CN111879825B - 气敏传感装置、系统及气体检测方法 - Google Patents

气敏传感装置、系统及气体检测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111879825B
CN111879825B CN202010587693.4A CN202010587693A CN111879825B CN 111879825 B CN111879825 B CN 111879825B CN 202010587693 A CN202010587693 A CN 202010587693A CN 111879825 B CN111879825 B CN 111879825B
Authority
CN
China
Prior art keywords
energy
unit
electric energy
gas sensor
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010587693.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111879825A (zh
Inventor
汪飞
胡玉申
罗安信
牛高强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southwest University of Science and Technology
Original Assignee
Southwest University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southwest University of Science and Technology filed Critical Southwest University of Science and Technology
Priority to CN202010587693.4A priority Critical patent/CN111879825B/zh
Publication of CN111879825A publication Critical patent/CN111879825A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111879825B publication Critical patent/CN111879825B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/122—Circuits particularly adapted therefor, e.g. linearising circuits
    • G01N27/123—Circuits particularly adapted therefor, e.g. linearising circuits for controlling the temperature
    • G01N27/124—Circuits particularly adapted therefor, e.g. linearising circuits for controlling the temperature varying the temperature, e.g. in a cyclic manner
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/32—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from a charging set comprising a non-electric prime mover rotating at constant speed

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Abstract

本发明涉及气敏传感装置、系统及气体检测方法，通过将环境中的能量转换为电能并进行蓄积和输出，然后一方面将电能输送至气敏传感器的采集单元以为采集单元供电，另一方面将电能的电压调制为脉冲电压并输送至气敏传感器的加热单元以为加热单元提供电能，该种对气敏传感器的加热和采集采用分别供能的方式减少了对气敏传感器的加热时间，降低了气敏传感器的整体功耗，并且通过由环境中的能量转换为的电能为气敏传感器供电，解决了采用电池供能所无法避免的电池更换问题。

Description

气敏传感装置、系统及气体检测方法
技术领域
本发明涉及气敏传感技术领域，特别是涉及一种气敏传感装置、系统及气体检测方法。
背景技术
气敏传感技术是一种能够监测环境中特定气体浓度的技术，在环境监控和安全监测等生产生活情境中得到广泛应用。通常需要以网络节点的形式在生产生活环境中分布大量的气敏传感器，从而量化环境中有毒有害气体的浓度，起到预警，降低生命财产损失的重要作用。
