CN110243808B - 圆台形多功能气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种圆台形多功能气体传感器，气体腔室由实心圆台形导电透明玻璃棒和空心金属管之间的间隙构成，实心圆台形导电透明玻璃棒连接偏置电压的正极，空心金属管连接偏置电压的负极，在碳纳米管薄膜或催化剂膜的间隔区设有用于反射激光的抛光面，气体腔室的两端密封，一端连接进气管，另一端连接出气管，当开启激光发射器和激光接收器时，激光接收器发射的激光从实心圆台形导电透明玻璃棒的一端倾斜射入，经所述抛光面多次反射照射于设置在实心圆台形导电透明玻璃棒另一端的激光接收器上。本发明的圆台形多功能气体传感器，兼具激光气体传感器和电离式气体传感器两种功能。

Description

圆台形多功能气体传感器
技术领域
本发明涉及等离子传感器，尤其是一种圆台形多功能气体传感器。
背景技术
现有的气体传感器有两种，一种是激光气体传感器，另一种是电离式传感器。激光气体传感器的检测原理是：使用激光发射器发射激光照射被测气体，激光接收器接收照射被测气体后的激光，依据被测气体对特定波长的激光具有的吸收作用，分析检测出被测气体的浓度(如申请公布号为CN 107994456A的《TO封装激光器及气体传感器》、授权公告号为CN 205317667U的《激光气体传感器》、申请公布号为CN 107991238A的《一种激光甲烷气体传感器》)；电离式传感器的检测原理是：通过在电极极板之间加载电压，使得被测气体电离，通过检测电极极板间的电流数据，从而分析出被测气体的浓度(如授权公告号为CN102081071B的《碳纳米管薄膜微纳米电离式传感器》)。
在实际应用中，有些时候需要使用激光气体传感器，有些时候需要使用电离式传感器，由于现有的上述两种气体传感器不能通用，这就需要经常更换，工作量大，效率低，或者同时安装激光式和电离式两套气体传感器，成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种圆台形多功能气体传感器，兼具激光气体传感器和电离式气体传感器两种功能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种圆台形多功能气体传感器，包括激光发射器和激光接收器，气体腔室由实心圆台形导电透明玻璃棒和空心金属管之间的间隙构成，所述实心圆台形导电透明玻璃棒连接偏置电压的正极，空心金属管连接偏置电压的负极，在空心金属管的内壁上绕圆周均布且沿轴向等间距的设有用于促进被测气体电离的碳纳米管薄膜、或用于促进被测气体分解或降解的催化剂膜，在所述碳纳米管薄膜或催化剂膜的间隔区设有用于反射激光的抛光面，所述气体腔室的两端密封，一端连接有进气管，另一端连接有出气管，所述激光发射器和激光接收器分设于实心圆台形导电透明玻璃棒的两端，当开启激光发射器和激光接收器时，激光接收器发射的激光从实心圆台形导电透明玻璃棒的一端倾斜射入，经所述抛光面多次反射照射于设置在实心圆台形导电透明玻璃棒另一端的激光接收器上。
所述催化剂膜为锐钛型纳米TiO2膜和/或BiVO4/g-C3N4膜。
所述催化剂膜为：以多孔碳化硅为基底，将多壁碳纳米管生长在所述碳化硅基底之上、并经过超声表面切平之后、采用电化学沉积法将锐钛型纳米TiO2沉积在所述多壁碳纳米管表面构成所述锐钛型纳米TiO2膜，然后将纳米钒酸铋BiVO4与类石墨相碳化氮g-C3N4按照重量比1︰2混合、以磁控模具溅射的方式在所述锐钛型纳米TiO2膜表面形成所述BiVO4/g-C3N4膜的方块阵列，每一个所述BiVO4/g-C3N4膜方块的大小为0.1×0.1×0.02mm。
所述偏置电压为100-255V。
所述激光接收器将接收的激光信号传输给光电检测CCD，通过该光电检测CCD将光信号转换成电信号，所述电信号通过数据采集卡传输至计算机进行分析处理。
