CN108614029B - 高灵敏度微型光离子化传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度微型光离子化传感器，包括电离室主体和内嵌筒以及电极板，所述的电离室主体为形成有电离腔的块状结构，电离腔的顶部设置有形成进气口的外套盖，侧部形成有排气口，底部形成有入光孔，所述的内嵌筒可匹配地嵌设在所述的电离腔内并与所述的排气口处对应地设置有过孔，所述的电极板被定位在所述的内嵌筒的内腔中。波浪型电极板的设计增加了带电粒子与极板的接触面积，将整个电离部分内置在一个密封的腔内保证了电离室的密封，能够提高电离效率，减小电离产生的本底电流，进而提高光离子化传感器的灵敏度、重复性以及响应时间等性能。

Description

高灵敏度微型光离子化传感器

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种用于挥发性有机物混合气体浓度检测的高灵敏度微型光离子化传感器。

背景技术

传统的气体传感器很难同时检测多种挥发性有机物(Volatile OrganicCompounds，简称VOCs)，同时基于其他原理的很多检测器很难同时做到安全性和便携性，而利用光离子化技术的光离子化检测器(Photo Ionization Detector，简称PID)，则是同时具有检测范围广、检出限低、安全且可以制作成便携式的仪器等优点，因此随着近些年人们对空气质量的密切关注，小型化的PID的研究也越来越受到人们的重视。

PID传感器(光离子化传感器)是人们根据光电离检测法，通常由紫外灯光源和电离室等主要部件构成。光电离检测法，就是利用高能量的紫外光去电离被测的气体组分，然后通过加上偏置电压，测量电离形成的微弱电流。光电离检测法中的光，采用的是具有一定能级的紫外灯光源，将被测气体通过相应的渠道输入到电离室内，在光源的照射下，产生电离分解，分解后产生分别带有正电的离子和带有负电的电子，这两种物质在电离室极板之间电场的作用下，分别向两极运动，产生电流，通过对电流的测算和标定，反应出被测VOCs的浓度。这种检测方法的精度范围很宽，能够检测从ppm水平级到ppb水平级的气体浓度，目前已经广泛的应用到检测VOCs气体的工作中。

现有技术中，待测气体分子在电离室中往往得不到充分的电离，且出于整个传感器体积的考虑，极板面积不会太大，极板电荷的收集效率下降，这些使得整个PID传感器的灵敏度、重复性、抗干扰能力、响应时间等关键性能较差，同时大多出于成本考虑，电极板都选用的不锈钢材料，但是不锈钢的电离能是低于紫外灯的，而人们在设计电离室的时候常常忽略这一点，而导致整个光电离传感器电离时产生不需要的本底电流。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高灵敏度微型光离子化传感器，该高灵敏度微型光离子化传感器能够得到充分电离、电离后的电荷收集效率能够得到较大提高的电离室，提高光电离传感器的灵敏度，同时减小整个传感器的背景信号。。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高灵敏度微型光离子化传感器，包括电离室主体和内嵌筒以及电极板，所述的电离室主体为形成有电离腔的块状结构，电离腔的顶部设置有形成进气口的外套盖，侧部形成有排气口，底部形成有入光孔，所述的内嵌筒可匹配地嵌设在所述的电离腔内并与所述的排气口处对应地设置有过孔，所述的电极板被定位在所述的内嵌筒的内腔中。

在上述技术方案中，所述的电极板为三个，包括两侧的极化板和位于之间的收集板。

在上述技术方案中，所述的内嵌筒的侧壁上形成有定位槽，所述的电极板两端可匹配地卡嵌在所述的定位槽中，所述的电极板的中段呈波浪形以增大接触面积。

在上述技术方案中，所述的电极板还一体形成有用以延伸出电离室主体之外的电极。

在上述技术方案中，在所述的外套盖的内侧固定设置有减速片，所述的减速片上与所述的进气口对应处设置有透气孔。

在上述技术方案中，所述的入光孔的直径为5-8mm，入光孔的深度为1-2mm，所述的内腔的宽度为8-10mm。

在上述技术方案中，所述的内嵌筒的高度为8-12mm，收集板处在两块偏置电极片的中间，到两块偏置电极板间的距离分别为6.5mm和1.5mm。

在上述技术方案中，所述的内嵌筒为圆筒形，其内腔为方形。

在上述技术方案中，还包括与电离室主体固定连接的底座，与所述的底座固定连接的紫外灯驱动电源模块，以及将所述的紫外灯驱动电源模块包容其中且承托所述的电离室主体的固定板。