通常采用传统电池为各网络节点的气敏传感器提供电能。然而对于需要在特定工作温度下才能达到最佳性能的气敏传感器，由于需要持续供电以对气敏传感器进行加热，功耗过高，通常需要频繁更换电池，维护不便，且会造成环境污染。
发明内容
基于此，有必要提供一种低功耗的气敏传感装置、系统及气体检测方法。
一种气敏传感装置，包括：
能量转换模块，用于采集环境中的能量，并将所述能量转换为电能；
能量管理模块，包括：
储能单元，与所述能量转换模块连接，用于蓄积并输出所述电能；
电路调制单元，与所述储能单元连接，用于将所述电能的电压调制为脉冲电压并输出；
气敏传感器，包括：
加热单元，与所述电路调制单元连接，用于将所述电能转换为热能；
采集单元，与所述储能单元连接，用于采集气体浓度数据。
在其中一个实施例中，所述能量管理模块还包括：
控制单元，分别与所述储能单元、所述电路调制单元、所述采集单元连接，用于在所述储能单元蓄积的所述电能达到电能阈值时控制输出所述储能单元蓄积的所述电能至所述电路调制单元和所述采集单元。
在其中一个实施例中，所述气敏传感装置还包括:
电源模块，与所述控制单元连接；
所述控制单元还用于在所述储能单元蓄积的所述电能未达到电能阈值时，控制输出所述电源模块的电能至所述电路调制单元和所述采集单元。
在其中一个实施例中，所述电路调制单元调制所述电能的电压为脉冲电压包括调制以下至少一项：脉冲周期、脉冲占空比和脉冲幅值。
在其中一个实施例中，
所述采集单元包括：
测试电极，所述测试电极表面覆有气敏材料；
负载电阻，串联在所述测试电极和所述储能单元之间，与所述测试电极共同接收所述储能单元输出的所述电能；
检测电路，与所述负载电阻并联，用于检测并输出所述负载电阻的电压，所述电压对应气体浓度数据；
所述加热单元，环绕于所述测试电极，并与所述电路调制单元连接，所述加热单元用于将所述电路调制单元输出的电能转换为热能。
在其中一个实施例中，所述气敏传感器为半导体型气敏传感器。
在其中一个实施例中，所述能量采集模块包括以下至少一种：
风能发电单元，用于采集环境中的风能；
太阳能发电单元，用于采集环境中的太阳能；
振动能发电单元，用于采集环境中的振动能；
电磁能发电单元，用于采集环境中的电磁能；和
热电发电单元，用于采集环境中的热能。
在其中一个实施例中，所述气敏传感装置还包括：
处理模块，分别与所述能量管理模块和所述采集单元连接；
所述采集单元还用于将所述气体浓度数据传输至所述处理模块，
所述处理模块用于接收并处理所述气体浓度数据。
在其中一个实施例中，所述气敏传感装置还包括：
通信模块，分别与所述能量管理模块和所述处理模块连接，
所述通信模块用于接收并发送处理后的所述气体浓度数据至监控终端。
一种气体检测方法，所述方法包括：
采集环境中的能量，并将所述能量转换为电能；
蓄积并输出所述电能；
将所述电能的电压调制为脉冲电压，并输送至气敏传感器的加热单元；
所述气敏传感器的采集单元采集气体浓度数据。
在其中一个实施例中，所述调制所述电能的电压为脉冲电压包括调制以下至少一项：脉冲周期、脉冲占空比和脉冲幅值。
一种气敏传感系统，包括如上述任一项所述的气敏传感装置。
本发明实施例通过将环境中的能量转换为电能并进行蓄积和输出，然后一方面将电能输送至气敏传感器的采集单元以为采集单元供电，另一方面将电能的电压调制为脉冲电压并输送至气敏传感器的加热单元以为加热单元提供电能，该种对气敏传感器的加热和采集采用分别供能的方式减少了对气敏传感器的加热时间，降低了气敏传感器的整体功耗，并且通过由环境中的能量转换为的电能为气敏传感器供电，解决了采用电池供能所无法避免的电池更换问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统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申请的一些实施例，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为本发明一实施例提供的气敏传感装置的结构框图；
图2a为测试电极与加热电极的耦合结构示意图；
图2b为测试电极的结构示意图；
图2c为加热电极的结构示意图；
图3为脉冲电压与气敏传感器输出的对应关系示意图；
图4为本发明另一实施例提供的气敏传感装置的结构框图；
图5为本发明一实施例中储能单元的内部电路结构示意图；
图6为本发明另一实施例提供的气敏传感装置的结构框图
图7为本发明一实施例中的电磁能量采集器的结构示意图；
图8为本发明另一实施例提供的一种气敏传感装置的结构框图；
图9为本发明另一实施例提供的一种气体检测方法的流程图。
附图标记说明：
100、能量转换模块；200、能量管理模块；210、储能单元；220、电路调制单元；300、气敏传感器；310、采集单元；320、加热单元；230、控制单元；211、储能芯片；110、风能发电单元；120、太阳能发电单元；130、电磁能发电单元；140、振动能发电单元；150、热电发电单元；400、处理模块；500、通信模块；131、电磁能量采集器；1311、压片；1312、丝杆；1313、棘爪；1314、棘轮；1315、磁铁；1316、线圈；1317、导轨；1318、轴承；600、电源模块；
