CN110455870A - 便携式多通道气敏传感监测器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种便携式多通道气敏传感监测器及其应用，主要解决现有技术中体积大、无法便携使用、通用性差的问题。本发明通过采用一种便携式多通道气敏传感监测器，包括气敏传感片、监测器探头、监测器主板、监测器外壳、电池，气敏传感片、监测器探头之间通过插槽接触，监测器探头通过线缆与监测器主体相连，监测器内设有蓝牙模块，通过蓝牙技术将监测数据与温湿度值上传至上位机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
技术领域
本发明涉及一种便携式多通道气敏传感监测器及其应用。
背景技术
随着半导体技术与高分子材料技术的发展，气敏传感材料的发展已呈现出由单一材料向复合材料发展的新趋势，尤其是导电高分子气敏材料，因其诱人的应用前景而受到广泛重视。导电高分子气敏材料具有诸多优势，如可以沉积在各种基片上，附着性较好；可以通过选择不同的大分子链结构，对其进行改性，获得不同的化学敏感性能，提高其对气体响应的灵敏度和选择性；可以在室温下工作，更具实用价值等。
气敏传感材料的信号采集设备，目前应用较为广泛的是固定式采集系统。此类系统不仅本体体积较大，且多通过有线方式与上位机相连，无法便携使用；其构建的理想气体测试环境，与实际应用场景相差较大，测试结果也与实际应用相差甚远。
CN201110366862.2公开了一种气体传感器测试系统，包括配气单元、气敏性测量装置以及测试单元；所述配气单元包括一个空气供给单元、一个以上的待测气体供给单元、将空气与待测气体混匀的气体混合室，所述气体混合室连通气敏性测量装置，用于将配比后的气体通过管道输入气敏性测量装置。所述测试单元包括数据监测器，连接数据监测器的温控仪、尾气分析装置以及计算机；所述数据监测器分别电连接空气供给单元和气敏性测量装置。该发明可以较为严格地控制测试环境的条件变量，有利于提高气敏性能测试的准确性，适合实验室验证使用。但是此套系统结构复杂，其构建的理想测试条件与实际的应用场景相差甚远，不适用于实际场景中的应用。
CN201620615280.1公开了一种便携式电子鼻系统，设置有进样控制系统、气敏传感器阵列、单片机；进样控制系统与单片机连接，用于稳定进样气体流速和压力；进样控制系统设置有质量流量控制器、三通阀、干燥器、密闭测试腔、可调速真空泵。该实用新型发明通过气敏传感器通用插槽和信号调理电路，引入“即插即用”和“时分复用”在不降低系统气味识别效能的前提下，减小气敏传感器数量和功耗；利用气压传感器和可调速真空泵，精简气路中的稳压阀；通过以上方法，减小系统体积、质量和功耗，最终实现小型化的便携式电子鼻。该实用新型提出了通用插槽的概念，但没有具体的描述其规格；其密闭测试腔体的加热器还需外接220V电源供电，无法达到便携使用的目的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是现有技术中体积大、无法便携使用、通用性差的问题，提供一种新的便携式多通道气敏传感监测器，具有便携性好、通用性强的优点。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便携式多通道气敏传感监测器的应用。
为解决上述问题之一，本发明采用的技术方案如下：一种便携式多通道气敏传感监测器，包括气敏传感片、监测器探头、监测器主板、监测器外壳、电池，气敏传感片、监测器探头之间通过插槽接触，监测器探头通过线缆与监测器主体相连，监测器内设有蓝牙模块，通过蓝牙技术将监测数据与温湿度值上传至上位机；监测过程中，气敏传感片与待测气体接触，待测气体中的目标成分与气敏传感材料发生化学或物理反应，使气敏传感片电极间的阻值发生变化，监测器探头将阻值的模拟量信号传递给监测器主板，首先经调理电路对模拟量进行放大和去噪，再经模数转换模块转变为数字信号进入中央处理单元，中央处理单元通过预置的阻值变化量-浓度换算关系，对阻值的变化量所对应的目标气体浓度进行初步计算，再通过蓝牙将阻值变化量上传至智能终端和网络平台，终端和平台端根据大数据实时修正计算关系，得到更准确目标气体浓度。