在上述技术方案中，还包括与排气口固定连接的排气筒。

本发明的优点和有益效果为：

本发明构造了一种用于光离子化传感器的电离室，其包括开设有电离腔的电离室主体，用于施加电场的电极板，用于固定电极板的内嵌筒，气体的入气口与紫外灯光线方向平行，而出气口与紫外光线垂直，电离室采用气体轴向流动式结构，同时在入气口加上减速片，稳定气体流入速度，使得气体能够在紫外光束光程内充分电离，通过将紫外光入射孔与电离腔设计成不同的口径，减小了紫外光与电极板的接触面积减少电极板与紫外光接触的面积，波浪型电极板的设计增加了带电粒子与极板的接触面积，将整个电离部分内置在一个密封的腔内保证了电离室的密封，能够提高电离效率，减小电离产生的本底电流，进而提高光离子化传感器的灵敏度、重复性以及响应时间等性能。该光离子化检测器用于检测密闭舱室、家居安全、大气质量监测、毒品检测、食品安全的挥发性有机物。

附图说明

图1是本发明较佳实施例提供的电离室的立体结构示意图；

图2是图1所示的整个传感器的紫外灯驱动电源模块封装外壳结构图；

图3是图1所示的整个传感器电离腔部分结构图；

图4是图1所示的整个传感器用于固定紫外灯驱动电源和电离腔的底座结构图；

图5是图1所示的光电离传感器中用于底座与电离室主体的固定板的结构图；

图6是图1所示的光电离传感器中用于固定电极板的内嵌筒结构图；

图7是图1所示的光电离传感器中减速片的结构图；

图8是图1所示的光电离传感器中出气筒的结构图；

图9是图1所示的光电离传感器中电极板的结构图；

图10是图1所示的光电离传感器中外套盖的结构图；

图11是图1所示的光电离传感器中盖室垫片和灯室垫片的结构图。

其中：

2驱动电源模块、39灯室垫片、5电离室主体、20内嵌筒、32电极板、25减速片、40盖室垫片、33外套盖、30出气筒、11底座、16固定板。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

本发明的一种高灵敏度微型光离子化传感器，包括电离室主体和内嵌筒以及电极板，所述的电离室主体为形成有电离腔的块状结构，电离腔的顶部设置有形成进气口的外套盖，侧部形成有排气口，底部形成有入光孔8，所述的内嵌筒可匹配地嵌设在所述的电离腔内并与所述的排气口处对应地设置有过孔，所述的电极板被定位在所述的内嵌筒的内腔中。其中，排气口与内嵌筒的出气口同轴心，即处于同一平面，其轴心线平行于电离室底面垂直于侧面且与内嵌筒的轴心线相交，排气口轴心与底面距离为5.5mm，即位于侧面的中部或者中上部，，入光孔与内嵌筒同轴心，直径为6.5mm，内腔为长13mm,宽7mm，完全穿透的长方体腔，内腔的中心在内嵌筒的轴心线上。

本发明构造了一种用于光离子化传感器的电离室，其包括开设有电离腔的电离室主体，用于施加电场的电极板，用于固定电极板的内嵌筒，所述电离室主体采用轴向流动式，气体的入气口与紫外灯光线方向平行，而出气口与紫外光线垂直，电离室采用气体轴向流动式结构，稳定气体流入速度，使得气体能够紫外光束光程内充分电离，同时减少电极板与紫外光接触的面积，增加了带电粒子与极板的接触面积，将整个电离部分内置在一个密封的腔内保证了电离室的密封，能够提高电离效率，减小电离产生的本底电流，进而提高光离子化传感器的灵敏度、重复性以及响应时间等性能。

具体地说，在紫外灯孔3用于放置电离能为10.6eV，灯口口径为6mm的紫外灯，紫外灯窗口正对电离室主体5的入光孔8，所述的入光孔的直径为5-8mm，如6.5mm,孔的深度为1-2mm，如1.5mm。这样不仅可以保证紫外光照射方向尽量保持在一条直线上，同时可以充分利用紫外光的同时，减小了紫外光与电极板32的接触面积，减小了本底电流，从而避免了更多不稳定的背景信号。同时在紫外灯窗口插入电离室主体5的孔8时在灯上套上灯室垫片39。电离室与紫外灯衔接的部分切除了一块用于放置灯室垫片的圆柱槽。所述灯室垫片是用于密封的，灯室垫片放置在电离室主体与驱动电源模块衔接处，灯室垫片材料为抗腐蚀且材质较软的氟胶。

其中，紫外灯光束的光程约为10mm，而在电离室主体5中，其进气的方向与紫外灯照射的方向平行，而出气口6开在侧面，使得出气的方向垂直于进气和紫外灯照射的方向，电离腔的深度即内嵌筒的高度也设计为约10mm，如8-12mm，这样可以使得挥发性有机物在电离室内被充分电离，提高检测的灵敏度。在电离腔的旁边开有一个过孔9，和内嵌筒出气孔22对齐，用于气体流出。为便于气体排出，还包括出气筒，其为一半为螺纹式一半为光滑的空心圆柱体，螺纹部分用于通过过孔旋入电离室中固定。同样，出气筒也由聚四氟乙烯加工而成。螺纹衔接更好的保证了装置的气密性，而多出的半径更大部分可以方便接其他导气管，便于尾气的处理。