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
图1为本发明一实施例提供的气敏传感装置的结构框图，该气敏传感装置，包括：能量转换模块100，用于采集环境中的能量，并将能量转换为电能；能量管理模块200，包括：储能单元210，与能量转换模块100连接，用于蓄积并输出电能；电路调制单元220，与储能单元210连接，用于将电能的电压调制为脉冲电压并输出；气敏传感器300，包括：加热单元320，与电路调制单元220连接，用于将电能转换为热能；采集单元310，与储能单元210连接，用于采集气体浓度数据。
其中，能量采集模块可采集环境中例如风能、太阳能、电磁能、振动能和热能等自然界能量，然后将该能量转换为电能并传输至能量管理模块200中的储能单元210进行蓄能。储能单元210蓄能的同时还可向气敏传感器300的采集单元310以及电路调制单元220输出电能，气敏传感器300的采集单元310获得电能后开始采集气体浓度数据，电路调制单元220获得电能后将该电能的电压调制为脉冲电压，进而为气敏传感器300的加热单元320提供电能。
气敏传感器300用于检测环境中特定种类的气体的浓度。可为半导体型气敏传感器，该半导体型气敏传感器以金属氧化物作为气敏材料，通过微纳加工工艺制备。气敏传感器300的灵敏度与其工作状态下的温度有关，因此气敏传感器300需利用向其提供的一部分电能以升温到最佳工作温度范围。通常，半导体型气敏传感器工作最佳温度范围为100-300℃。
具体的，一方面储能单元210可直接向气敏传感器300的采集单元310输送直流电压，采集单元310开始采集气体浓度数据；另一方面储能单元210通过电路调制单元220向加热单元320输送脉冲电压，加热单元320产生的热能使采集单元310温度升高。
具体的，脉冲电压可为矩形脉冲电压。可以理解，当脉冲电压为高电平时，气敏传感器300的加热单元320得电，将电能转换为热能，进而扩散至采集单元310使得采集单元310的温度升高，直到采集单元310的温度处于最佳工作温度范围。当脉冲电压为低电平时，气敏传感器300的加热单元320断电，采集单元310的温度开始慢慢降低，但采集单元310的温度下降至最佳温度范围外仍需一段时间，在此期间采集单元310的仍具有高灵敏性。因此，即使加热单元320停止向采集单元310提供热能，采集单元310仍可以在一时间段内采集到准确的气体浓度数据。
在采集单元310的温度降至最佳工作温度范围外后，电路调制单元220又开始向加热单元320提供高电平，进而使采集单元310的温度提高至最佳工作温度范围，直至一段时间后又降为低电平并停止向加热单元320供电，如此反复。相比于持续对加热单元320提供电能进行加热，通过对加热单元320提供脉冲电压可减少耗能，且不影响气敏传感器300的工作性能。经验证，相比于持续为加热单元320进行供能的传统加热方式，采用脉冲电压为加热单元320进行供能的方式能够降低气敏传感器300整体功耗的80％-90％。
本发明实施例通过将环境中的能量转换为电能并进行蓄积和输出，实现自供能，解决了采用电池供能所无法避免的电池更换问题；然后蓄积电能后，一方面将电能输送至气敏传感器的采集单元310以为采集单元310供电，另一方面将电能的电压调制为脉冲电压并输送至气敏传感器的加热单元320以为加热单元320提供电能，减少了对气敏传感器的加热时间，相比于传统方式采用的供电电源持续为气敏传感器供电，该种对气敏传感器的加热和采集采用分别供能的方式降低了气敏传感器的整体功耗。
在一个实施例中，电路调制单元220调制蓄积的电能的电压为脉冲电压包括调制以下至少一项：脉冲周期、脉冲占空比和脉冲幅值。
具体的，脉冲电压可为矩形脉冲电压，一个脉冲周期由高电平输出时间和低电平输出时间组成，在该脉冲周期内，通过合理设置高电平和低电平的输出时间，采集单元310的温度可一直保持在其最佳工作温度范围内。高电平输出时间可为使气敏传感器300的采集单元310达到最佳工作温度范围中的第一温度所需的时间，该温度可为使得采集单元310在达到该温度后其单位时间的温度降幅相比于采集单元310处于最佳工作温度范围中的其它温度时更小；低电平输出时间可为使得采集单元310由第二温度上升至第一温度所需的时间。通过调制脉冲周期即可控制对加热单元320进行加热或停止加热的时间。
脉冲占空比即高电平在一个脉冲周期中所占的比例，改变脉冲占空比即可改变一个脉冲周期中高电平的输出时间，从而改变对加热单元320进行加热或停止加热的时间。
脉冲幅值即输出的高电平幅值，代表高电平的输出能量。当脉冲幅值较高时，加热单元320单位时间转换的热能更多，采集单元310升温速度更快，因此在一个脉冲周期中可缩短高电平输出时间。
脉冲周期、脉冲占空比和脉冲幅值决定了对加热单元320的加热时间，通过调制脉冲周期、脉冲占空比和脉冲幅值中的一项或多项可调整高电平输出时间和低电平输出时间。其中，脉冲高电平时间可为0.1s-20s，脉冲周期可为1s-1000s，脉冲幅值可为1V-50V。
