CN110006952A - 气体检测传感器装置 - Google Patents

Abstract

一种气体检测传感器装置，包括：内阻根据气体浓度变化的至少一个气体传感器、测定部分、计算部分和输入输出部分，其中：测定部分测定气体传感器的输出，计算部分基于测定部分的测定值，根据气体浓度算出检测结果，输入输出部分将检测结果显示和/或输出到外部终端。本发明能够快速检测气体浓度变化。

Description

气体检测传感器装置

技术领域

本发明涉及的是一种环境监测领域的技术，具体是一种气体检测传感器装置。

背景技术

气体检测传感器装置广泛用于家用丙烷气体检测器和汽车等领域，能够检测大气中所含的特定气体(化学物质)。近年来，由于对大气污染和化学物质过敏症的担心，空气净化器和空调设备等也内置了相同的功能。

半导体式气体传感器是气体传感器的一种，内置在气体检测传感器装置之中，能够检测气体浓度。半导体式气体传感器能够通过改变半导体元件的成分等支持各种各样的气体，而且成本低，因此被广泛使用。图1中的数据展示了半导体式气体传感器的灵敏度特性。首先测定待测大气中半导体气体式传感器的内阻R_S，将其与参考大气中的传感器的内阻值R_O之比R_S/R_O。正如图1所示，能够根据R_S/R_O的比值检测特定气体的浓度。

但是，如果使用半导体式气体传感器内置的气体检测传感器装置检测气体浓度，则部分使用环境下检测值无法保持稳定，并有可能因为产品的不同而产生差异(机器差异)。半导体式气体传感器的灵敏度特性不仅取决于气体的浓度，温度和湿度、大气的流动等因素也会使其产生变化。

另外半导体式气体传感器的内阻在一般情况下会根据多种特定气体(例如图1所示产品案例中的一氧化碳、氢气、乙醇、甲烷等)的浓度变化而产生波动，因此在混合了多种气体时，如果无法确定各种气体的混合比例，则即使测定了大气中的电阻值R_S，气体浓度也会产生检测误差。

如果使用其他方式的气体传感器，并在混合了多种特定气体的环境下运用气相色谱法等算出各种气体的混合比例，则可以一定程度地解决所述的问题。但是，同时也会产生诸如成本的增加、装置的大型化、测定时间和劳力的增加、操作难度的加大等各种缺点。

发明内容

本发明针对现有技术存在的所述的不足，提出一种气体检测传感器装置，通过小型化、低成本和简便的结构实现气体浓度变化的快速检测。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：依次相连的气体传感器、测定部分、计算部分和输入输出部分，其中：测定部分测定根据气体浓度变化的气体传感器的内阻，计算部分根据测定部分的测定值换算得到监测数据并由输入输出部分显示。

所述的输入输出部分优选将监测数据进一步输出到外部终端。

所述的气体检测传感器装置进一步设有能够在初始测定模式和通常测定模式之间切换的切换开关，该切换开关以初始测定模式时的测定值为初始值，当切换至通常测定模式时，计算部分将计算当前测定值与初始值之间的比值。在实际测定时，首先在初始测定模式下测定气体传感器的输出并作为初始值进行保存。然后改变气体检测传感器装置的安置场所或在同一场所减少特定的气体，以便在希望的测定环境下切换为通常测定模式，以气体传感器的输出作为当前值，并通过计算部分将当前值与初始值的比值作为气体浓度对应的检测结果算出。

通过上述检测结果能够掌握从初始值到当前值的变化情况。这并非将当前的气体传感器输出与参考大气中的气体传感器输出比较，而是与开始测定时的气体传感器输出(初始值)比较，由此能够更加稳定地掌握气体浓度的变化。

