CN108709915B - 一种车内有害气体检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种车内有害气体检测装置，其包括壳体上部和壳体下部，所述壳体上部设置微处理器模块及与微处理器模块相连的有害气体检测模块、PM2.5传感器模块、气压传感器模块、报警模块和蓝牙模块，壳体下部设置电源模块，电源模块与微处理器模块相连；所述有害气体检测模块包括乙醇传感器、一氧化碳传感器、苯传感器和二氧化碳传感器，所述微处理器模块通过蓝牙模块与蓝牙移动终端进行无线通信；其中，所述乙醇传感器为旁热式结构，包括敏感材料，其中，所述敏感材料为复合金属氧化物，具体为ZnSnO3纳米球和SnO2纳米粒子的混合物。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种车内有害气体检测装置。
背景技术
目前，我国的大城市已进入汽车增长的高峰时期，家用汽车已经成为人们代步的工具，走入了许多家庭。汽车在给人们出行带来方便的同时，车内环境污染也逐渐成为人们日益关注的重要话题。
汽车制造过程大量使用塑料、橡胶、织物、油漆以及粘合剂等物质，这些物质会大量挥发甲醛、苯等有毒有害气体。在空调开启、车厢密闭状况下，这些有毒有害气体与发动机工作中产生的一氧化碳等对驾驶员的安全驾驶和车内人员的生命安全造成威胁。
发明内容
本发明旨在提供一种车内有害气体检测装置，以解决上述提出问题。
本发明的实施例中提供了一种车内有害气体检测装置，其包括壳体上部和壳体下部，所述壳体上部设置微处理器模块及与微处理器模块相连的有害气体检测模块、PM2.5传感器模块、气压传感器模块、报警模块和蓝牙模块，壳体下部设置电源模块，电源模块与微处理器模块相连；所述有害气体检测模块包括乙醇传感器、一氧化碳传感器、苯传感器和二氧化碳传感器，所述微处理器模块通过蓝牙模块与蓝牙移动终端进行无线通信；其中，所述乙醇传感器为旁热式结构，包括敏感材料，其中，所述敏感材料为复合金属氧化物，具体为ZnSnO3纳米球和SnO2纳米粒子的混合物。
优选地，敏感材料中，所述ZnSnO3纳米球和SnO2纳米粒子的摩尔比为1:4-7。
优选地，所述ZnSnO3纳米球为核壳结构纳米球；其中，核结构为Zn纳米粒子，壳结构为ZnSnO3。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明提出一种车内有害气体检测装置，不仅可以检测车内有害气体的含量，还可用于检测空气中PM2.5的含量。若有害气体含量太高，则报警提示打开车窗通风；若空气中PM2.5含量高，则报警提示关闭车窗。本发明采用气压传感器模块检测车门是否打开，电源模块采用车充电路，该装置的安装方式不会破坏车身；此外，本申请的乙醇传感器模块基于ZnSnO3纳米球和SnO2纳米粒子的混合物，取得了意料不到的对乙醇的低温敏感效果。
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是本发明所述检测装置的结构示意图。
图2是本发明外壳的结构示意图。
图3为本发明所述乙醇传感器模块的结构示意图。
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车内有害气体检测装置，参考图1、图2，该有害气体检测装置包括壳体上部1和壳体下部2，壳体上部1设置微处理器模块101、有害气体检测模块103、PM2.5传感器模块102、气压传感器模块104、报警模块105、蓝牙模块107和显示器模块106，壳体下部2设置电源模块108。