本发明实施例通过调制脉冲电压中脉冲周期、脉冲占空比和脉冲幅值中的至少一者，使得气敏传感器300中的加热单元320接收脉冲电压并将电能转换为热能，进而使得气敏传感器300中的采集单元310升温并保持在最佳工作温度范围，从而提高了气敏传感器300的灵敏性。
在其中一个实施例中，储能单元210与气敏传感器300的采集单元310之间可连接有稳压电路，用于向采集单元310输送稳定的直流电压；电路调制单元220与加热单元320之间可连接有运算放大电路，用于将脉冲电压中的高电平提升至加热单元320的工作电平。
在一个实施例中，采集单元310可包括：测试电极，测试电极表面覆有气敏材料；负载电阻，串联在测试电极和储能单元210之间，与测试电极共同接收储能单元210输出的电能；检测电路，与负载电阻并联，用于检测负载电阻的电压，该电压对应气体浓度数据；加热单元320环绕于测试电极，并与电路调制单元220连接，加热电极用于将电路调制单元220输出的电能转换为热能。
具体的，加热单元320可包括加热电极，加热电极环绕于测试电极，图2a为测试电极与加热电极的耦合结构示意图，图2b为测试电极的结构示意图，图2c为加热电极的结构示意图。其中，测试电极可为插指形状，加热电极被设计为耦合于测试电极的插指形状，用于提高测试电极的温度。测试电极本身处于断路状态，在覆盖气敏材料且没有加热的状况下阻抗极高，而在加热并且感应到检测气体的情况下，测试电极两端的阻抗会迅速降低。
电路调制单元220与加热电极连接，以为加热电极提供电能；储能单元210为测试电极和负载电阻组成的串联电路提供电能，测试电极和负载电阻共同分得储能单元210输出的电压，检测电路检测负载电阻分得的电压，该电压对应于气体浓度数据，进而根据电压与气体浓度的关系，则可得到气体浓度。
如图3所示，以为加热单元320提供的脉冲电压为矩形脉冲电压为例进行说明。在脉冲电压的上升沿时刻，加热单元320接收的脉冲电压变为高电平，气敏传感器300的加热电极的温度开始上升，采集单元310的测试电极阻抗开始降低，串联电路电流增大，测得的负载电阻两端的电压升高。在脉冲电压的下降沿时刻，加热单元320接收的脉冲电压变为低电平，气敏传感器300的加热电极的温度开始下降，采集单元310的测试电极阻抗开始升高，串联电路电流减小，测得的负载电阻两端的电压降低，在脉冲电压为高电平或低电平时，气敏传感器300的采集单元310可采集并输出负载电阻两端的电压，负载电阻两端的电压可用于获取气体浓度数据。
本发明实施例中的采集单元包括插指形状的测试电极以及与测试电极耦合的加热电极，耦合于测试电极的加热电极的结构最大程度覆盖了测试电极，使得测试电极能够有效升温，因而其组成的特殊结构结合负载电阻和检测电路能够提高气体浓度检测的灵敏性。
图4为本发明另一实施例提供的气敏传感装置的结构框图。其中，能量管理模块200还可包括：控制单元230，连接在储能单元210与电路调制单元220之间，并且与采集单元310连接，用于在储能单元210蓄积的电能达到电能阈值时控制输出储能单元210蓄积的电能至电路调制单元220和采集单元310。
能量转换模块100将环境中的能量转换为电能后，进而传输至能量管理模块200中的储能单元210进行蓄能。其中，储能单元210可包括储能芯片211，如图5所示。端口PZ1和PZ2连接能量转换模块100的输出端，以通过PZ1和PZ2进行交流电输入，交流电在芯片内部被桥型整流为直流脉冲，并存储在VIN端口外接的储能电容CSTORAGE中,储能电容CSTORAGE的耐压值可为25V，Cap端口和VIN2端口各外接有电容，用于内部退耦，其中Cap端口外接的电容C1耐压值可为6V，电容量可为1μF，VIN2端口外接的电容C2耐压值可为6V，电容量可为4.7μF。SW端口、VOUT端口及外接的电容C3、电感L组成一个DCDC电源，将VIN的电压提升至所需的输出电压，该输出电压的大小通过D0和D1进行选择。其中，电容C3耐压值可为6V，电容量可为47μF，电感L的感抗可为10μH，PGOOD端口为状态输出，表示VOUT电压输出是否正常。
储能单元210在蓄能的同时，若其电能达到电能阈值，则控制单元230可在储能单元210蓄能的同时控制输出储能单元210蓄积的电能，以为气敏传感器300的采集单元310以及电路调制单元220提供电能。气敏传感器300的采集单元310获得电能后开始采集气体浓度数据，电路调制单元220获得电能后将该电能的电压调制为脉冲电压，进而为气敏传感器300的加热单元320提供电能。
其中，电能阈值可为气敏传感器300在一个脉冲周期内正常工作所需的最小电能值，即电能阈值可为加热单元320和采集单元310在一个脉冲周期所需的电能值，以此保证气敏传感器300能够处于最佳工作温度范围，从而采集到准确的气体浓度数据。
本发明实施例通过将环境中的能量转换为电能并传输至储能单元210进行蓄能，在储能单元蓄积的电能达到电能阈值时向气敏传感器提供电能，以此保证气敏传感器的温度能够达到最佳工作温度范围，从而采集到准确的气体浓度数据。
