CN109444225A - 一种抗温度、基线漂移的气体传感器系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抗温度、基线漂移的气体传感器系统及使用方法，包括电源、电路、第一气体传感器和第二气体传感器；所述第一气体传感器和所述第二气体传感器串联设置在所述电路内；所述第一气体传感器和所述第二气体传感器均为电阻式气体传感器且特性一致；所述第一气体传感器放置在开放气体环境中；所述第二气体传感器外设有覆盖封闭所述第二气体传感器的气罩；其有益效果在于：利用分压原理对传感器系统进行补偿，这样的补偿方式操作简单、静态和动态的补偿效果出众，且无需再对传感器进行软件修正，操作方便，降低成本。

Description

一种抗温度、基线漂移的气体传感器系统及使用方法

技术领域

本发明涉及气体传感器领域，特别涉及一种抗温度、基线漂移的气体传感器系统及使用方法。

背景技术

气体传感器是指利用各种化学、物理效应将气体成分、组分按一定规律转换成电信号输出的器件。随着社会的发展和科学技术的进步，气体传感器的开发研究越来越引起人们的重视，各种气体传感器应运而生。常见的气体传感器包括半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器等。现实使用中，气体传感器特性总是会受到环境温度的影响而变化，且存在基线漂移的现象，气体报警器要能够有效实现对环境气氛的监控，必须对气体传感器进行有效的温度、基线漂移的补偿和修正。

传统的补偿方式一般有硬件补偿和软件补偿两种。所谓硬件补偿是指在电路中使用温度传感器作为气体传感器的负载电阻进行补偿，这种补偿方式操作简单，但是普适性差，因为需要温度传感器和气体传感器的温度特征曲线完全一致才可以。且对于一批传感器，传感器间往往存在一定程度的差异性，直接使用温度传感器的补偿效果较差。软件补偿方式通过传感器的温度特性曲线拟合进行算法补偿。这种方式相对较为复杂，且对传感器温度特性曲线的一致性和可重复性要求高。另外，上述的硬件补偿和软件补偿方法均无法对传感器由于老化等原因而出现的基线漂移进行补偿，往往补偿有效期短，在设备运行后期存在补偿失效的问题。

因此需要一种气体传感器能够简单有效地自动对温度、基线漂移进行静态和动态补偿，提高对气体检测地准确性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是硬件补偿和软件补偿方法均无法对气体传感器由于老化等原因而出现的基线漂移进行补偿，往往补偿有效期短，在设备运行后期存在补偿失效的问题。

为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种抗温度、基线漂移的气体传感器系统及使用方法，本发明的技术方案是这样实施的：

一种抗温度、基线漂移的气体传感器系统，包括电源、电路、第一气体传感器和第二气体传感器；所述第一气体传感器和所述第二气体传感器串联设置在所述电路内；所述第一气体传感器和所述第二气体传感器均为电阻式气体传感器且特性一致；所述第一气体传感器放置在开放气体环境中；所述第二气体传感器外设有覆盖封闭所述第二气体传感器的气罩。

优选地，所述第一气体传感器和所述第二气体传感器的种类均包括金属氧化物气体传感器、功能化碳纳米管材料气体传感器、功能化石墨烯气体传感器、本征型导电聚合物气体传感器、填充型导电聚合物气体传感器、酞青类聚合物气体传感器、功能化纳米金气体传感器或其他复合类电阻型气体传感器。