技术效果

与现有技术相比，本发明在简单检测气体浓度变化即可的用途方面具有实用性(也可以不作为参考大气中的绝对值为目的检测气体浓度)。例如在大气污染严重的低于或大量放出总挥发性有机化合物(TVOC：Total Volatile Organic Compounds)的新建和翻新物业室内使用了具有减少大气中化学物质效果的建筑材料等时，为了确认其减少效果，如果能够使用成本低、操作简便、小型化的半导体式气体传感器，并稳定地检测作为源头物质的气体浓度变化，则极为便利。建筑材料的施工承包商能够在施工前后示范TVOC的气体浓度降低效果，建筑的买家和居民也可以通过测定数据确认TVOC的降低效果。

附图说明

图1为半导体式气体传感器的灵敏度特性示例图；

图2为本发明相关气体检测传感器装置实施形态整体配置的示意图；

图3为图2所示电压分压电路实施形态图；

图4为输出到图2所示外部终端显示部分的画面显示图；

图中：100气体检测传感器装置、110气体传感器、120测定部分(电压分压电路)、130计算部分、140切换开关、150显示部分、170温湿度传感器、180控制部分、190存储部分、200通信传输、300外部终端。

具体实施方式

如图2所示，本实施例气体检测传感器装置100包括：气体传感器110、测定部分120、计算部分130以及输入输出部分160，其中：气体传感器110的内阻根据气体浓度产生变化，测定部分120测定气体传感器的内阻，并由计算部分130基于测定部分的测定值120，根据气体浓度算出检测结果，通过输入输出部分160显示和/或输出到外部终端300。

所述的输入输出部分160包括至少一个显示部分150，该显示部分150用于显示测定值或检测结果。

在实施例中，所述的测定部分120中进一步设有电压分压电路，该电压分压电路逐个连接到各个气体传感器110，该气体传感器110能够根据大气中的气体浓度改变其内阻，其采用但不限于小型化、低成本的半导体式气体传感器。

本实施例中优选设置三个气体浓度灵敏度特性不同的气体传感器，进一步优选为三个半导体式气体传感器，该半导体式气体传感器能够检测的气体种类取决于其构成材料金属氧化物的成分，因此可以通过设置多种气体传感器的方式检测更多种类的气体。例如在测定新建和翻新物业的室内环境时，如果分别使用三种能够检测醛类、TVOC异味(恶臭)的气体传感器，则可以分别检测身体状况恶化和恶臭的原因，即气体浓度的变化。另外如上所述，半导体式气体传感器的内阻变化取决于多种气体的浓度变化，但通过设置多种气体传感器，并比较这些传感器的检测结果，可以查明究竟主要是哪个特定气体的浓度在发生变化。

本实施例中，上述气体检测传感器装置中进一步设有在初始测定模式和通常测定模式之间切换的切换开关140，其中初始测定模式是在开始测定时测定气体产气110输出的模式，通常测定模式是测定当前气体传感器110输出的模式。初始测定模式下测定气体传感器110的输出并将结果作为“初始值”对待，通常测定模式下将气体传感器110的输出作为“当前值”对待，计算部分130根据当前值相对于初始值的比值计算出对应气体浓度的检测结果。

测定时，首先在初始测定模式下测定气体传感器的输出并作为初始值对待，然后在想要测定的周围环境(不同的周围环境)下切换为通常测定模式测定气体传感器的输出并作为当前值对待。其中不同的周围环境是指环境条件不同的周围环境，环境条件是引发温度、湿度、风向、气体浓度等气体传感器110输出值变化的主因。例如改变气体检测传感器装置的安装场所，或者相同的安装场所采取减少特定气体的措施并经过一段时间后，将形成不同的周围环境。

所述的初始值、当前值和检测结果等显示在气体检测传感器装置100设置的显示部分150或从输入输出部分160输出到外部，经由通信传输200发送到外部终端300，进而根据需要显示在外部终端300的显示部分上或者打印、记录。

所述的通信传输200不限于有线或无线。

所述的外部终端300采用但不限于计算机和智能手机等各种通信设备。在实施例中，使用通信标准RS-232C的串口作为通信传输200、个人电脑作为外部终端300。

如图3所示，为测定部分的电压分压电路，该电压分压电路中包括负载电阻125和电源Vcc，其中：具有内部电阻R_L的负载电阻125与具有内部电阻R_S的气体传感器110串联，电源Vcc向气体传感器110及负载电阻125施加电压，测定部分120将负载电阻125上的电压V_L，即电阻R_S和电阻R_L的中点电位作为数据输出至计算部分130，该电压