图6为本发明另一实施例提供的气敏传感装置的结构框图，该气敏传感装置包括：能量转换模块100，用于采集环境中的能量，并将能量转换为电能；能量管理模块200，包括：储能单元210，与能量转换模块100连接，用于蓄积并输出电能；控制单元230，分别与储能单元210和采集模块连接，用于在储能单元210蓄积的电能达到电能阈值时控制输出储能单元210蓄积的电能至电路调制单元220和采集单元310；电路调制单元220，与控制单元230连接，用于将电能的电压调制为脉冲电压并输出；气敏传感器300，包括：加热单元320，与电路调制单元220连接，用于将电能转换为热能；采集单元310，与控制单元230连接，用于采集气体浓度数据。
气敏传感装置可还包括：处理模块400，分别与能量管理模块200和采集单元310连接。具体的，处理模块400连接至能量管理模块200的控制单元230，控制单元230还用于控制输出储能单元210蓄积的电能至处理模块400，采集单元310还用于将气体浓度数据传输至处理模块400，处理模块400用于接收并处理气体浓度数据；以及通信模块500，分别与能量管理模块200和处理模块400连接，具体的，通信模块500连接至能量管理模块200的控制单元230，控制单元230还用于控制输出储能单元210蓄积的电能至通信模块500；通信模块500用于接收并发送处理后的气体浓度数据至监控终端。具体的，处理单元由储能单元210通过控制单元230提供电能，处理单元可包括处理器和/或单片机，用于对气体浓度数据进行模数转换(ADC)和采样，气敏传感器300的采集单元310输出的气体浓度数据可为与气体浓度对应的电压值，通过处理模块400进行数据处理，即可得到对应的气体浓度，进而传输至通信模块500。
通信模块500由储能单元210通过控制单元230提供电能，可包括无线发射电路，通信模块500在接收到处理后的气体浓度数据后利用无线发射电路将处理后的气体浓度数据通过无线通信的方式发送至监控终端。
本发明实施例通过处理模块接收并处理气敏传感器的采集模块采集的气体浓度数据，进而由通信模块将处理后的气体浓度数据发送至监控终端，以此实现对环境中气体的安全监控。
在其中一个实施例中，采集单元310可包括：测试电极，测试电极表面覆有气敏材料；负载电阻，串联在测试电极和储能单元210之间，与测试电极共同接收储能单元210输出的电能；检测电路，与负载电阻并联，用于检测负载电阻的电压，该电压对应气体浓度数据。
处理单元与采集单元310的检测电路连接，用于接收负载电阻的电压，根据负载电阻的电压及负载电阻的阻值，处理单元可计算得到负载电阻和测试电极构成的串联电路的电流，再根据储能单元210输出至采集单元310的电压，然后处理单元则可计算得到测试电极的阻抗，并进而根据测试电极阻抗与气体浓度之间的关系，则可得到气体浓度。
在其中一个实施例中，控制单元230可在储能单元210蓄积的电能达到电能阈值时控制输出储能单元210蓄积的电能至通信模块500、处理模块400。电能阈值可为为通信模块500、处理模块400和气敏传感器300供电所需的最小电能值，使得通信模块500能够完成将处理模块400处理的气敏传感器300在一个脉冲周期内采集到的气体浓度数据发送至监控终端的过程。以此实现对气敏传感器300一个周期的气体浓度数据的监测。
能量转换模块100将环境中的能量转换为电能后，进而传输至能量管理模块200中的储能单元210进行蓄能。若储能单元210在蓄能的同时其电能达到电能阈值，则控制单元230可在储能单元210蓄能的同时控制输出储能单元210蓄积的电能，以为气敏传感器300的采集单元310以及电路调制单元220提供电能。气敏传感器300的采集单元310获得电能后开始采集气体浓度数据，电路调制单元220获得电能后将该电能的电压调制为脉冲电压，进而为气敏传感器300的加热单元320提供电能。
具体的，能量转换模块100可包括以下至少一种：风能发电单元110，用于采集环境中的风能；太阳能发电单元120，用于采集环境中的太阳能；电磁能发电单元130，用于采集环境中的电磁能；振动能发电单元140，用于采集环境中的振动能；和热电发电单元150，用于采集环境中的热能。风能发电单元110、太阳能发电单元120、振动能发电单元140、电磁能发电单元130和/或热电发电单元150中的一种或多种可与储能单元210连接，用于将环境中的相应的自然能量转换为电能并传输至储能单元210。
在其中一个实施例中，电磁能发电单元130可包括电磁能量采集器131，如图7所示。采集器包括了压片1311及与压片连接的丝杆1312，压片用于接收外部环境的振动，进而带动丝杆向下振动，丝杆为螺旋结构，其另一端穿过棘爪1313的中心，当丝杆1312向下振动时，会带动棘爪1313转动。棘爪1313外侧具有凸出部，棘轮1314内部中空且能够与棘爪外侧的凸出部咬合，棘轮上粘贴有八块磁铁1315，材料为铷铁硼，采集器外壳粘贴有四个串联的铜质线圈1316，当棘爪1313转动时会带动棘轮1314转动，相应的八块磁铁1315也转动，穿过铜线圈1316的磁通量就会发生变化，根据电磁感应原理，在闭合电路的外电路以及线圈中就会有电流流动，由此采集器可向外输出电能。当外界振动停止时，压片1311和丝杆1312向上运动反弹至初始位置，此时丝杆1312带动棘爪1313反向转动，导致棘爪1313和棘轮1314脱离咬合状态，棘轮1314继续保持原方向的惯性转动，从而采集器可继续向外输出电能。其中，导轨1317用于保持压片1311和丝杆1312的振动方向；轴承1318用于关联采集器壳体的各层结构。