优选地，所述第一气体传感器和所述第二气体传感器为加热型气体传感器或常温型气体传感器。

优选地，所述第一气体传感器上设有包围所述第一气体传感器的保护罩，所述保护罩上设有若干通气孔。

一种抗温度、基线漂移的气体传感器系统的使用方法，应用于上述任意所述的一种抗温度、基线漂移的气体传感器系统，包括以下步骤：

S1：将第一气体传感器和第二气体传感器放置在待测气体氛围中；

S2：打开电源，使第一气体传感器和第二气体传感器工作；

S3：在电路中连接电压测量装置一，测量第一气体传感器和第二气体传感器两端的总电压V1；

S4：在电路中连接电压测量装置二，测量第二气体传感器两端的分电压V2，获得温度、基线漂移修正后的传感器系统输出信号。

优选地，所述V1的电压范围为0.1V-10V。

优选地，所述V2的电压范围为0V-10V。

实施本发明的有益效果是：

1、通过两个特性一致的电阻式气体传感器，利用分压原理对第一传感器进行补偿，这样的补偿方式操作简单、静态和动态的补偿效果出众，且无需再对传感器进行软件修正，减少设备运行后存在失效产生的安全隐患；

2、该系统方便操作，十分适合批量化的传感器温度、基线漂移补偿和修正；

3、该传感器系统适用范围较广，可以根据实际使用环境选择合适的第一气体传感器和第二气体传感器类型，使用方便，且成本较低；

4、该传感器系统内第一传感器和第二传感器可方便更换，进而保持系统运行的稳定性和安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1和实施例2的结构示意图；

图2为实施例1中用于体现气罩的结构示意图；；

图3为实施实例1中传感器系统在在洁净空气中的温度变化曲线图；

图4为实施实例1传感器系统在洁净空气中第一传感器的电阻变化曲线图

图5为实施实例1传感器系统在洁净空气中第二传感器的电阻变化曲线图；

图6为实施实例1传感器系统在洁净空气中第二传感器两端电压V2的变化曲线图；

图7为实施实例2传感器系统在甲苯蒸汽中的温度变化曲线图；

图8为实施实例2传感器系统在甲苯蒸汽中第一传感器电阻的变化曲线图

图9为实施实例2传感器系统在甲苯蒸汽中第二传感器电阻的变化曲线图；

图10为实施实例2传感器系统在甲苯蒸汽中第二传感器两端电压V2的变化曲线图。

在上述附图中，各图号标记分别表示：

1-第一传感器，2-第二传感器；3-气罩；4-保护罩；5-通气孔；6-电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：在一个具体地实施方式中，一种抗温度、基线漂移的气体传感器系统，如图1和图2所示，包括电源(图中未示出)、电路6、第一气体传感器1和第二气体传感器2；现有技术中的电源均适用，第一气体传感器1和第二气体传感器2串联设置在电路6内；第一气体传感器1和第二气体传感器2均为电阻式气体传感器且特性一致；第一气体传感器1放置在开放气体环境中；第二气体传感器2外设有覆盖封闭第二气体传感器2的气罩3。

在上述实施方式中，将两个特性一致的电阻式气体传感器，即第一气体传感器1和第二气体传感器2进行串联，施加总电压，其中第二气体传感器2通过一个气罩3密封起来，气罩3为微型，材质和大小均可根据第二气体传感器2的大小设置，使第二气体传感器2与外界气体进行分隔，由于第一气体传感器1和第二气体传感器2特性一致，作为温度传感器和基线漂移传感器，利用分压原理对第一气体传感器1进行补偿。

分压原理是指第一气体传感器1和第二气体传感器2串联分压，根据第一气体传感器1和第二气体传感器2内电阻的比值，当传感器系统未处于待测气体氛围中时，只有温度变化，则V(第一气体传感器)/V(第二气体传感器)始终为1，当传感器系统处于待测气体氛围中时，V(第一气体传感器)/V(第二气体传感器)不为1，这样就可以简单高效地对第一气体传感器进行温度补偿，这样的补偿方式操作简单、成本低廉、静态和动态的补偿效果出众，且无需再对第一传感器进行软件修正。

第一气体传感器1和第二气体传感器均2为电阻式气体传感器且特性一致，一方面可以满足分压需求，以便配合实现第二气体传感器2对第一气体传感器1的温度基线补偿，另一方面减少由于第一传感器1和第二传感器2特性不一致导致在温度变化过程中产生不一致的电压变化，进而提高补偿效果，提高传感器系统在气体氛围下对气体组分监测的灵敏度。