具体如图6和图9所示，内嵌筒20放置与电离室主体5的电离腔内，内嵌筒上的极板沟道21、23、24用于固定电极板32。内嵌筒20上的出气孔22与电离腔的过孔9中心对齐，放置好后，透过电离室主体5上的入光孔8看去，入光孔8孔径的减小很明显的减少了紫外光与电极板的接触面积，从而减小了不稳定的本底电流。所述电离室主体(5)的电离腔深度为9mm，腔的口径比较大的是一面是进气口，口径比较小的，也就是孔(8)是紫外光入射口，腔的侧面开有与电离室主体(5)侧面垂直的出气口(9)。

实施例二

所述的内嵌筒的侧壁上形成有定位槽，所述的电极板两端可匹配地卡嵌在所述的定位槽中，所述的电极板的中段呈波浪形以增大接触面积。具体来说，所述内嵌筒为外径与电离腔内径同样大小的圆柱空心体，内部呈方形孔，即，在内嵌筒中切除三条宽度和极板厚度一致的定位槽用于插入电极板，内嵌筒同样由聚四氟乙烯制成。其中，所述的电极板为三个，包括两侧的极化板和位于之间的收集板。所述的电极板还一体形成有用以延伸出电离室主体之外的电极。收集板处在两块偏置电极片的中间，到两块偏置电极板间的距离分别为6.5mm和1.5mm。

作为具体实施例，所述电极板采用不锈钢制成，呈波浪型，且一共三块，其中两块极化极板，一块收集板。每块极板厚1mm，宽7mm,长13mm,波浪突起部分的夹角为120度，每块极板的有一端多出了8mm，宽1mm的针状部分，即电极，引出来用以施加极板电压。电极板32呈波浪型，在保证体积不变的情况下，增加了带电粒子与极板的接触面积，从而提高了增强了电荷的收集效率。根据Boag理论，电荷的收集效率随电极间距的减小而增大，而如果减小极板间的距离，真空紫外光灯发出的紫外光就会得不到充分的利用，所以在本次设计中除了两块偏置电极板，增加了一块收集板放在两块偏置电极板中间，这样的设计不仅减小了两个电极片之间的距离，而且也能够使紫外光得到充分的利用，提高了整个传感器的响应度和灵敏度。三块电极板32均设计有电极引出部分，使得在封装后电信号的输入输出更加方便。

实施例三

同时电离室整体轮廓为长方体，内部为圆腔。在所述的外套盖的内侧固定设置有由聚四氟乙烯加工而成的减速片，所述的减速片上与所述的进气口对应处设置有透气孔。即，电离室的入气口由一块减速片、一块盖室垫片，以及一个外套盖组成，同时减速片、盖室垫片和外套盖都留有三个孔用于引出导线向极板施加电压。外套盖33由环氧板制成，盖室垫片放置在外套盖和减速片之间，其为抗腐蚀且材质较软的氟胶。

为了使被测气体进入电离室的流速比较恒定，从而能够充分地受到紫外光的照射，增大气体分子被电离的几率，在气体的入气口设计了一块直径为18mm，厚1mm的减速片25，在减速片中间有五行五列口径为0.5mm的透气孔29，当然其孔的个数也是可以根据实际情况有所改变。减速片25上还有三个电极针孔26、27、28，用于引出电极。

如图10和11，在减速片25和外套盖33之间增加了一块盖室垫片40，盖室垫片上也有一组用于引出电极的针孔42，与减速片上的三个针孔分别对齐。同样，外套盖33上除了有同样的三个电极针孔35、36、37外，还有另外一组螺孔34，这组螺孔34与电离室主体5上的一组螺孔10对应，用于固定外套盖。外套盖33上的孔38为入气孔。

实施例三

还包括与电离室主体固定连接的底座，与所述的底座固定连接的紫外灯驱动电源模块，以及将所述的紫外灯驱动电源模块包容其中且承托所述的电离室主体的固定板。所述电源模块的底座在其一端切除一部分，刚好可以用螺钉将电离腔与该底座固定在一起，底座另外两个对角开有螺孔，用于将其与紫外灯驱动电源模块固定，底座左右两侧也分别开有两个螺孔，用于固定板与底座的固定，整个底座也是由聚四氟乙烯制成。紫外灯的射频电源驱动模块2，对角螺孔4用于与底座11上的对角螺孔13通过螺钉固定在一起，