所述圆台形多功能气体传感器安装在硬质直导管或可弯折导管的前端，硬质直导管或可弯折导管的后端连接有抽气泵，圆台形多功能气体传感器的外围设有防护网。
与现有技术相比本发明的有益效果是：于采用上述技术方案，气体腔室由实心圆台形导电透明玻璃棒和空心金属管之间的间隙构成，这种结构，两电极面由于是圆柱面或圆台面，比平板电极大大缩小了尺寸；在空心金属管的内壁上绕圆周均布且沿轴向等间距的设有用于促进被测气体电离的碳纳米管薄膜，在所述碳纳米管薄膜的间隔区设有用于反射激光的抛光面，这种结构，可以通过在电极极板之间加载电压，使得被测气体电离，通过检测电极极板间的电流数据，从而分析出被测气体的浓度，实现电离式气体传感器的功能；还可以先在电极极板之间加载电压，使得被测气体电离，通过检测电极极板间的电流数据，从而分析出被测气体的浓度，再使用激光发射器发射激光照射电离后的被测气体，激光接收器接收照射电离后的被测气体的激光，依据电离后的被测气体对特定波长的激光具有的吸收作用，分析检测出被测气体的浓度，实现对被测气体的两种不同方法的测量，更加具有可靠性。气体腔室由实心圆台形导电透明玻璃棒和空心金属管之间的间隙构成，这种结构可以带来以下有益效果：一是可以降低电离所需的电压，因为左端的所述间距最小，最早产生电离，而这个局部电离产生的带电离子，其定向流动产生了极间的电离电流，而较早产生的电离电流对于相邻极间间距位置来说，产生了一定的电流驱动作用，在驱动电流的作用下，相邻间距位置的电离过程变得更加容易，导致更多的电离离子产生，进一步增大了电离电流，较低的电离电压有利于保护传感器免受击穿的伤害，增强了气体传感器的检测稳定性、重复性和寿命；二是提高了检测的准确性，因为其测得的电流数据不仅包含了暂态离子流，而且还包含了电离式放电电流，可以得到不同间距下丰富的电流数据；三是不仅能够对被测气体的浓度进行准确的检测，而且还能够将气体电离为等离子体，根据不同气体永久电离之后等离子体的不同，利用被测等离子体对特定波长的激光具有的吸收作用，在分析检测出被测气体的浓度同时精确检测被测气体的成分。
进一步的有益效果是：本发明的圆台形多功能气体传感器，由于体积小，可以安装在硬质直导管或可弯折导管的前端，深入到较深的难以到达的细小检测处，甚至可以凿孔插入待检测处，通过抽气泵，将待测气体抽入圆台形多功能气体传感器进行现场检测，极大扩展了应用范围。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的A-A向剖面图；
图3是图1的B-B向剖面图；
图4是本发明连接了硬质直导管的结构示意图；
图5是本发明连接了可弯折导管的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案更加清晰，以下结合附图1至5，对本发明进行详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明的保护范围。
本发明是一种圆台形多功能气体传感器，包括激光发射器6和激光接收器7，气体腔室2由实心圆台形导电透明玻璃棒1和空心金属管3之间的间隙构成，所述实心圆台形导电透明玻璃棒1连接偏置电压的正极，空心金属管3连接偏置电压的负极，在空心金属管3的内壁上绕圆周均布且沿轴向等间距的设有用于促进被测气体电离的碳纳米管薄膜5，在所述碳纳米管薄膜5的间隔区设有用于反射激光的抛光面，所述气体腔室2的两端密封，一端连接有进气管8，另一端连接有出气管9，所述激光发射器6和激光接收器7分设于实心圆台形导电透明玻璃棒1的两端，当开启激光发射器6和激光接收器7时，激光接收器7发射的激光4从实心圆台形导电透明玻璃棒1的一端倾斜射入，经所述抛光面多次反射照射于设置在实心圆台形导电透明玻璃棒1另一端的激光接收器7上。