其中有害气体检测模块103、PM2.5传感器模块102、气压传感器模块104、报警模块105、蓝牙模块107、显示器模块106和电源模块108分别与微处理器模块101电性连接。微处理器模块101通过蓝牙模块107与蓝牙移动终端109进行无线通信。
本实施例中，该壳体外形设计为T型，壳体上部1为探测器主体，壳体上部1的顶面设有显示器模块106，用以显示车内各有害气体的含量以及PM2.5的含量。壳体上部1的侧面设有通风口11，空气从通风口11进入。壳体下部2设有电源模块108，该实施例的电源模块108包括车充电路和连接该车充电路的充电电池。该实施例的壳体下部2设计成点烟器插头形式，使用时，直接将该实施例插入到车内的点烟器的电源插座上。
本实施例中，该有害气体检测模块103用于检测车内空气中各种有害气体的含量，该实施例中有害气体检测模块103包括乙醇传感器、一氧化碳传感器、苯传感器模块和二氧化碳传感器。PM2.5传感器模块102用于检测车内PM2.5的含量，气压传感器模块104用于检测车内空气压强。
需要说明的是，本实施例中，该乙醇传感器模块为旁热式结构。
需要说明的是，本实施例的微处理器模块101为单片机控制电路，本领域技术人员可知，微处理器模块101还可采用ARM(Advanced RISC Machines)处理器控制电路也能实现信息处理的功能。
本实施例中，该报警模块105为声光报警装置，在检测到车内空气中有害气体含量超过设定标准值时，进行声光报警。当有害气体含量较高时，报警显示灯光为红色；当PM2.5含量较高时，报警显示灯光为黄色。
本领域技术人员可知，报警模块105还可为灯光报警装置或声音报警装置。此外，该实施例中蓝牙移动终端109为智能手机，还可为平板电脑或者蓝牙遥控器。
使用时，将该检测装置直接安装在车内点烟器的电源插座上，安装简单方便，占用空间很小，也无需额外接线。停车一段时间后，当车主再次打开车内瞬间，车内压力会发生变化；其内置的气压传感器模块104检测车内空气压强，并将检测结果传递给微处理器模块101，微处理器模块101判断车内压强发生变化后，通过蓝牙模块107将有害气体检测模块103和PM2.5传感器模块102的当前检测结果发送到车主的智能手机上。
当车内乙醇、苯、一氧化碳或二氧化碳等有害气体含量过高时，打开车窗通风；当检测到PM2.5含量较高时，则关闭车窗。
本发明内置充电电池，在汽车未启动时，为探测器主体内的各种元器件供电，当汽车启动后，点烟器的电源插座为充电电池充电。由于本发明自带电源，在车未启动时也可检测车内空气质量。本发明的传感器模块将检测结果发送给微处理器模块101，微处理器模块101将检测结果与预先设定值进行比较，超高设定值时控制报警模块105进行报警提示。
一种优选实施方式中，结合图3，该乙醇传感器模块包括陶瓷管衬底22，在陶瓷管衬底22的两边设有一对金电极21，金电极连接有导线25，在陶瓷管衬底22的内部设有加热元件24；在陶瓷管衬底22表面设有敏感材料薄膜23；该金电极21的厚度为2mm，该加热元件24为Pt加热丝；具体而言，该敏感材料为复合金属氧化物，具体为ZnSnO3纳米球和SnO2纳米粒子的混合物。