在本发明所述的电离室中，所述固定板用于固定底座和电离室主体，同时使紫外灯与电离室主体衔接更加紧密，其材质也为聚四氟乙烯，底座11上除了一组对角螺孔4，还有两组边螺孔12和15，这两组边螺孔分别对应固定板16的两组螺孔18和19，每组螺孔都通过螺钉固定，这样底座11、紫外灯驱动模块2和固定板16就成为了一个整体，然后将这个整体，通过底座11上的一组边螺孔14以及固定板上的一组螺孔17分别与电离室主体5的两组螺孔6和7对应衔接，通过拧紧螺钉使其更加稳定且紧密。

操作流程：

如图1～11所示，电离室主体5里的两块偏置电极片32上两端加上200V左右的高压，形成一个稳定的电场，在紫外灯驱动模块2的作用下，紫外光从紫外灯孔3射出进入电离腔内，气体从外套盖33的入气孔38进入，经过减速片25的透气孔29进入电离腔，在紫外光的照射下发生电离，电离产生的带电粒子在电场的作用下向两边极板移动，在收集板32与接地的极板间产生微弱的电流信号，收集板32的引脚和接地极板的引脚与微弱信号放大模块接在一起，进行放大处理。而电离后的气体通过出气筒30流出电离室，避免二次电离。

单次实验结束之后以较高流速(约300ml/min)的通干净氮气十分钟左右，对紫外灯窗口以及整个电离系统进行清洁。

综上所述，一种微型光离子化传感器，包括真空紫外灯和电离室，所述电离室包括两个平行放置且设计为波浪型的偏置电极，以及可以收集电荷的同时减小电极间距的波浪型收集极板，波浪型极板的设计，在保证不改变原有传感器体积的情况下，增大了极板与带电粒子的接触面积，增加了电极板的收集效率，两个电极采用不锈钢材料制成，嵌在以聚四氟乙烯为材料的电离腔的内嵌筒里，整个电离室设计为轴向流动式，气体方向与紫外灯照射方向平行，且与电场方向几乎垂直，保证气体被充分电离的同时，通过将紫外光入射孔与电离腔设计成不同的口径，减小了紫外光与极板的接触，从而减小了不稳定的背景信号，同时在气体入口处，设计了一块减速片，使被测气体进入电离室的流速比较恒定，从而能够充分地受到紫外光的照射，增大了气体分子被电离的几率。所述紫外灯通过一个底座和一块固定板将紫外灯驱动模块与电离室固定在一起，使之成为一个稳定的整体。该光离子化传感器适合用于装配成便携式的光离子化检测器，用于各个领域的挥发性有机物气体浓度的检测。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高灵敏度微型光离子化传感器，其特征在于：包括电离室主体和内嵌筒以及电极板，所述的电离室主体为形成有电离腔的块状结构，电离腔的顶部设置有形成进气口的外套盖，侧部形成有排气口，底部形成有入光孔，所述的内嵌筒可匹配地嵌设在所述的电离腔内并与所述的排气口处对应地设置有过孔，所述的电极板被定位在所述的内嵌筒的内腔中，所述的内嵌筒的侧壁上形成有定位槽，所述的电极板两端可匹配地卡嵌在所述的定位槽中，所述的电极板的中段呈波浪形以增大接触面积，整个电离室设计为轴向流动式，气体方向与紫外灯照射方向平行，且与电场方向几乎垂直。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度微型光离子化传感器，其特征在于：所述的电极板为三个，包括两侧的极化板和位于之间的收集板。

3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度微型光离子化传感器，其特征在于：所述的电极板还一体形成有用以延伸出电离室主体之外的电极。

4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度微型光离子化传感器，其特征在于：在所述的外套盖的内侧固定设置有减速片，所述的减速片上与所述的进气口对应处设置有透气孔。

5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度微型光离子化传感器，其特征在于：所述的入光孔的直径为5-8mm，入光孔的深度为1-2mm，所述的内腔的宽度为8-10mm。

6.根据权利要求2所述的一种高灵敏度微型光离子化传感器，其特征在于：所述的内嵌筒的高度为8-12mm，收集板处在两块偏置电极片的中间，到两块偏置电极板间的距离分别为6.5mm和1.5mm。

7.根据权利要求1所述的一种高灵敏度微型光离子化传感器，其特征在于：所述的内嵌筒为圆筒形，其内腔为方形。

8.根据权利要求1所述的一种高灵敏度微型光离子化传感器，其特征在于：还包括与电离室主体固定连接的底座，与所述的底座固定连接的紫外灯驱动电源模块，以及将所述的紫外灯驱动电源模块包容其中且承托所述的电离室主体的固定板。

9.根据权利要求1所述的一种高灵敏度微型光离子化传感器，其特征在于：还包括与排气口固定连接的排气筒。