上述技术方案中，优选地，所述气敏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，用来与气敏传感片上的叉指电极接触导电。
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两芯线缆与监测器主体相连，在监测器探头端，两芯线缆分别连接两组四枚的弹性接触电极；在线缆的另一端，通过音频接口与监测器主体连接。
上述技术方案中，优选地，所述监测器主体由监测器外壳、监测器主板与电池组成，具有至少6通道气敏传感采集与温度、湿度监测功能，通过至少六枚3.5mm音频接口，同时插入至少6组监测器探头和一组温湿度探头，分别对至少六种气体及环境温度、湿度进行测量。
上述技术方案中，优选地，监测器主体自带可充电电池，通过充电专用micro-USB接口对其充电。
上述技术方案中，优选地，所述监测器主板设有至少两颗LED灯，绿灯显示当前工作状态，红灯显示当前充电状态，通过混合导光柱将灯光色彩混合显示。
为解决上述问题之二，本发明采用的技术方案如下：一种便携式多通道气敏传感监测器的应用，用于气体检测中。
与现有设备相比，本监测器使用规定尺寸范围的气敏传感片与通用接口，兼容各类气敏传感材料，传感片的更换不需要工具，维护方便；该监测器主板具备6通道气敏传感采集能力，可同时采集最多6路气敏材料电阻值，加上主板本身采集的温度、湿度信息，共8路数据，可以为多维数据融合处理算法提供数据来源；该监测器自带电池，无需外接电源，数据通过蓝牙无线传输到上位机，具有灵活的使用范围，取得了较好的技术效果。
附图说明
图1为便携式多通道气敏传感监测器结构与使用流程。
图2便携式多通道气敏传感监测器数据与控制流程图。
图3供电模块电路图。
图4 STM32F103芯片引脚电路图。
图5 ATT7022芯片引脚电路图。
图6带有参照组的电阻测量电路原理图。
图7监测接口与调理滤波电路电路图。
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】
本发明提供一种便携式多通道气敏传感材料信号采集设备，如图1所示，它由气敏传感片、监测器探头、温湿度采集探头、监测器主板、监测器外壳、电池及其他支持部分组成。其特征在监测器通过监测气敏传感膜片导电性能的变化来计算目标气体的浓度，可兼容通用规格范围内的各类气敏传感膜片，更换方便；可便携使用，无需外接电源；最多采集包括温湿度在内的8路监测数据，搭配不同种类的气敏传感材料实现传感器阵列；监测器将采集信息通过蓝牙向外传输。
下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图1所示，一种便携式多通道气敏传感监测器，该系统设置有气敏材料传感膜片、监测器探头、监测器主体三部分组成并依次连接。气敏材料传感膜片与监测器探头通过探头插槽中的金属弹片接触，监测器探头通过线缆与监测器主体接触。
所述气敏材料传感膜片由化学或物理方法，将气敏材料涂覆在印刷有叉指电极的绝缘基片上制备而成。膜片与监测器探头通过金属接触连接。
如图2所示，监测过程中，气敏传感片与待测气体接触，待测气体中的目标成分与气敏传感材料发生化学或物理反应，使气敏传感片电极间的阻值发生变化，监测器探头将阻值的模拟量信号传递给监测器主板，首先经调理电路对模拟量进行放大和去噪，再经模数转换模块转变为数字信号进入中央处理单元，中央处理单元通过预置的阻值变化量-浓度换算关系，对阻值的变化量所对应的目标气体浓度进行初步计算，再通过蓝牙将阻值变化量上传至智能终端和网络平台，终端和平台端根据大数据实时修正计算关系，得到更准确目标气体浓度。
所述监测器探头由采集插口、二芯线缆、3.5mm音频公头三部分组成。采集插口可插入规定尺寸范围内的气敏材料传感膜片，3.5mm音频公头接口用于与监测器主体连接。监测器探头支持“即插即用”功能，即不管监测器开机与否，气敏材料传感膜片与监测器探头均可以随时插拔，随时开始和结束监测工作。