作为优选，所述激光接收器7将接收的激光信号传输给光电检测CCD，通过该光电检测CCD将光信号转换成电信号，所述电信号通过数据采集卡传输至计算机进行分析处理。所述偏置电压优选为100-255V。
作为一种应用，所述圆台形多功能气体传感器01可以安装在硬质直导管02或可弯折导管03的前端，硬质直导管02或可弯折导管03的后端连接有抽气泵04，圆台形多功能气体传感器01的外围设有防护网05。由于所述圆台形多功能气体传感器01体积小，可以深入到较深的难以到达的细小检测处，甚至可以凿孔插入待检测处，通过抽气泵，将待测气体抽入多功能气体传感器进行现场检测，极大扩展了应用范围。例如，可以做成一种用于复杂的微小孔洞内毒害气体检测、制药厂下水道剧毒气体的检测、危化品仓库探测、爆炸火灾现场的毒害气体探测等。
实施例1：在电极之间施加电压，实验测量6ppm、12ppm、20ppm、25ppm、30ppm五种不同浓度H2S气体的电离电流，结果如下：
Figure BDA0002125819840000051
在电极之间施加电压，实验测量6ppm、12ppm、20ppm、25ppm、30ppm五种不同浓度NH3气体的电离电流，结果如下：
Figure BDA0002125819840000052
根据不同电压下，不同浓度气体的放电电流-气体浓度拟合直线的斜率不同，可以区分不同气体类型。
实施例2：在电极之间施加220V的偏置电压，并且采用光路导入光束，实验测量5ppm、10ppm、15ppm、20ppm、25ppm五种不同浓度CO2气体的出射光在波长620nm处的光强，结果如下：
Figure BDA0002125819840000061
根据不同浓度气体的电离光吸收特征峰的输出光强值，可以判断气体的浓度。

Claims (3)

1.一种圆台形多功能气体传感器，包括激光发射器（6）和激光接收器（7），其特征在于：气体腔室（2）由实心圆台形导电透明玻璃棒（1）和空心金属管（3）之间的间隙构成，所述实心圆台形导电透明玻璃棒（1）连接偏置电压的正极，空心金属管（3）连接偏置电压的负极，所述偏置电压为100-255V，在空心金属管（3）的内壁上绕圆周均布且沿轴向等间距的设有用于促进被测气体电离的碳纳米管薄膜（5），在所述碳纳米管薄膜（5）的间隔区设有用于反射激光的抛光面，所述气体腔室（2）的两端密封，一端连接有进气管（8），另一端连接有出气管（9），所述激光发射器（6）和激光接收器（7）分设于实心圆台形导电透明玻璃棒（1）的两端，当开启激光发射器（6）和激光接收器（7）时，激光接收器（7）发射的激光（4）从实心圆台形导电透明玻璃棒（1）的一端倾斜射入，经所述抛光面多次反射照射于设置在实心圆台形导电透明玻璃棒（1）另一端的激光接收器（7）上；测量时，先在电极极板之间加载电压，使得被测气体电离，通过检测电极极板间的电流数据，从而分析出被测气体的浓度，再使用激光发射器发射激光照射电离后的被测气体，激光接收器接收照射电离后的被测气体的激光，依据电离后的被测气体对特定波长的激光具有的吸收作用，分析检测出被测气体的浓度，以实现对被测气体的两种不同方法的测量。
2.根据权利要求1所述的圆台形多功能气体传感器，其特征在于：所述激光接收器（7）将接收的激光信号传输给光电检测CCD，通过该光电检测CCD将光信号转换成电信号，所述电信号通过数据采集卡传输至计算机进行分析处理。
3.根据权利要求1或2所述的圆台形多功能气体传感器，其特征在于：所述圆台形多功能气体传感器（01）安装在硬质直导管（02）或可弯折导管（03）的前端，硬质直导管（02）或可弯折导管（03）的后端连接有抽气泵（04），圆台形多功能气体传感器（01）的外围设有防护网（05）。
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