本发明实施例中的能量转换模块可用于将外部环境中例如太阳能、电磁能、风能、振动能、热能等环境中的自然能量转换为电能，进而为本发明中的气敏传感器、处理模块及通信模块供电，使得通过由环境中的能量转换得到的电能进行供电即可完成气体浓度数据的采集、处理及发送，实现了自供能。
图8为本发明另一实施例提供的一种气敏传感装置的结构框图，该装置还包括：电源模块600，与控制单元230连接；控制单元230还用于在储能单元210蓄积的电能未达到电能阈值时，控制输出电源模块的电能至电路调制单元220和采集单元310。
本发明实施例通过设置一电源模块，在储能单元蓄积的电能未达到电能阈值时，由该电源模块向气敏传感器功能，以此保证气敏传感器能够继续工作，而在储能单元蓄积的电能又达到电能阈值后，将继续由储能单元进行供电，以此缓解电源模块的功耗压力。
图9为本发明另一实施例提供的一种气体检测方法的流程图，该方法包括：
步骤S101,采集环境中的能量，并将能量转换为电能。
具体的，环境中的能量可为环境中的太阳能、振动能、电磁能、热能和风能中的至少一种。调制蓄积的电能的电压为脉冲电压包括调制以下至少一项：脉冲周期、脉冲占空比和脉冲幅值。
步骤S102，蓄积并输出电能。
步骤S103，将电能的电压调制为脉冲电压，并输送至气敏传感器的加热单元。
步骤S104，气敏传感器的采集单元采集气体浓度数据。
具体的，气敏传感器可包括加热单元和采集单元，加热单元用于将电能转换为热能，以此提升采集单元采集的气体浓度数据的工作性能，采集单元用于采集气体浓度数据。其中，输出的电能一部分被调制为脉冲电压为加热单元供能，一部分输送至采集单元为采集单元供能。
在一个实施例中，可在蓄积的电能达到电能阈值时再输出蓄积的电能。
在一个实施例中，该气体检测方法还可包括对气体浓度数据进行处理并通过无线通信的方式将处理后的气体浓度数据发送至监控终端。
在一个实施例中，步骤S120还可包括：在蓄积的电能未达到电能阈值时，由电源模块输出电能。
本发明实施例的气体检测方法通过将环境中的能量转换为电能并进行蓄积和输出，实现了自供能，输出的电能一方面被输送至气敏传感器的采集单元以为采集单元供电，另一方面电能的电压被调制为脉冲电压并输送至气敏传感器的加热单元以为加热单元提供电能，减少了对气敏传感器的加热时间，该种对气敏传感器的加热和采集采用分别供能的方式降低了气敏传感器的整体功耗。另外，通过设置备用电源，以在蓄积的电能未达到电能阈值时能够保证气敏传感器继续工作。
本发明实施例还提供一种气敏传感系统，包括上述任一实施例所述的气敏传感装置，通过将环境中的能量转换为电能并进行蓄积和输出，实现自供能，解决了采用电池供能所无法避免的电池更换问题；然后蓄积电能后，一方面将电能输送至气敏传感器的采集单元以为采集单元供电，另一方面将电能的电压调制为脉冲电压并输送至气敏传感器的加热单元以为加热单元提供电能，减少了对气敏传感器的加热时间，相比于传统方式采用的供电电源持续为气敏传感器供电，该种对气敏传感器的加热和采集采用分别供能的方式降低了气敏传感器的整体功耗。
在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种气敏传感装置，其特征在于，包括：
能量转换模块，用于采集环境中的能量，并将所述能量转换为电能；
能量管理模块，包括：
储能单元，与所述能量转换模块连接，用于蓄积并输出所述电能；
电路调制单元，与所述储能单元连接，用于将所述电能的电压调制为脉冲电压并输出；
所述将所述电能的电压调制为脉冲电压包括调制脉冲周期、脉冲占空比和脉冲幅值中至少一项；一个所述脉冲周期由高电平输出时间和低电平输出时间组成；
气敏传感器，包括：
加热单元，与所述电路调制单元连接，用于将所述电能转换为热能；所述加热单元产生的热能使采集单元温度升高；
采集单元，与所述储能单元连接，用于采集气体浓度数据。
2.根据权利要求1所述的气敏传感装置，其特征在于，所述能量管理模块还包括：
控制单元，分别与所述储能单元、所述电路调制单元、所述采集单元连接，用于在所述储能单元蓄积的所述电能达到电能阈值时控制输出所述储能单元蓄积的所述电能至所述电路调制单元和所述采集单元。
3.根据权利要求2所述的气敏传感装置，其特征在于，所述气敏传感装置还包括:
电源模块，与所述控制单元连接；
所述控制单元还用于在所述储能单元蓄积的所述电能未达到电能阈值时，控制输出所述电源模块的电能至所述电路调制单元和所述采集单元。
4.根据权利要求1所述的气敏传感装置，其特征在于，
所述采集单元包括：
测试电极，所述测试电极表面覆有气敏材料；
负载电阻，串联在所述测试电极和所述储能单元之间，与所述测试电极共同接收所述储能单元输出的所述电能；
检测电路，与所述负载电阻并联，用于检测并输出所述负载电阻的电压，所述电压对应气体浓度数据；
所述加热单元，环绕于所述测试电极，并与所述电路调制单元连接，所述加热单元用于将所述电路调制单元输出的电能转换为热能。
