CN110455869B - 自带采样电阻的气敏传感监测探头及其应用 - Google Patents

自带采样电阻的气敏传感监测探头及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自带采样电阻的气敏传感监测探头及其应用，主要解决现有技术中通用性和兼容性较差的问题。本发明通过采用一种自带采样电阻的气敏传感监测探头，包括气敏材料传感片、监测器探头、采样电阻、线缆、监测器段插口，所述监测器探头接口中有四枚金属弹片，用来与气敏材料传感片上的叉指电极接触导电；所述监测器探头的电路中，Rk1与Rk2为采样电阻，Rx为待测气敏材料膜片的电阻，Rk1与Rk2并联后再与Rx串联，其中Rk1为集成在监测器探头中的采样电阻的技术方案较好地解决了上述问题，可用于气敏传感监测中。

Description

自带采样电阻的气敏传感监测探头及其应用
技术领域
本发明涉及一种自带采样电阻的气敏传感监测探头及其应用，属于气体检测技术领域。
背景技术
气敏材料是一种新兴的功能材料，不同类型的气敏材料会对某种或某几种气体十分敏感，表现出材料物理或化学属性的显著改变。如一类气敏材料的导电性能会随着气体的浓度呈现规律性变化。利用这种响应特性，采集气敏材料导电性能的变化量经计算后即可转化为目标气体浓度。该类气体监测器原理简单，已得到广泛应用。但是各类气敏材料的导电性能不尽相同，电阻值范围由几万欧姆到几百兆欧姆，数量级跨度很大。在使用串联分压的电阻测量法时，要求选取合适范围内的采样电阻。如果需要兼容阻值相差较大的不同种类气敏材料，则需要频繁更换采样电阻。
CN201520566223.4公开了一种多功能气体传感器测试系统，该测试系统能够通过自动化配置标准浓度气体实现传感器与标准气提的快速接触，还控制传感器测试环境的温度和湿度，并实现多个传感器电学型气体响应、单个传感器光学型气体响应的同步测试。此专利中使用匹配电阻盒实现采样电阻的切换，匹配电阻箱内有六组相同的精密电阻，每一组精密电阻包括至少10支精密电阻和一个十挡位旋钮开关。此结构可实现高精度的采样电阻阻值切换功能，但其结构复杂繁琐，体积较大，在便携式设备上使用的可行性不高。目前市售的气敏材料测试仪器大都采用可插拔式采样电阻板。如某型号的30通道气敏材料测试仪，配有多种不同阻值的电阻板，在测试不同类型气敏材料时，通过更换采样电阻板实现匹配分压。但该种采样电阻板无法对单个通道的匹配，所以30个测试通道只能同时测试同种气敏材料或阻值范围相近的气敏材料。
针对这种情况，目前广泛采用可调电阻、插拔式电阻或自适应切换等方式。但对于便携式采集设备，以上方法存在精度不足、体积庞大、功率消耗过大等弊端，如何以便捷地方式更换采样电阻，是制约基于气敏材料的便携式气体监测器通用性的重要瓶颈。气敏材料目前正处于高速发展的过程中，新型气敏材料层出不穷，如何设计具有较强通用性的传感信号采集设备，使之兼容尽可能多的气敏材料类型，具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是现有技术中通用性和兼容性较差的问题，提供一种新的自带采样电阻的气敏传感监测探头，具有兼容一定尺寸范围内的气敏传感片、可插拔的监测探头根据特定气敏传感材料的阻值设置采样电阻，随不同类型的气敏材料搭配使用不同电阻范围的监测探头的优点。本发明所要解决的技术问题之二是提供一种与解决的技术问题之一相对应的自带采样电阻的气敏传感监测探头的应用。
为解决上述问题之一，本发明采用的技术方案如下：一种自带采样电阻的气敏传感监测探头，包括气敏材料传感片、监测器探头、采样电阻、线缆、监测器插口，监测器探头接口中有四枚金属弹片，用来与气敏材料传感片上的叉指电极接触导电；采样电阻内置于监测器探头中，与气敏材料传感片构成串联电路结构；监测器探头引出三芯线缆，分别连接由传感片和采样电阻构成的串联电路中的三个不同电位点；线缆的另一端是监测器插口，用于将监测器探头与监测器本体连接。
上述技术方案中，优选地，所述气敏材料传感片是由将传感材料涂覆在覆有叉指电极的绝缘载片上制备而成，传感材料会吸附脱附特定气体而引发其导电性的变化，导电性变化通过叉指电极间的电阻值变化来表征。
上述技术方案中，优选地，所述监测器探头具有镂空外壳保护，使气敏材料传感片与检测气体充分接触，完成吸附脱附，同时避免其与其他物体接触，造成传感片损伤。
上述技术方案中，优选地，所述监测器探头通过带有音频接口的三芯线缆与监测器主体相连，监测器通过测量端点间的电压值，通过分压原理计算待测电阻的阻值。
上述技术方案中，优选地，所述监测器探头通过带有3.5mm音频接口的三芯线缆与监测器主体相连，监测器通过测量相邻端点间的电压值，通过分压原理计算待测电阻的阻值。
上述技术方案中，优选地，气敏材料传感片叉指电极间距L1介于金属弹片最小间距 Lmin与最大间距Lmax之间。
上述技术方案中，优选地，所述监测器探头接口中有四枚金属弹片，同侧两枚为相连的一组，用来与气敏材料传感片上的叉指电极接触导电。
上述技术方案中，优选地，将采样电阻设置在监测器探头内，并与气敏材料传感片构成串联电路结构，连接结构如图5所示，能通过更换不同阻值采样电阻的探头，来适配不同种类的气敏材料传感片，避免因监测器内部采样电阻与待测气敏传感片阻值范围相差过大而引起测量失真，避免监测器的不通用性。
为解决上述问题之二，本发明采用的技术方案如下：一种自带采样电阻的气敏传感监测探头的应用，用于气体检测中。
本专利对传统分压采样电路进行了修改，增加了外置式采样电阻，并与内置采样电阻并联，将探头中的采样电阻集成于气敏材料传感探头中，在使用不同种类气敏材料时更换监测探头，即可以低成本、方便快捷的方式实现高通用性便携式监测的目的。与现有设备相比，本监测探头具有较高的通用性，体现在两个方面，一是兼容一定尺寸范围内的气敏传感片，二是可插拔的监测探头根据特定气敏传感材料的阻值设置采样电阻，随不同类型的气敏材料搭配使用不同电阻范围的监测探头，取得了较好的技术效果。