具体地：当测定部分120在初始模式下测得的电压V_L，即初始值V_L1，当测定部分120在通常测定模式下测得的电压V_L2，即当前值V_L2，对应计算部分130将测定结果的比值，即V_L2/V_L1作为检测结果。

本实施例中，无论是在初始测定模式，还是在通常测定模式下，都通过对已测电压V_L进行数据处理来消除噪音，并使输出值稳定。具体来说，每隔约0.1秒测定电压V_L10次，以10次测定值的中间值作为正常值V_{L_normal}；数据处理每隔约10秒执行1次，正常值V_{L_normal}每隔约10秒更新一次。此外，所述的电压V_L的测定周期和次数、数据处理的执行频率并不仅限于此，可以随意设置。

作为通常设置模式下的正常值V_{L_normal}，在通常测定模式下测得的当前值V_L2每隔约10秒更新一次。

在初始模式下测得的初始值V_L1是初始测定模式下的最初正常值V_{L_normal}加上下一个约10秒后更新的正常值V_{L_normal}的平均值。如此算出的第一个初始值V_L1加上下一个约10秒后更新的正常值V_{L_normal}后再除以2，由此使初始值V_L1每隔约10秒更新一次。如此反复每隔约10秒更新并测定初始值V_L1一次，能够掌握初始值V_L1的初始变化，并可以将变化变小并达到稳定时的值作为初始值V_L1的最终值采用。而且最终值可以用于算出检测结果。

通过上述数据处理，能够更加稳定地检测负载电阻125的电压V_L。特别是在刚启动气体检测传感器装置100时，气体传感器的动作达到稳定之前，初始值V_L1的变化经常变大，但即便如此也能够合理掌握初始值V_L1随时间发生的变化，并可以检测到已从初始状态进入稳定状态。

上述数据处理既可以由计算部分130执行，也可以由输出数据的外部终端300执行：当由计算部分130执行时，为了弥补内部时钟的精度，优选采取从外部终端300发送当前时刻数据等措施，以两者并用的方式执行数据处理。

如图2所示，本实施例涉及的气体检验传感器装置进一步设有温湿度传感器170和控制部分180，其中：控制部分180根据温湿度传感器170采集到的温度或湿度中的较低值调整负载电阻125的电阻值R_L。

如上所述，气体传感器(半导体式传感器)110的内阻R_S随温度和湿度等的变化而产生变化。为此，能够通过温湿度传感器170测定温度和湿度，并根据正在使用的半导体式气体传感器的温湿度特性，调整负载电阻125的电阻值R_L，然后再根据温度和湿度补正气体传感器110输出的电压V_L。由此可以抑制温度和湿度变化产生的影响并检测电压V_L，同时能够更加稳定地检测气体浓度的变化。

优选地，采用数字电位器并根据温湿度的变化并通过数字信号设置电阻值R_L。另外，计算部分130及控制部分180可以由一个芯片以集成电路的形式实现。由此削减了机械式工作部件的数量，实现了寿命延长和小型化等。

当正在使用的气体传感器的温湿度特性不明或者需要考虑气体检测传感器装置100的安装场所特有大气流动等因素时，则应预先测定安装场所的电压V_L特性(温度特性、湿度特性、特定气体浓度的灵敏度特性等)，并将数据保存在存储部分190和/或外部终端300中。如果参照基于该事先测定数据的数据表和伪近似公式来补正气体传感器110的输出电压V_L，则可以更加精确、稳定地检测气体浓度的变化，具体为：