5.根据权利要求1所述的气敏传感装置，其特征在于，所述气敏传感器为半导体型气敏传感器。
6.根据权利要求1所述的气敏传感装置，其特征在于，所述能量采集模块包括以下至少一种：
风能发电单元，用于采集环境中的风能；
太阳能发电单元，用于采集环境中的太阳能；
振动能发电单元，用于采集环境中的振动能；
电磁能发电单元，用于采集环境中的电磁能；和
热电发电单元，用于采集环境中的热能。
7.根据权利要求1所述的气敏传感装置，其特征在于，所述气敏传感装置还包括：
处理模块，分别与所述能量管理模块和所述采集单元连接；
所述采集单元还用于将所述气体浓度数据传输至所述处理模块，
所述处理模块用于接收并处理所述气体浓度数据。
8.根据权利要求7所述的气敏传感装置，其特征在于，所述气敏传感装置还包括：
通信模块，分别与所述能量管理模块和所述处理模块连接，
所述通信模块用于接收并发送处理后的所述气体浓度数据至监控终端。
9.一种气体检测方法，其特征在于，所述方法包括：
采集环境中的能量，并将所述能量转换为电能；
蓄积并输出所述电能；
将所述电能的电压调制为脉冲电压，并输送至气敏传感器的加热单元；所述将所述电能的电压调制为脉冲电压包括调制脉冲周期、脉冲占空比和脉冲幅值中至少一项；一个所述脉冲周期由高电平输出时间和低电平输出时间组成；所述加热单元产生的热能使采集单元温度升高；
所述气敏传感器的采集单元采集气体浓度数据。
10.一种气敏传感系统，其特征在于，包括：
如权利要求1-8任一项所述的气敏传感装置。
CN202010587693.4A 2020-06-24 2020-06-24 气敏传感装置、系统及气体检测方法 Active CN111879825B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010587693.4A CN111879825B (zh) 2020-06-24 2020-06-24 气敏传感装置、系统及气体检测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010587693.4A CN111879825B (zh) 2020-06-24 2020-06-24 气敏传感装置、系统及气体检测方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111879825A CN111879825A (zh) 2020-11-03
CN111879825B true CN111879825B (zh) 2023-05-12

Family

ID=73156598

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010587693.4A Active CN111879825B (zh) 2020-06-24 2020-06-24 气敏传感装置、系统及气体检测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111879825B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113097588A (zh) * 2021-03-31 2021-07-09 珠海冠宇电池股份有限公司 一种电池
CN113267535A (zh) * 2021-07-21 2021-08-17 深圳盛方科技有限公司 一种智能气体识别方法及其装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101656492A (zh) * 2009-09-09 2010-02-24 中国科学院电工研究所 电气设备状态监测无线传感系统杂散能供电方法和装置
CN105656167A (zh) * 2016-03-16 2016-06-08 苏州大学 基于振动能量采集器的无源无线传感器节点电源电路
CN207442719U (zh) * 2017-11-27 2018-06-01 浙江三花智能控制股份有限公司 能量捕获传感器、振动发电装置和车载检测系统
CN109004640A (zh) * 2018-07-18 2018-12-14 电子科技大学 一种自供能系统和工作方法
CN208937194U (zh) * 2018-08-17 2019-06-04 全球能源互联网研究院有限公司 一种面向电力设备温度在线监测的无源点测温装置
CN109964243A (zh) * 2016-09-20 2019-07-02 通用电气公司 用于环境感测的系统和方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150233241A1 (en) * 2014-02-14 2015-08-20 Rockwell Automation Asia Pacific Business Center Pte. Ltd. Energy harvesting system for remote monitoring devices