在一个优选的实施方式中，第第一气体传感器和所述第二气体传感器的种类均包括金属氧化物气体传感器、功能化碳纳米管材料气体传感器、功能化石墨烯气体传感器、本征型导电聚合物气体传感器、填充型导电聚合物气体传感器、酞青类聚合物气体传感器、功能化纳米金气体传感器或其他复合类电阻型气体传感器，其他复合类电阻型气体传感器基于上述原理的均可适用，现有技术中的上述种类气体传感器均适用，可以根据实际使用环境确定合适种类的传感器。

在一个优选的实施方式中，第一气体传感器1和第二气体传感器2为加热型气体传感器或常温型气体传感器，现有技术中的加热型气体传感器或常温型气体传感器均可，在此不一一阐述，可以提高该系统的适用范围，实用方便。

在一个优选的实施方式中，第一气体传感器1上设有包围第一气体传感器1的保护罩4，保护罩4上设有若干通气孔5，保护罩4用于保护第一传感器1，减少第一气体传感器1直接暴露在外界环境中，延长第一气体传感器1的使用寿命，保护罩4上设置通气孔5是为了使第一气体传感器1能够暴露在待测气体中，实现对待测气体的组分检测。

保护罩4和气罩3可以采用相同的材质，也可以采用不同的材质，在本具体实施方式中，采用铝制，其他材料可以实现密封和保护的也可，保护罩4和气罩3之间可以相互连接成一个整体，方便使用，也可以保持两个相对独立，可依据实际使用设置。

实施例2：在一个具体地实施方式中，一种抗温度、基线漂移的气体传感器系统的使用方法，应用于上述任意所述的一种抗温度、基线漂移的气体传感器系统，包括以下步骤：

S1：将第一气体传感器1和第二气体传感器2放置在待测气体氛围中；

S2：打开电源，使第一气体传感器1和第二气体传感器2工作；

S3：在电路6中连接电压测量装置一，测量第一气体传感器和第二气体传感器两端的总电压V1；

S4：在电路6中连接电压测量装置二，测量第二气体传感器两端的分电压V2，获得温度、基线漂移修正后的传感器系统输出信号。

在上述实施方式中，V 1的变化是暴露在待测气体中的传感器系统整体由于温度变化产生的电压变化，V2的变化是温度、基线漂移修正后的传感器系统的电压变化，第一传感器1和第二传感器2的特性一致，进而通过电压变化绘制出图谱，可对应待测气体中相应组分。

在一个优选的实施方式中，V1的电压范围为0.1V-10V；

在一个优选的实施方式中，V2的电压范围为0V-10V；

限制V1和V2的电压范围一方面可以保护电路使用过程中的安全性，另一方面还可以维持电路6使用的稳定性，延长第一气体传感器1和第二气体传感器2的使用寿命，减少由于电压过大产生的损坏及安全隐患。

电压测量装置一和电压测量装置二均为电压表，电压测量装置一和电压测量装置二可以是现有技术中任意可以实现电压测量的设备，满足使用需求及环境适用即可，电压表为最常见的电压测量设备，方便获取且使用简便。

为了使本发明技术简单易懂，下面提供两个所述一种抗温度、基线漂移的气体传感器系统的具体实施实例验证实施例1和实施例2所述产生的有益效果：

实施实例1：本发明将两个特性一致的电阻式传感器组装在一起，使用整体的盖子进行封装，左侧为敞口的第一气体传感器1，右侧为密封的第二气体传感2器,用来对第一气体传感器1进行温度和基线漂移补偿，传感器系统整体体积小巧，结构简单，利于大规模生产和应用，温度变化如图3所示。

由图4可见，如采用和第一气体传感器1设置一样，即直接暴露在待测气体中的固定电阻作为负载电阻，第一气体传感器1的电阻在洁净空气中、温度变化的条件下呈现出比较大的变化，且存在基线漂移，对气体组分测试将造成干扰；如图5所示，如采用和第二气体传感器2设置一样，即采用封闭的气罩3的固定电阻作为负载电阻，密封环境中的第二气体传感器2呈现出和第一气体传感器1一样的随温度变化而导致的负载电压变化和基线漂移。

实验验证结论：使用本发明的补偿方法后，可以实时、精确地对第一传感器进行温度、基线漂移补偿，最后输出的V2如图6所示，在洁净空气中负载电压变化明显小于图4中的负载电压变化，显示出优异的补偿效果。

实施实例2：图7、图8、图9和图10是本发明在甲苯蒸汽下的补偿曲线图，温度变化过程如图7所示。

由图8可见，如采用和第一气体传感器1设置一样的固定电阻作为负载电阻，第一气体传感器1在温度、气体组分均发生变化时，其电阻发生了显著变化，如没有温度补偿和基线漂移补偿，将无法分辨气体影响程度；

如图9所示为第二气体传感器2的电阻变化，其记录了温度变化、基线漂移变化；

实验验证结论：如图10所示，第二传感器2两端的电压V2能够有效扣除第一气体传感器1本身温度影响和基线漂移影响，从而高效、准确地分辨出气体组分100ppm、300ppm、500ppm甲苯组分。

上述列举的各种实施例，在不矛盾的前提下，可以相互组合实施，本领域技术人员可结合附图和上文对实施例的解释，作为对不同实施例中的技术特征进行组合的依据。

需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (7)

1.一种抗温度、基线漂移的气体传感器系统，其特征在于：

包括电源、电路、第一气体传感器和第二气体传感器；

所述第一气体传感器和所述第二气体传感器串联设置在所述电路内；

所述第一气体传感器和所述第二气体传感器均为电阻式气体传感器且特性一致；

所述第一气体传感器放置在开放气体环境中；

所述第二气体传感器外设有覆盖封闭所述第二气体传感器的气罩。

2.根据权利要求1所述的一种抗温度、基线漂移的气体传感器系统，其特征在于：

所述第一气体传感器和所述第二气体传感器的种类均包括金属氧化物气体传感器、功能化碳纳米管材料气体传感器、功能化石墨烯气体传感器、本征型导电聚合物气体传感器、填充型导电聚合物气体传感器、酞青类聚合物气体传感器、功能化纳米金气体传感器或其他复合类电阻型气体传感器。

3.根据权利要求1所述的一种抗温度、基线漂移的气体传感器系统，其特征在于：

所述第一气体传感器和所述第二气体传感器为加热型气体传感器或常温型气体传感器。

4.根据权利要求1所述的一种抗温度、基线漂移的气体传感器系统，其特征在于：

所述第一气体传感器上设有包围所述第一气体传感器的保护罩，所述保护罩上设有若干通气孔。

5.一种抗温度、基线漂移的气体传感器系统的使用方法，其特征在于：

应用于上述权利要求1～4任意所述的一种抗温度、基线漂移的气体传感器系统，包括以下步骤：

S1：将第一气体传感器和第二气体传感器放置在待测气体氛围中；

S2：打开电源，使第一气体传感器和第二气体传感器工作；

S3：在电路中连接电压测量装置一，测量第一气体传感器和第二气体传感器两端的总电压V1；

S4：在电路中连接电压测量装置二，测量第二气体传感器两端的分电压V2，获得温度、基线漂移修正后的传感器系统输出信号。

6.根据权利要求5所述的一种抗温度、基线漂移的气体传感器系统的使用方法，其特征在于：

所述V1的电压范围为0.1V-10V。

7.根据权利要求5所述的一种抗温度、基线漂移的气体传感器系统的使用方法，其特征在于：

所述V2的电压范围为0V-10V。