现有技术中，由于SnO2独特的气敏性质，其对多种气体都有很好的气敏性而成为众多氧化物中最有应用潜力的气敏材料。SnO2是一种金红石结构的宽禁带半导体金属氧化物，其在室温下禁带宽度可达3.65eV，由于典型的n型半导体性质以及电阻率和较高的透光率，其在气体传感器、太阳能电池、透明电极等领域均具有应用前景；ZnSnO3是一种典型的钙钛矿结构的三元金属氧化物，现有技术中，能够发现其对于乙醇具有良好的气敏效。本公开的技术方案中，该敏感材料基于上述两种半导体纳米材料，取得了意料不到的对乙醇的敏感效果。
具体的，上述ZnSnO3纳米球为核壳结构纳米球；其中，核结构为Zn纳米粒子，壳结构为ZnSnO3；不同于直接采用ZnSnO3纳米材料，将其制备成上述核壳结构后，内部的核结构具有良好的导热性，其对于温度的响应会快速传导至外部壳结构，使外部壳结构即使在低温下也能表现出对乙醇气体的灵敏反应，大大降低了敏感材料的工作温度。在另一方面，该SnO2纳米粒子与ZnSnO3纳米球混合，也具有提高敏感材料灵敏度的作用。
优选地，上述敏感材料中，ZnSnO3纳米球和SnO2纳米粒子的摩尔比为1:4-7；
优选地，核壳结构ZnSnO3纳米球中，所述Zn纳米粒子粒径为500-1000nm，所述ZnSnO3壳结构厚度为100nm；
优选地，所述SnO2纳米粒子的粒径为50nm。
本公开技术方案另一方面涉及上述乙醇传感器模块的制备方法：
将Zn纳米粒子在稀盐酸和SnCl4的混合溶液中预处理；
将醋酸锌、SnCl4·5H2O、预处理的Zn纳米粒子和NaOH水溶液混合，在聚四氟乙烯反应釜中水热反应得到核壳结构ZnSnO3纳米球；
将核壳结构ZnSnO3纳米球和SnO2纳米粒子混合得到敏感材料；
将敏感材料分散在乙醇中制成糊状浆料并均匀的涂覆在陶瓷衬底表面，经老化后得到所述乙醇传感器模块。
其中，所述将Zn纳米粒子在稀盐酸和SnCl4的混合溶液中预处理具体为：
首先将Zn纳米粒子超声清洗20min，然后将Zn纳米粒子置于稀盐酸和SnCl4的混合溶液中，搅拌均匀，在70℃保温处理2h；
更具体的，所述混合溶液中HCl浓度为0.4mol/L，SnCl4浓度为0.2mol/L；
其中，所述将醋酸锌、SnCl4·5H2O、预处理的Zn纳米粒子和NaOH水溶液混合，在聚四氟乙烯反应釜中水热反应得到核壳结构ZnSnO3纳米球具体为：
取50ml的NaOH水溶液，加入4.0mol上述预处理的Zn纳米粒子，得溶液A，搅拌均匀，将溶液A转入具有聚四氟乙烯内衬的反应釜内，加热至130℃反应1.5h，冷却后取出溶液A；
然后再在溶液A中加入醋酸锌和SnCl4·5H2O，得溶液B，将溶液B转入具有聚四氟乙烯内衬的反应釜内，加热至170℃反应3.5h，冷却后取出，将沉淀过滤，清洗干净，在60℃干燥3h，得到核壳结构ZnSnO3纳米球；
更具体的，所述NaOH水溶液浓度为0.2mol/L；
所述在溶液A中加入醋酸锌和SnCl4·5H2O具体为在溶液A中加入2.0mol的醋酸锌和6.0mol的SnCl4·5H2O；
其中，所述老化温度为300℃；
实施例1
上述乙醇传感器模块的制备步骤为：
步骤1、预处理Zn纳米粒子
筛选合适粒径的Zn纳米粒子，将Zn纳米粒子进行超声清洗，其中，超声清洗时间为20min；
然后，将Zn纳米粒子置于稀盐酸和SnCl4的混合溶液中，搅拌均匀，在70℃保温处理2h，其中，HCl浓度为0.4mol/L，SnCl4浓度为0.2mol/L；
将Zn纳米粒子过滤取出，清洗干净；