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101656492A (zh) * 2009-09-09 2010-02-24 中国科学院电工研究所 电气设备状态监测无线传感系统杂散能供电方法和装置
CN105656167A (zh) * 2016-03-16 2016-06-08 苏州大学 基于振动能量采集器的无源无线传感器节点电源电路
CN109964243A (zh) * 2016-09-20 2019-07-02 通用电气公司 用于环境感测的系统和方法
CN207442719U (zh) * 2017-11-27 2018-06-01 浙江三花智能控制股份有限公司 能量捕获传感器、振动发电装置和车载检测系统
CN109004640A (zh) * 2018-07-18 2018-12-14 电子科技大学 一种自供能系统和工作方法
CN208937194U (zh) * 2018-08-17 2019-06-04 全球能源互联网研究院有限公司 一种面向电力设备温度在线监测的无源点测温装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN111879825A (zh) 2020-11-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Newell et al. Review of power conversion and energy management for low-power, low-voltage energy harvesting powered wireless sensors
US11223300B2 (en) Energy-harvesting sensor system and method therefor
CN111879825B (zh) 气敏传感装置、系统及气体检测方法
CN105656167B (zh) 基于振动能量采集器的无源无线传感器节点电源电路
CA3026915A1 (en) A system and method utilizing displacement current for increasing the energy efficiency of a circuit, device, and system, and time rate while charging an electrical component, system, memory, or device
Chew et al. Power management circuit for wireless sensor nodes powered by energy harvesting: On the synergy of harvester and load
Teng et al. A nano-power wake-up circuit for energy-driven iot applications
CN204333983U (zh) 无线测温传感器用供电装置
CN216959367U (zh) 便携式储能装置
Wen et al. Hysteresis controlled MPPT for piezoelectric energy harvesting
Barnabei et al. An improved ultra-low-power wireless sensor-station supplied by a photovoltaic harvester
CN204168143U (zh) 高频隔离型光伏控制器
CN202928700U (zh) 一种高压母线温度监控装置
CN217055660U (zh) 一种带风扇故障检测的风扇控制器
CN208498260U (zh) 一种电动车用超级电容的无线充电系统
CN211127267U (zh) 储能供电控制系统
CN213514334U (zh) 空调机组
Pérez et al. An Energy-Efficient Current Measurement Method for Wireless Sensors
CN216052704U (zh) 一种末端电质量监控及远程电路开关控制系统
CN212432212U (zh) 一种户用式逆变器的分布式数据采集终端
CN209043982U (zh) 用于光伏箱变智能监控装置的电气量采集电路
CN117833426A (zh) 基于温差发电的无源传感系统
Companhoni et al. Development of a Wireless Current Measurement Sensor Node for IoT Applications
CN118010184A (zh) 无线测温传感器电路
CN113630003B (zh) 一种基于伪负载调节稳压的能量采集控制系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant