及室内空气监测领域，尤其涉及一种高灵敏的室内空气监测系统。
背景技术
近年，随着经济的发展，很多城市的空气污染都比较严重，人们更多的倾向于在室内活动，通过关闭窗户，阻止室内外空气流通，来隔离污染空气，虽然这种方式能防止外部污染进入室内，但是长时间不开窗换气，容易导致室内氧气减少、二氧化碳增多，此外，家具、墙壁等会释放出甲醛等挥发性有害物质。这时就需要在室内安装新风机，新风机可以对室内空气进行过滤净化，减少有害物质，净化后的内部空气一部分形成内循环，另一部分与经过过滤的外部空气交换，保持室内氧气充足。但是，目前并没有一套完善的室内空气监测系统，室内空气质量好坏全凭个人主观感觉。
所以需要一种高灵敏的的室内空气监测系统，能够敏锐的感知室内空气环境变化。
发明内容
本发明旨在提供一种高灵敏的室内空气监测系统，以解决上述提出问题。
本发明的实施例中提供了一种高灵敏的室内空气监测系统，它包括中央处理器，所述中央处理器的输入端通过串口线电连接数据采集器和本体控制器，数据采集器的输入端电连接转换器，所述转换器的输入端分别电连接一氧化碳传感器、甲醛传感器、二氧化碳传感器、二氧化氮传感器、VOC传感器、温度传感器、湿度传感器和生化传感器的输出端，所述中央处理器的输出端分别通过串口线电连接控制器、报警器和可视终端，所述控制器的输出端电连接校准器，校准器的输出端分别电连接一氧化碳传感器、甲醛传感器、二氧化碳传感器、二氧化氮传感器、VOC传感器、温度传感器、湿度传感器和生化传感器的输入端，所述中央处理器还分别通过串口线电连接存储器、通信装置，所述通信装置连接移动终端和云服务器；所述二氧化氮传感器为基于石墨烯的NO2传感器，该该NO2传感器为厚膜型，采用陶瓷基板为衬底，在该陶瓷基板上设有插指电极，插指电极上设有敏感薄膜，所述敏感薄膜为CuO纳米棒和Al/In2O3/RGO复合材料的混合物。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明的室内空气监测系统采用多个传感器，能够同时检测一氧化碳、甲醛、二氧化碳、二氧化氮、VOC的浓度、温度、湿度、气味分子，监测的空气数据全面；
此外，本发明的室内空气监测系统包括二氧化氮传感器，该二氧化氮传感器的敏感材料采用CuO纳米棒和Al/In2O3/RGO复合材料的混合物，实现了室温下对二氧化氮检测高灵敏的技术效果，结果准确、实用性强。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明电路原理示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本发明的实施例涉及一种高灵敏的室内空气监测系统，结合图1，一种高灵敏的室内空气监测系统，它包括中央处理器，中央处理器的输入端通过串口线电连接数据采集器和本体控制器，数据采集器的输入端电连接转换器，转换器的输入端分别电连接一氧化碳传感器、甲醛传感器、二氧化碳传感器、二氧化氮传感器、VOC传感器、温度传感器、湿度传感器和生化传感器的输出端，中央处理器的输出端分别通过串口线电连接控制器、报警器和可视终端，控制器的输出端电连接校准器，校准器的输出端分别电连接一氧化碳传感器、甲醛传感器、二氧化碳传感器、二氧化氮传感器、VOC传感器、温度传感器、湿度传感器和生化传感器的输入端，中央处理器还分别通过串口线电连接存储器、通信装置，通信装置无线连接移动终端和云服务器。
通信装置与移动终端通过WIFI或GPRS无线连接方式连接。
可视终端包括实时数据显示器、分钟数据显示器和小时数据显示器，移动终端与通信装置之间为双向通讯连接。
中央处理器与存储器、通信装置之间均为双向通讯连接方式。
移动终端包括手机移动终端，移动终端与通信装置双向通讯。
工作原理：一氧化碳传感器、甲醛传感器、二氧化碳传感器、二氧化氮传感器、VOC传感器、温度传感器、湿度传感器和生化传感器将室内空气质量数据通过转换器转成数字信号传输给中央处理器；
其中，生化传感器采用仿生学原理，模拟犬科动物犁鼻器，对获得的气味分子进行分析，通过与现有的气味数据库进行对比，计算得出用户生活习惯相关数据，例如：通过饱和脂肪酸，单不饱和脂肪酸，不饱和脂肪酸，多不饱和脂肪酸，必须脂肪酸比重分析，得到数据与现有数据库对比，可以分析出用户在日常生活中使用食用油的种类，甚至于品牌，通过对焦油含量，尼古丁含量和一些烃类化合物含量的数据分析对比，甚至可以分析出用户是否吸烟以及吸烟的种类以及品牌，当然一些用户的身体健康状况，生活习惯都可以通过空气成分获取，并整合成为有价值的大数据信息；
本体控制器通过人工来输入操作命令给中央处理器，用于设置各种数据的报警阀值，设置校准等；
中央处理器将空气质量数据储存在存储器里面，并读取这些数据呈现在可视终端上，将实时和历史数据分别显示在实时数据显示器、分钟数据显示器和小时数据显示器上，方便查看；
中央处理器将监测的数据与设定的各种数据的报警值对比，出现某一数据超标或过低，将启动警报器报警；
中央处理器通过通信装置与移动终端和云服务器通讯，通信装置包括有线通讯和无线通信两种方式，与移动终端进行双向无线通讯，发送监测数据，接收控制命令，完成监控远程操作；中央处理器将所有收集到的数据，通过通信装置集中同步至云服务器，以便为下一步大数据分析提供数据支持，从而挖掘有价值的分析结果，中央处理器还能够从云服务器下载历史数据；
中央处理器连接的控制器与校准器连接，通过其他方式获取准确数据，通过本体控制器输入准确的校准数据，再通过中央处理器、控制器，控制校准器对各种传感器进行校准操作，从而使得监测的结果更加准确。
它采用多个传感器，能够同时检测一氧化碳、甲醛、二氧化碳、二氧化氮、VOC的浓度、温度、湿度、气味分子，监测的空气数据全面，为计算出用户生活习惯提供数据基础；
通过可视终端精确显示空气质量，多段显示器便于了解不同时刻空气的不同质量情况，从而可以做出相应的对策，通过报警器及时提醒用户注意污染超标；
移动终端便于家庭使用，且能够实现远程控制、监测，能够及时处理室内空气污染的问题；
校准器能够在传感器测量明显不准确时或者定期进行人工校准，从而使结果更准确。
进一步地，所述的二氧化氮传感器为一种基于石墨烯的NO2传感器，该传感器工作温度在室温下，具有良好的灵敏度及较快的响应恢复时间，为NO2传感器的应用提供了更多选择；具体的，该NO2传感器为厚膜型，采用陶瓷基板为衬底，在该陶瓷基板上设有插指电极，插指电极上设有敏感薄膜，所述敏感薄膜为CuO纳米棒和Al/In2O3/RGO复合材料的混合物；该敏感薄膜厚度为0.2mm。
目前，利用传统气敏材料，比如贵金属、金属氧化物、导电聚合物等修饰石墨烯以及由它们组成三元复合物被普遍应用于提高石墨烯基NO2传感器的传感性能，采用上述方法，不仅能够使各成分发挥对气体敏感的优势，而且能够调节石墨烯基材料的物理化学性质从而提高传感性能。石墨烯复合材料已被广泛用于气体传感器的研究，但室温下石墨烯基NO2传感器仍存在选择性差、灵敏度低、响应恢复时间长等问题。基于上述背景，本发明技术方案中，所述的敏感薄膜为CuO纳米棒和Al/In2O3/RGO复合材料的混合物，两者结合使得该敏感薄膜产生了意料不到的技术效果，使得传感器的灵敏性能大幅提高。
具体来说，本发明上述敏感薄膜中，是将Al/In2O3/RGO分散液滴涂到CuO纳米棒表面，从而形成所述的传感器敏感薄膜；该CuO纳米棒构成一级敏感材料，该Al/In2O3/RGO复合材料构成二级敏感材料，RGO呈片层，Al与In2O3为纳米粒子，修饰在片层RGO表面，进而，片层RGO吸附在CuO纳米棒表面，该CuO纳米棒构成了所述Al/In2O3/RGO复合材料的天然分散机构，使得所述Al/In2O3/RGO复合材料与NO2接触面积大大增加，提高了传感器灵敏度；此外，还原氧化石墨烯(RGO)与CuO纳米棒、In2O3、Al结合，通过掺杂石墨烯，调控石墨烯的半导体性能，可以明显改善石墨烯基NO2传感器的敏感特性；上述结合对NO2发挥敏感作用，提高了敏感薄膜中电子的传输速率，产生了意料不到的技术效果。
优选地，上述敏感薄膜中，所述CuO纳米棒和Al/In2O3/RGO复合材料的质量比例为5:1。本发明技术方案中，进一步通过控制质量比及掺杂量，使得该敏感薄膜产生了意料不到的技术效果，使得传感器的灵敏性能大幅提高。
所述CuO纳米棒是通过水热法制备的，该CuO纳米棒的直径为60nm，长度为500nm。
氧化铜是一种p型窄带隙半导体材料，纳米氧化铜材料具有不寻常的光、电、磁和催化等特性，其在催化剂、电池负极材料、光热和光导材料等方面具有应用；本发明技术方案中，通过将氧化铜纳米棒与石墨烯结合，调控石墨烯的半导体性能，产生了意料不到的技术效果，提高了敏感薄膜的传感性能。