步骤2、制备核壳结构ZnSnO3纳米球
取50ml浓度为0.2mol/L的NaOH水溶液，加入4.0mol上述预处理的Zn纳米粒子，得溶液A，搅拌均匀，将溶液A转入具有聚四氟乙烯内衬的反应釜内，加热至130℃反应1.5h，冷却后取出溶液A；
然后再在溶液A中加入2.0mol的醋酸锌和6.0mol的SnCl4·5H2O，得溶液B，将溶液B转入具有聚四氟乙烯内衬的反应釜内，加热至170℃反应3.5h，冷却后取出，将沉淀过滤，清洗干净，在60℃干燥3h，得到核壳结构ZnSnO3纳米球；
步骤3、制备敏感材料
将上述得到的核壳结构ZnSnO3纳米球和SnO2纳米粒子混合均匀，置于乙醇溶液中，磁力搅拌均匀，然后过滤，干燥后得到敏感材料；
步骤4、制备乙醇传感器模块
将一定量的上述敏感材料分散在乙醇中制成糊状浆料并将其均匀的涂覆在陶瓷衬底表面，涂覆过程中应保证金电极被全部覆盖，然后将一根Pt加热丝插入陶瓷中，300℃老化2天后，制成旁热式乙醇传感器模块。
其中，敏感材料中，ZnSnO3纳米球和SnO2纳米粒子的摩尔比为1:4。
实施例2
上述乙醇传感器模块的制备步骤为：
步骤1、预处理Zn纳米粒子
筛选合适粒径的Zn纳米粒子，将Zn纳米粒子进行超声清洗，其中，超声清洗时间为20min；
然后，将Zn纳米粒子置于稀盐酸和SnCl4的混合溶液中，搅拌均匀，在70℃保温处理2h，其中，HCl浓度为0.4mol/L，SnCl4浓度为0.2mol/L；
将Zn纳米粒子过滤取出，清洗干净；
步骤2、制备核壳结构ZnSnO3纳米球
取50ml浓度为0.2mol/L的NaOH水溶液，加入4.0mol上述预处理的Zn纳米粒子，得溶液A，搅拌均匀，将溶液A转入具有聚四氟乙烯内衬的反应釜内，加热至130℃反应1.5h，冷却后取出；
然后再在溶液A中加入2.0mol的醋酸锌和6.0mol的SnCl4·5H2O，得溶液B，将溶液B转入具有聚四氟乙烯内衬的反应釜内，加热至170℃反应3.5h，冷却后取出，将沉淀过滤，清洗干净，在60℃干燥3h，得到核壳结构ZnSnO3纳米球；
步骤3、制备敏感材料
将上述得到的核壳结构ZnSnO3纳米球和SnO2纳米粒子混合均匀，置于乙醇溶液中，磁力搅拌均匀，然后过滤，干燥后得到敏感材料；
步骤4、制备乙醇传感器模块
将一定量的上述敏感材料分散在乙醇中制成糊状浆料并将其均匀的涂覆在陶瓷衬底表面，涂覆过程中应保证金电极被全部覆盖，然后将一根Pt加热丝插入陶瓷中，300℃老化2天后，制成旁热式乙醇传感器模块。
其中，敏感材料中，ZnSnO3纳米球和SnO2纳米粒子的摩尔比为1:5。
实施例3
上述乙醇传感器模块的制备步骤为：
步骤1、预处理Zn纳米粒子
筛选合适粒径的Zn纳米粒子，将Zn纳米粒子进行超声清洗，其中，超声清洗时间为20min；
然后，将Zn纳米粒子置于稀盐酸和SnCl4的混合溶液中，搅拌均匀，在70℃保温处理2h，其中，HCl浓度为0.4mol/L，SnCl4浓度为0.2mol/L；
将Zn纳米粒子过滤取出，清洗干净；
步骤2、制备核壳结构ZnSnO3纳米球
取50ml浓度为0.2mol/L的NaOH水溶液，加入4.0mol上述预处理的Zn纳米粒子，得溶液A，搅拌均匀，将溶液A转入具有聚四氟乙烯内衬的反应釜内，加热至130℃反应1.5h，冷却后取出；