如图2所示，本实施例气体检测传感器装置100中还设有用于保存所述的各种测定值、检测结果和事先测定数据的存储部分190。当存储部分190中包含非挥发性记录媒体(例如E2ROM)，则即使无法进行电源备份，也可以在再次接通电源后读取这些数据。例如停电发生后，可以使用存储部分190记录的初始值V_L1和电源再次接通后的测定值V_L2来算出检测结果，并持续进行测定。此外在实施例下，切换开关140选择了通常测定模式时，再次接通电源后将读取存储部分190记录的初始值V_L1。

所述的输入输出部分160还允许来自外部终端300的数据输入，即使没有设置存储部分190，各种测定值和检测结果、事先测定数据等也被预先保存在外部终端300的保存媒体中，并能够通过输入输出部分160参照这些保存信息，非常便利。

如图4所示，为通过所述的气体检测传感器装置100向外部终端(个人电脑)300的显示部分输出画面显示的例子，图中顶部的图表栏310针对三个气体传感器110(Sensor1～Sensor3)列出了各个气体传感器能够感应的主要气体种类(醛类、TVOC、气味传感器)，各个气体传感器的当前值V_L2与初始值V_L之比，即检测结果随时间产生的变化分别使用折线图表示。纵轴的检测结果显示对数，横轴的时刻刻度在测定后自动更新，折线图都可以自动滚动显示。

图4中，画面底部的数值显示栏320显示了测定开始日期和时间、温度补正的有无、作为通信手段的串口的端口号、各个传感器的测定值V_L2和温度、湿度等，可以具体掌握各种条件和测定数据。

综上所述的，如果采用所述的气体检测传感器装置100，则并非将当前的气体传感器输出与参考大气中的气体传感器输出进行比较，而是与测定环境中开始测定时的气体传感器输出(初始值)进行比较，由此可以实现小型化、低成本、操作简便的半导体式气体传感器，同时能够稳定地掌握大气中特定气体浓度的变化。

而且如果将负载电阻125串联到半导体式气体传感器的内阻R_S上，则测定负载电阻125的电压V_L即可轻易测定气体传感器的输出，另外还可以使负载电阻125成为可变电阻，由此轻松实现符合温度等周围环境的气体传感器输出补正。

所述的具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，例如在实施例下，负载电阻125的电阻R_L的电压V_L作为气体传感器110的输出进行测定，但不仅限于此，气体传感器110的电阻R_S的电压V_S和电阻R_S的电流(与电阻R_L的电流相同)也可以作为气体传感器110的输出进行测定。即使将这些测定值作为与初始值的相对值进行计算，也可以稳定地检测气体浓度的变化。本发明的保护范围以权利要求书为准且不由所述的具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种气体检测传感器装置，其特征在于，包括：内阻根据气体浓度变化的至少一个气体传感器、测定部分、计算部分和输入输出部分，其中：测定部分测定气体传感器的输出，计算部分基于测定部分的测定值，根据气体浓度算出检测结果，输入输出部分将检测结果显示和/或输出到外部终端；

所述的气体检测传感器装置进一步包括用于在初始测定模式和通常测定模式之间切换的切换开关，该切换开关以初始测定模式时的测定值为初始值，当切换至通常测定模式时，以测定值为当前值且计算部分将当前值相对于初始值的比值作为检测结果。

2.根据权利要求1所述的气体检测传感器装置，其特征是，所述的气体传感器包含多个且每一个对气体浓度的灵敏性特性不同。

3.根据权利要求1或2所述的气体检测传感器装置，其特征是，进一步设有用于保存检测结果的存储部分。

4.根据权利要求1到3中任一所述的气体检测传感器装置，其特征是，进一步设有温湿度传感器以及带有控制部分的可变电阻，其中：温湿度传感器测定温度和/或湿度，控制部分根据温湿度传感器的测定值调整可变电阻的阻值。

5.根据权利要求4所述的气体检测传感器装置，其特征是，所述的输入输出部分接收外部输入数据，所述的控制部分根据外部输入数据及温湿度传感器的测定值调整所述可变电阻的阻值。

6.根据权利要求4或5所述的气体检测传感器装置，其特征是，所述的可变电阻及控制部分通过数字电位器实现。