所述Al/In2O3/RGO复合材料是通过水热法制备的，该复合材料呈二维片状结构，Al和In2O3均为纳米粒子，均匀的担载在石墨烯表面；所述Al纳米粒子粒径为20nm；所述In2O3纳米粒子粒径为10nm；该复合材料中，Al、In2O3和RGO的质量比例为2:3:2。
所述复合材料中，通过在石墨烯表面掺杂Al和In2O3纳米粒子，提供了更多的活性位点，提高了敏感薄膜的电子传输速率，使得复合材料具有多孔结构，同时，纳米粒子与石墨烯之间形成pn结，从而提高了敏感特性。
本发明所述NO2传感器的制备过程为：
步骤1：首先，配置浓度为1.5mol/L的NaOH溶液40ml，向其中加入0.4mmol的Cu(NO3)2·3H2O粉末，搅拌均匀，使其溶解，然后加入3mmol的十六烷基三甲基溴化铵，在50℃下搅拌60min，溶液由蓝色变为黑色，将所得悬浊液转移至容积为50ml的聚四氟乙烯反应釜中，在150℃下反应24h，自然冷却至室温，离心分离，用去例子水和乙醇洗涤沉淀数次，然后将沉淀在真空干燥箱中干燥12h得CuO纳米棒粉末；
步骤2：
a)GO的制备是通过改进的Hummers方法完成：
b)将1ml的上述GO溶液加入到40ml蒸馏水中，再将InCl3·4H2O加入到GO的分散液中，超声分散30min，而后将溶液转移至50ml的水热反应釜中，密封后放在烘箱中180℃反应12h，将所得产物离心分离，得到In2O3/RGO分散液；再将0.4M的Al(NO3)3溶液和质量分数为1％的醋酸钠溶液加入到上述In2O3/RGO分散液中，将混合溶液加热到100℃反应60min，所得产物经离心分离、洗涤，得到所述Al/In2O3/RGO复合材料分散液；
步骤3：将上述得到的Al/In2O3/RGO复合材料分散液滴涂到CuO纳米棒粉末表面，研磨30min、超声处理15min，使其混合均匀，然后，将混合物进行低温射频氩等离子体处理，等离子发生装置为电感耦合式，工作频率为12.67MHz，功率为350W，气压50Pa，气体流速为18sccm，处理时间为50min；
本发明技术方案中，将Al/In2O3/RGO复合材料分散液滴涂到CuO纳米棒粉末表面，该石墨烯片层能够有效吸附在氧化铜纳米棒表面，进一步增大了比表面积，此外，混合物经过氩等离子体处理，可以有效改善复合材料的表面性质，增加表面活性，对于提高NO2灵敏度、降低最低检测浓度产生了意料不到的技术效果。
步骤4：将等离子体处理后的混合物与适量去例子水混合均匀，在研钵中研磨10min，将所得糊状物涂敷于带有插指电极的陶瓷基底表面，干燥后，得到所述NO2传感器；具体的，所述的插指电极为Pt电极，Pt电极线条宽为0.12mm，指间距为0.15mm，插指电极厚度为0.1～0.2mm。
利用气敏特性测试仪对本发明NO2传感器进行测试：先将一定浓度的目标气体注入到密封测试腔中，待目标气体与腔中的空气混合均匀后，再将NO2传感器放入测试腔中。
本发明中NO2传感器的灵敏度、响应恢复时间等采用本领域常规定义。
首先，对实施例得到的传感器在室温下对5ppm的NO2进行响应测试，
测试结果如下表1：
可以看到，实施例得到的传感器在灵敏度、响应恢复时间均具有明显优势，产生了意料不到的技术效果。然后，将实施例所得传感器对1ppm的NO2进行响应测试，发现灵敏度为13.6，降低了NO2的最低检测浓度。
以上所述仅为本发明的较佳方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高灵敏的室内空气监测系统，其特征在于，它包括中央处理器，所述中央处理器的输入端通过串口线电连接数据采集器和本体控制器，数据采集器的输入端电连接转换器，所述转换器的输入端分别电连接一氧化碳传感器、甲醛传感器、二氧化碳传感器、二氧化氮传感器、VOC传感器、温度传感器、湿度传感器和生化传感器的输出端，所述中央处理器的输出端分别通过串口线电连接控制器、报警器和可视终端，所述控制器的输出端电连接校准器，校准器的输出端分别电连接一氧化碳传感器、甲醛传感器、二氧化碳传感器、二氧化氮传感器、VOC传感器、温度传感器、湿度传感器和生化传感器的输入端，所述中央处理器还分别通过串口线电连接存储器、通信装置，所述通信装置连接移动终端和云服务器；所述二氧化氮传感器为基于石墨烯的NO2传感器，该该NO2传感器为厚膜型，采用陶瓷基板为衬底，在该陶瓷基板上设有插指电极，插指电极上设有敏感薄膜，所述敏感薄膜为CuO纳米棒和Al/In2O3/RGO复合材料的混合物。