然后再在溶液A中加入2.0mol的醋酸锌和6.0mol的SnCl4·5H2O，得溶液B，将溶液B转入具有聚四氟乙烯内衬的反应釜内，加热至170℃反应3.5h，冷却后取出，将沉淀过滤，清洗干净，在60℃干燥3h，得到核壳结构ZnSnO3纳米球；
步骤3、制备敏感材料
将上述得到的核壳结构ZnSnO3纳米球和SnO2纳米粒子混合均匀，置于乙醇溶液中，磁力搅拌均匀，然后过滤，干燥后得到敏感材料；
步骤4、制备乙醇传感器模块
将一定量的上述敏感材料分散在乙醇中制成糊状浆料并将其均匀的涂覆在陶瓷衬底表面，涂覆过程中应保证金电极被全部覆盖，然后将一根Pt加热丝插入陶瓷中，300℃老化2天后，制成旁热式乙醇传感器模块。
其中，敏感材料中，ZnSnO3纳米球和SnO2纳米粒子的摩尔比为1:6。
实施例4
上述乙醇传感器模块的制备步骤为：
步骤1、预处理Zn纳米粒子
筛选合适粒径的Zn纳米粒子，将Zn纳米粒子进行超声清洗，其中，超声清洗时间为20min；
然后，将Zn纳米粒子置于稀盐酸和SnCl4的混合溶液中，搅拌均匀，在70℃保温处理2h，其中，HCl浓度为0.4mol/L，SnCl4浓度为0.2mol/L；
将Zn纳米粒子过滤取出，清洗干净；
步骤2、制备核壳结构ZnSnO3纳米球
取50ml浓度为0.2mol/L的NaOH水溶液，加入4.0mol上述预处理的Zn纳米粒子，得溶液A，搅拌均匀，将溶液A转入具有聚四氟乙烯内衬的反应釜内，加热至130℃反应1.5h，冷却后取出；
然后再在溶液A中加入2.0mol的醋酸锌和6.0mol的SnCl4·5H2O，得溶液B，将溶液B转入具有聚四氟乙烯内衬的反应釜内，加热至170℃反应3.5h，冷却后取出，将沉淀过滤，清洗干净，在60℃干燥3h，得到核壳结构ZnSnO3纳米球；
步骤3、制备敏感材料
将上述得到的核壳结构ZnSnO3纳米球和SnO2纳米粒子混合均匀，置于乙醇溶液中，磁力搅拌均匀，然后过滤，干燥后得到敏感材料；
步骤4、制备乙醇传感器模块
将一定量的上述敏感材料分散在乙醇中制成糊状浆料并将其均匀的涂覆在陶瓷衬底表面，涂覆过程中应保证金电极被全部覆盖，然后将一根Pt加热丝插入陶瓷中，300℃老化2天后，制成旁热式乙醇传感器模块。
其中，敏感材料中，ZnSnO3纳米球和SnO2纳米粒子的摩尔比为1:7。
本发明中乙醇传感器模块的灵敏度、响应恢复时间等采用本领域常规定义。利用气敏特性测试仪对本发明乙醇传感器模块进行测试：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，再将乙醇传感器模块放入测试腔中。
首先，表征本发明乙醇传感器模块的最佳工作温度，如下表1，测试了实施例1-4得到的乙醇传感器模块分别在100ppm浓度的乙醇气体下、工作温度范围为50～250℃时的灵敏度，如下：
表1：100ppm浓度乙醇气体中工作温度范围为50～250℃时的灵敏度
| 50℃ | 90℃ | 130℃ | 170℃ | 210℃ | 250℃ | |
| 实施例1 | 53 | 75 | 82 | 51 | 47 | 36 |
| 实施例2 | 46 | 72 | 84 | 63 | 39 | 31 |
| 实施例3 | 41 | 69 | 79 | 66 | 37 | 34 |
| 实施例4 | 44 | 68 | 85 | 61 | 40 | 29 |
可以看到，在工作温度范围为50～250℃时，灵敏度都是随着温度的升高而增加，当超过最佳工作温度后，温度继续升高，灵敏度则下降。