所述监测器主体由主体电路板、电池、外壳三部分组成。
监测器主体电路由以下几部分组成：主控制器、监测接口与调理转换电路、AD采集器、DCDC电源管理与电池管理系统、蓝牙模块等。
所述主控制器选用基于ARM内核的STM32F103系列单片机，芯片引脚图如图4所示。；
所述监测接口为7组3.5mm音频四段母座接口，供监测器探头插入连接。
所述AD采集器使用ATT7022B芯片，芯片引脚图如图5所示。
所述DCDC电源管理模块使用XC6206芯片及配套电路，芯片引脚图如图3所示。
所述电池管理模块使用PT6112芯片对采集器内锂电池进行充电管理，芯片引脚图如图3所示。
所述蓝牙模块使用CC2541芯片及配套电路。
采集器探头与气敏材料传感膜片接触，通过信号调理电路施加基准电压，测量得到待测薄膜的分压值的模拟量，并进行简易的滤波处理；
AD转换模块将分压值模拟量转换为数字量，上传给中央处理单元；
中央处理单元将待测薄膜电阻值根据换算关系式转化为待测气体浓度值，通过蓝牙模块将电阻值想上传输给上位机。
下面结合测量步骤与数据流向对本发明作进一步描述。
第一步：开启监测器，监测器绿灯闪烁，表示可以连接。
第二步：开启安卓端监测APP，通过蓝牙连接监测器，进入采集页面，点击“开始采集”，页面显示当前八组通道的示数。
第三步：将待测气敏传感片插入采集器探头，将探头与监测器连接。
第四步：将温湿度探头与监测器连接。
第五步：读取监测APP中目标气体浓度或环境温度、湿度示数。
由于监测探头支持“即插即用”，以上第三步与第四步没有先后顺序，可作为任意步骤执行。
所述监测器的阻值测量电路中设计有参照组，六组通道设立两组参照组，通道一至三共用第一组参照组，通道四至六共用第二参照组。用以抵消电阻阻值误差、电压波动等造成的测量误差。该电路同时设计有人工校准功能，在下位机程序重新烧写后或版载采样电阻更换后，可以进行人工校准。阻值测量原理如图6所示，监测接口与调离滤波电路图如图7所示。其中Ux为基准电压，由电源芯片引出，Rx为待测电阻，Rk为采样电阻，R1和R2为参考电阻。Ux、R1、R2和Rk都是已知量，但为了抵消电阻自身阻值的误差，以及温湿度影响电源芯片造成基准电压误差等情况，本电路采用参照算法进行对待测电阻阻值进行测量。
参照组中两电阻串联分压：
设则有
Ux＝k1U2 (2)
同理测量组中两电阻串联分压：
将式(2)带入，可得待测电阻的阻值计算公式：
在式(3)中，U2和Uk经A/D模块转换后进入单片机，k1和Rk为未知数。校准环节的引入即是为求得这两个未知数的准确值，从而得到精确的待测电阻阻值。
准备两组通过高精度仪器测量的得到已知阻值的待测电阻R′x与R″x，接入测量电路后得到两组分压电压值U′2、U′k与U″2、U″k。代入式(3)中得到二元一次方程组式(4)。联立求解即可得到k1和Rk。
所述校准过程由安卓端APP配合完成，流程如下：
准备工作：监测器开机，除温湿度外的六通道不接任何待测样品。打开安卓平台APP，进入采集页面，此时采集页面出现六通道的示数，待数值稳定(数值可能不准确)即可开始校准。准备校准电阻R1与R2，并与监测器探头的金属弹片连接，确保接触良好。
第一步：将校准电阻R1接入通路一，待监测APP示数稳定后，点击校准，绿灯亮1s，监测APP端显示“第1步结束”；
第二步：将校准电阻R2接入通路一，待监测APP示数稳定后，点击校准，绿灯亮1s，监测APP端显示“第2步结束”。通路一的显示正确的R2阻值。
第三步：将校准电阻R2接入通路二，待监测APP示数稳定后，点击校准，绿灯亮1s，监测APP端显示“第3步结束”。通路二的显示正确的R2阻值。
第四步：将校准电阻R2接入通路三，待监测APP示数稳定后，点击校准，绿灯亮1s，监测APP端显示“第4步结束”。通路三的显示正确的R2阻值。
第五步：将校准电阻R1接入通路四，待监测APP示数稳定后，点击校准，绿灯亮1s，监测APP端显示“第5步结束”；
第六步：将校准电阻R2接入通路四，待监测APP示数稳定后，点击校准，绿灯亮1s，监测APP端显示“第6步结束”。通路四的显示正确的R2阻值。