附图说明
图1气敏传感监测探头。
图2气敏材料传感片与叉指电极尺寸范围。
图3不带有采样电阻的常规探头电路示意图之一。
图4带有采样电阻的气敏传感探头电路示意图之二。
图5气敏材料传感片与采样电阻接线示意图。
图3-图5中，1、2、3代表测量端点。
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。
具体实施方式
【实施例1】
本发明提供一种自带采样电阻的气敏传感监测探头，它由气敏材料传感片、监测探头、三芯线缆、监测器段插口及其他支持部分组成。
所述气敏材料传感片是由将传感材料涂覆在覆有叉指电极的绝缘载片上制备而成，传感材料会吸附脱附特定气体而引发其导电性的变化，导电性变化可通过叉指电极间的电阻值变化来表征。
所述监测器探头如图1所示，具有镂空外壳保护，使气敏材料传感片与检测气体充分接触，完成吸附脱附，同时避免其与其他物体接触，造成传感片损伤。
所述监测器探头如图2所示，接口中有四枚金属弹片，同侧两枚为相连的一组，用来与气敏材料传感片上的叉指电极接触导电。要求传感片叉指电极间距L1介于金属弹片最小间距Lmin与最大间距Lmax之间。
所述监测器探头通过带有3.5mm音频接口的三芯线缆与监测器主体相连，其电路示意图如图3所示。监测器通过测量1、2端点间的电压值，通过分压原理计算待测电阻的阻值。
在一般设备的分压测量法中，如图3所示，采样电阻Rk2与待测气敏材料膜片的电阻Rx串联，Rk2集成在监测设备内部，通过调节或更换的方式来与待测电阻Rx进行匹配。
所述监测器探头的电路原理图如图4所示，Rk1与Rk2为采样电阻，Rx为待测气敏材料膜片的电阻，Rk1与Rk2并联后再与Rx串联。其中Rk1为集成在监测器探头种的采样电阻。
此结构可实现两种采样电阻匹配方式：如监测器内部配有采样电阻Rk2，则可通过Rk1与Rk2的并联减小原有采样电阻的匹配值；如监测器内部无采样电阻，则可根据气敏材料的电阻变化范围选择合适的监测器探头。
下面结合应用算例对本发明作进一步说明：
已知某种氨气气敏材料传感膜片的电阻变化范围在70kΩ至80kΩ之间，采样电阻阻值可选择使用50kΩ或100kΩ。监测器配有多种采样阻值的探头。如监测器内部没有配置采样电阻，则可直接选用50kΩ或100kΩ的探头；如果监测器内部已有采样电阻，假设其为100MΩ，仍可选用50kΩ或100kΩ的探头，使采样电阻并联后的阻值接近47.6kΩ或90.9kΩ，满足监测需求且不需要更换内部采样电阻。
【实施例2】
按照实施例1所述的条件和步骤，将所述气敏传感监测探头用于苯气敏材料传感片响应测试。
已知某种苯气敏材料传感膜片的电阻变化范围在10kΩ至100kΩ之间，采样电阻阻值可选择使用50kΩ。监测器配有多种采样阻值的探头。如监测器内部没有配置采样电阻，则可直接选用50kΩ；如果监测器内部已有采样电阻，假设其值为200kΩ，则可选用70kΩ探头，使采样电阻并联后的阻值接近51.85kΩ，满足监测需求且不需要更换内部采样电阻。
【实施例3】
按照实施例1所述的条件和步骤，将所述气敏传感监测探头用于VOCs气敏材料气敏响应测试。
已知某种VOCs气体气敏材料传感膜片的电阻变化范围在200Ω至1kΩ之间，采样电阻阻值可选择使用500Ω。监测器配有多种采样阻值的探头。如监测器内部没有配置采样电阻，则可直接选用500Ω探头；如果监测器内部已有采样电阻，假设其为100MΩ，仍可选用500Ω探头，使采样电阻并联后的阻值接近499.9Ω满足监测需求且不需要更换内部采样电阻。
【比较例】
某气敏元件测试仪作为一款实验室台式测试仪器，可以对气敏材料传感特性进行研究，在使用时需将涂覆有气敏传感材料的薄片使用导电银胶黏在接触电极顶端，为了兼容不同阻值范围的气敏传感材料，该设备将采样电阻设置在测试仪外部，设计为独立的插拔式电阻板，电阻板上设置有全部监测通道的采样电阻，在测试不同阻值范围时需更换采样电阻板。
与该设备比较，使用本发明提供的监测探头有如下有优点：
1.气敏材料传感片可直插监测器探头，探头内四枚金属弹片可保证与传感片表面导电气敏材料的充分接触，不需要粘连固定，传感片与探头都可重复使用；
2.在使用多监测通道对不同种类气敏材料进行监测时，不同通道的采样电阻需与对应材料相匹配，该仪器的采样电阻板上全部焊接为同一阻值的电阻，无法满足监测要求。
如使用本发明提供的监测探头，则可根据材料选择合适阻值的探头，同时使用多款探头，可满足监测要求；
如气敏材料A所制成的传感膜片阻值范围在500kΩ至1MΩ之间，气敏材料B所制成的传感膜片阻值范围在1kΩ至10kΩ之间，对于插板式采样电阻测试仪，在测试A、B两种材料时，需要与之合适的采样电阻板，气敏材料A可选择750kΩ的采样电阻板，气敏材料 B可选择5kΩ的采样电阻板，阻值相差150倍。如果需要同时测量这两种气敏材料的响应特性，如使用750kΩ的采样电阻，则材料B会分得正常测量环境下0.02倍的电压，采样电阻分得约1.98倍电压，采样电阻上功率损耗增大，影响电阻的精度和温升系数的非线性，从而影响测量精度；如使用5kΩ采样电阻，则材料A只能分得正常测量环境下1.98倍的采样电阻，采样电阻分的0.02倍电压，采样电阻上输出电压减小，容易导致误差偏移量和干扰噪声在信号幅度中所占比重过大，同样降低采样精度。使用本发明提供的监测器探头，测量气敏材料A时使用内置750kΩ采样电阻的探头，测量气敏材料B时使用内置5kΩ采样电阻的探头，二者互不干扰，测量精度不受影响。