在实施例1-4中，当温度达到130℃时，灵敏度最大；表明，敏感材料对降低工作温度起到积极效果。
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 (4)
1.一种车内有害气体检测装置，其特征在于，其包括壳体上部和壳体下部，所述壳体上部设置微处理器模块及与微处理器模块相连的有害气体检测模块、PM2.5传感器模块、气压传感器模块、报警模块和蓝牙模块，壳体下部设置电源模块，电源模块与微处理器模块相连；所述有害气体检测模块包括乙醇传感器、一氧化碳传感器、苯传感器和二氧化碳传感器，所述微处理器模块通过蓝牙模块与蓝牙移动终端进行无线通信；其中，所述乙醇传感器为旁热式结构，包括敏感材料，其中，所述敏感材料为复合金属氧化物，具体为ZnSnO3纳米球和SnO2纳米粒子的混合物；
所述ZnSnO3纳米球为核壳结构纳米球；其中，核结构为Zn纳米粒子，壳结构为ZnSnO3；核壳结构ZnSnO3纳米球中，所述Zn纳米粒子粒径为500-1000nm，所述ZnSnO3壳结构厚度为100nm；
所述乙醇传感器包括陶瓷管衬底，在陶瓷管衬底的两边设有一对金电极，金电极连接有导线，在陶瓷管衬底的内部设有加热元件；在陶瓷管衬底表面设有敏感材料薄膜；该金电极的厚度为2mm，该加热元件为Pt加热丝；
敏感材料中，所述ZnSnO3纳米球和SnO2纳米粒子的摩尔比为1:4-7；所述SnO2纳米粒子的粒径为50nm；
所述乙醇传感器的制备步骤为：
步骤1、预处理Zn纳米粒子
筛选合适粒径的Zn纳米粒子，将Zn纳米粒子进行超声清洗，其中，超声清洗时间为20min；
然后，将Zn纳米粒子置于稀盐酸和SnCl4的混合溶液中，搅拌均匀，在70℃保温处理2h，其中，HCl浓度为0.4mol/L，SnCl4浓度为0.2mol/L；
将Zn纳米粒子过滤取出，清洗干净；
步骤2、制备核壳结构ZnSnO3纳米球
取50ml浓度为0.2mol/L的NaOH水溶液，加入4.0mol上述预处理的Zn纳米粒子，得溶液A，搅拌均匀，将溶液A转入具有聚四氟乙烯内衬的反应釜内，加热至130℃反应1.5h，冷却后取出溶液A；
然后再在溶液A中加入2.0mol的醋酸锌和6.0mol的SnCl4·5H2O，得溶液B，将溶液B转入具有聚四氟乙烯内衬的反应釜内，加热至170℃反应3.5h，冷却后取出，将沉淀过滤，清洗干净，在60℃干燥3h，得到核壳结构ZnSnO3纳米球；
步骤3、制备敏感材料
将上述得到的核壳结构ZnSnO3纳米球和SnO2纳米粒子混合均匀，置于乙醇溶液中，磁力搅拌均匀，然后过滤，干燥后得到敏感材料；
步骤4、制备乙醇传感器
将一定量的上述敏感材料分散在乙醇中制成糊状浆料并将其均匀的涂覆在陶瓷衬底表面，涂覆过程中应保证金电极被全部覆盖，然后将一根Pt加热丝插入陶瓷中，300℃老化2天后，制成旁热式乙醇传感器。
2.根据权利要求1所述的一种车内有害气体检测装置，其特征在于，所述报警模块为灯光报警装置、声音报警装置或声光报警装置。
3.根据权利要求1所述的一种车内有害气体检测装置，其特征在于，所述电源模块包括车充电路和连接该车充电路的充电电池。
4.根据权利要求1所述的一种车内有害气体检测装置，其特征在于，所述蓝牙移动终端为智能手机、或为平板电脑，或为蓝牙遥控器。
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