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏的室内空气监测系统，其特征在于，所述通信装置包括有线通讯和无线通讯两种方式；所述通信装置与移动终端通过WIFI或GPRS无线通讯方式连接，移动终端与通信装置之间为双向通讯连接。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏的室内空气监测系统，其特征在于，所述移动终端包括手机移动终端；所述可视终端包括实时数据显示器、分钟数据显示器和小时数据显示器；所述中央处理器与存储器、中央处理器与通信装置之间均为双向通讯连接方式。
4.根据权利要求1所述的一种高灵敏的室内空气监测系统，其特征在于，二氧化氮传感器，上述敏感薄膜中，是将Al/In2O3/RGO分散液滴涂到CuO纳米棒表面，从而形成所述的传感器敏感薄膜；所述Al/In2O3/RGO复合材料中，RGO呈片层，Al与In2O3为纳米粒子，修饰在片层RGO表面。
5.根据权利要求4所述的一种高灵敏的室内空气监测系统，其特征在于，所述敏感薄膜厚度为0.2mm。
6.根据权利要求4所述的一种高灵敏的室内空气监测系统，其特征在于，所述CuO纳米棒和Al/In2O3/RGO复合材料的质量比例为5:1。
7.根据权利要求4所述的一种高灵敏的室内空气监测系统，其特征在于，所述CuO纳米棒是通过水热法制备的，该CuO纳米棒的直径为60nm，长度为500nm。
8.根据权利要求4所述的一种高灵敏的室内空气监测系统，其特征在于，所述Al/In2O3/RGO复合材料是通过水热法制备的，该复合材料呈二维片状结构，Al和In2O3均为纳米粒子，均匀的担载在石墨烯表面；所述Al纳米粒子粒径为20nm；所述In2O3纳米粒子粒径为10nm；该复合材料中，Al、In2O3和RGO的质量比例为2:3:2。
9.根据权利要求4所述的一种高灵敏的室内空气监测系统，其特征在于，所述二氧化氮传感器传感器的制备过程为：
步骤1：首先，配置浓度为1.5mol/L的NaOH溶液40ml，向其中加入0.4mmol的Cu(NO3)2·3H2O粉末，搅拌均匀，使其溶解，然后加入3mmol的十六烷基三甲基溴化铵，在50℃下搅拌60min，溶液由蓝色变为黑色，将所得悬浊液转移至容积为50ml的聚四氟乙烯反应釜中，在150℃下反应24h，自然冷却至室温，离心分离，用去例子水和乙醇洗涤沉淀数次，然后将沉淀在真空干燥箱中干燥12h得CuO纳米棒粉末；
步骤2：
a)GO的制备是通过改进的Hummers方法完成：
b)将1ml的上述GO溶液加入到40ml蒸馏水中，再将InCl3·4H2O加入到GO的分散液中，超声分散30min，而后将溶液转移至50ml的水热反应釜中，密封后放在烘箱中180℃反应12h，将所得产物离心分离，得到In2O3/RGO分散液；再将0.4M的Al(NO3)3溶液和质量分数为1％的醋酸钠溶液加入到上述In2O3/RGO分散液中，将混合溶液加热到100℃反应60min，所得产物经离心分离、洗涤，得到所述Al/In2O3/RGO复合材料分散液；
步骤3：将上述得到的Al/In2O3/RGO复合材料分散液滴涂到CuO纳米棒粉末表面，研磨30min、超声处理15min，使其混合均匀，然后，将混合物进行低温射频氩等离子体处理，等离子发生装置为电感耦合式，工作频率为12.67MHz，功率为350W，气压50Pa，气体流速为18sccm，处理时间为50min；
步骤4：将等离子体处理后的混合物与适量去例子水混合均匀，在研钵中研磨10min，将所得糊状物涂敷于带有插指电极的陶瓷基底表面，干燥后，得到所述二氧化氮传感器；所述的插指电极为Pt电极，Pt电极线条宽为0.12mm，指间距为0.15mm，插指电极厚度为0.1～0.2mm。
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