第七步：将校准电阻R2接入通路五，待监测APP示数稳定后，点击校准，绿灯亮1s，监测APP端显示“第7步结束”。通路五的显示正确的R2阻值。
第八步：将校准电阻R2接入通路六，待监测APP示数稳定后，点击校准，绿灯亮1s，监测APP端显示“校准结束”。通路六的显示正确的R2阻值。
校准结束后，将监测器与监测APP重启，重新查验每组通道在接入R1或R2后电阻值示数是否正确，如正确则表示校准正确。
【实施例2】
按照实施例1所述的条件和步骤，一种便携式多通道气敏传感监测器，包括气敏传感片、监测器探头、监测器主板、监测器外壳、电池，气敏传感片、监测器探头之间通过插槽接触，监测器探头通过线缆与监测器主体相连，监测器内设有蓝牙模块，通过蓝牙技术将监测数据与温湿度值上传至上位机。所述气敏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。所述监测器探头具有镂空外壳保护，使气敏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，用来与气敏传感片上的叉指电极接触导电。所述监测器探头通过带有音频接口的两芯线缆与监测器主体相连，在监测器探头端，两芯线缆分别连接两组四枚的弹性接触电极；在线缆的另一端，通过音频接口与监测器主体连接。所述监测器主体由监测器外壳、监测器主板与电池组成，具有6通道气敏传感采集与温度、湿度监测功能，通过六枚3.5mm音频接口，同时插入5组监测器探头和一组温湿度探头，分别对5种气体及环境温度、湿度进行测量。监测器主体自带可充电电池，通过充电专用micro-USB接口对其充电。所述监测器主板设有至少两颗LED灯，绿灯显示当前工作状态，红灯显示当前充电状态，通过混合导光柱将灯光色彩混合显示。
【实施例3】
按照实施例1所述的条件和步骤，一种便携式多通道气敏传感监测器，包括气敏传感片、监测器探头、监测器主板、监测器外壳、电池，气敏传感片、监测器探头之间通过插槽接触，监测器探头通过线缆与监测器主体相连，监测器内设有蓝牙模块，通过蓝牙技术将监测数据与温湿度值上传至上位机。所述气敏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。所述监测器探头具有镂空外壳保护，使气敏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，用来与气敏传感片上的叉指电极接触导电。所述监测器探头通过带有音频接口的两芯线缆与监测器主体相连，在监测器探头端，两芯线缆分别连接两组四枚的弹性接触电极；在线缆的另一端，通过音频接口与监测器主体连接。所述监测器主体由监测器外壳、监测器主板与电池组成，具有8通道气敏传感采集与温度、湿度监测功能，通过8枚3.5mm音频接口，同时插入7组监测器探头和一组温湿度探头，分别对7种气体及环境温度、湿度进行测量。监测器主体自带可充电电池，通过充电专用micro-USB接口对其充电。所述监测器主板设有两颗LED灯，绿灯显示当前工作状态，红灯显示当前充电状态，通过混合导光柱将灯光色彩混合显示。
【实施例4】
按照实施例1所述的条件和步骤，某种苯气敏材料由于加工技术原因，仅能够沉积在未覆盖叉指电极的柔性基底PET材料薄片上，需要测试其暴露于特定温湿度环境中100h后的响应特性。对于此种情况，如使用某气敏元件测试仪进行测试，需将涂覆有气敏传感材料的薄片使用导电银胶黏在其探头接触电极顶端，导电银胶粘连过程中的使用量会影响其在薄片上的覆盖面积，进而影响到薄片可测电阻值的大小，不能保证变量的可控性。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，保证接触面积为固定参量，对测量精度无干扰影响；2.所述监测器整机体积小巧，具有电池供电和蓝牙无线传输功能，可放置于恒温恒湿试验箱中，满足构造实验环境的条件。