Claims (4)

1.一种自带采样电阻的气敏传感监测探头的应用，其特征在于，所述自带采样电阻的气敏传感监测探头包括气敏材料传感片、监测器探头、采样电阻、线缆、监测器插口，监测器探头接口中有四枚金属弹片，用来与气敏材料传感片上的叉指电极接触导电；采样电阻内置于监测器探头中，与气敏材料传感片构成串联电路结构；监测器探头引出三芯线缆，分别连接由传感片和采样电阻构成的串联电路中的三个不同电位点；线缆的另一端是监测器插口，用于将监测器探头与监测器本体连接；其中，所述采样电阻至少包括集成在监测器探头中的Rk1；
所述监测器探头通过带有音频接口的三芯线缆与监测器主体相连，监测器通过测量端点间的电压值，通过分压原理计算待测电阻的阻值；
气敏材料传感片叉指电极间距L1介于金属弹片最小间距Lmin与最大间距Lmax之间；
所述监测器探头接口中有四枚金属弹片，同侧两枚为相连的一组，用来与气敏材料传感片上的叉指电极接触导电；
基于监测器内部是否配有采样电阻Rk2进行采样电阻匹配方式确定，包括：
当监测器内部配有采样电阻Rk2时，则Rk1与Rk2并联后再与待测气敏材料膜片的电阻串联，用于通过Rk1与Rk2的并联减小原有采样电阻的匹配值；
当监测器内部无采样电阻时，则根据气敏材料的电阻变化范围选择合适的气敏传感监测探头。
2.根据权利要求1所述自带采样电阻的气敏传感监测探头的应用，其特征在于所述气敏材料传感片是由将传感材料涂覆在覆有叉指电极的绝缘载片上制备而成，传感材料会吸附脱附特定气体而引发其导电性的变化，导电性变化通过叉指电极间的电阻值变化来表征。
3.根据权利要求1所述自带采样电阻的气敏传感监测探头的应用，其特征在于所述监测器探头具有镂空外壳保护，使气敏材料传感片与检测气体充分接触，完成吸附脱附，同时避免其与其他物体接触，造成传感片损伤。
4.根据权利要求1所述自带采样电阻的气敏传感监测探头的应用，其特征在于所述监测器探头通过带有3.5mm音频接口的三芯线缆与监测器主体相连，监测器通过测量相邻端点间的电压值，通过分压原理计算待测电阻的阻值。
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