将苯气敏材料薄膜插入所述监测器探头中，所述监测器探头具有镂空外壳保护，使气敏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，用来与气敏材料薄膜接触导电。所述监测器探头通过带有音频接口的两芯线缆与监测器主体相连，在监测器探头端，两芯线缆分别连接两组四枚的弹性接触电极；在线缆的另一端，通过音频接口与监测器主体连接。所述监测器主体由监测器外壳、监测器主板与电池组成，所述监测器主体由监测器外壳、监测器主板与电池组成，具有8通道气敏传感采集与温度、湿度监测功能，通过7枚3.5mm音频接口，同时插入7组监测器探头和一组温湿度探头，分别对5种气体及环境温度、湿度进行测量。监测器主体自带可充电电池，通过充电专用micro-USB接口对其充电。所述监测器主板设有两颗LED灯，绿灯显示当前工作状态，红灯显示当前充电状态，通过混合导光柱将灯光色彩混合显示。
所述监测器通过蓝牙方式将数据无线传输给安卓终端，则可将监测膜片和监测器置于恒温恒湿试验箱中，构造多条件实验环境。分别模拟温度为10℃、20℃、40℃，湿度为20％、60％、90％的9种工作环境，将同批次7片氨气气敏薄膜插入7个监测器探头中，监测器探头插入监测器，将整机置于恒温恒湿试验箱，使监测器处于低功耗待机状态，在100h后使用安卓APP唤醒监测器，对薄膜性能进行测试，得到响应实验数据，以温度40℃、湿度60％为例，见表1。
表1暴露于温度为40℃、湿度为60％空气中100h后的苯气敏薄膜测试数据
由以上数据可知，该种氨气气敏材料薄膜在温度为40℃湿度为60％空气中暴露100h后，基本失去了氨气响应特性，表明该种氨气气敏材料对温湿度环境要求较高。
Claims (9)
1.一种便携式多通道气敏传感监测器，包括气敏传感片、监测器探头、监测器主板、监测器外壳、电池，气敏传感片、监测器探头之间通过插槽接触，监测器探头通过线缆与监测器主体相连，监测器内设有蓝牙模块，通过蓝牙技术将监测数据与温湿度值上传至上位机；监测过程中，气敏传感片与待测气体接触，待测气体中的目标成分与气敏传感材料发生化学或物理反应，使气敏传感片电极间的阻值发生变化，监测器探头将阻值的模拟量信号传递给监测器主板，首先经调理电路对模拟量进行放大和去噪，再经模数转换模块转变为数字信号进入中央处理单元，中央处理单元通过预置的阻值变化量-浓度换算关系，对阻值的变化量所对应的目标气体浓度进行初步计算，再通过蓝牙将阻值变化量上传至智能终端和网络平台，终端和平台端根据大数据实时修正计算关系，得到更准确目标气体浓度。
2.根据权利要求1所述便携式多通道气敏传感监测器，其特征在于所述气敏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所述便携式多通道气敏传感监测器，其特征在于所述监测器探头具有镂空外壳保护，使气敏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所述便携式多通道气敏传感监测器，其特征在于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，用来与气敏传感片上的叉指电极接触导电。
5.根据权利要求1所述便携式多通道气敏传感监测器，其特征在于所述监测器探头通过带有音频接口的两芯线缆与监测器主体相连，在监测器探头端，两芯线缆分别连接两组四枚的弹性接触电极；在线缆的另一端，通过音频接口与监测器主体连接。
6.根据权利要求1所述便携式多通道气敏传感监测器，其特征在于所述监测器主体由监测器外壳、监测器主板与电池组成，具有至少6通道气敏传感采集与温度、湿度监测功能，通过至少六枚3.5mm音频接口，同时插入至少6组监测器探头和一组温湿度探头，分别对至少六种气体及环境温度、湿度进行测量。
7.根据权利要求1所述便携式多通道气敏传感监测器，其特征在于监测器主体自带可充电电池，通过充电专用micro-USB接口对其充电。
8.根据权利要求1所述便携式多通道气敏传感监测器，其特征在于所述监测器主板设有至少两颗LED灯，绿灯显示当前工作状态，红灯显示当前充电状态，通过混合导光柱将灯光色彩混合显示。
9.一种权利要求1～8所述便携式多通道气敏传感监测器的应用，用于气体检测中。
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