CN114577866A - 一种气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体传感器，包括壳体，壳体的顶部设有通孔，用于允许外界气体通入；壳体内设有反应腔，反应腔的顶部设有入口组件，所述入口组件设于通孔的进气方向上，用于允许待测气体通过；所述反应腔内设有电解液以及与所述电解液接触的电极组件，所述壳体的内部与反应腔的外部之间设有一凹位，所述凹位内设置有补偿电阻。本发明通过在壳体的内部与反应腔的外部之间设置一独立的凹位，用于放置补偿电阻，既解决了传感器受温度变化而使输出的电信号误差大的问题，还可以使补偿电阻能更灵敏地感受传感器的温度变化，从而快速进行温度补偿。
Description
技术领域
本发明涉及气体传感器的技术领域，更具体地，涉及一种气体传感器。
背景技术
现有的气体传感器根据检测的气体类型和应用场景的不同，分为不同的类型。其中，主要的类型有半导体气体传感器、催化燃烧气体传感器、电化学气体传感器、光学气体传感器、超声波气体传感器和光电离子探测气体传感器等。
而电化学气体传感器为市场上的占据份额最大，应用最为广泛的一类气体传感器。电化学气体传感器分为原电池式、可控电位电解式、电量式和离子电极式四种类型，主要通过检测不同状态下的电流来检测气体浓度。主要用于有毒气体、氧气和酒精灯气体检测，且主要应用于石油化工、冶金和矿山等行业。
由于电化学气体传感器应用广泛，因此，如何提高电化学气体传感器的性能、降低生产成本，对提高气体传感器的市场占有率具有非常重要的作用。
氧气传感器属于电化学气体传感器的其中一种，主要用于氧气的含量检测。氧气传感器主要分为毛细管式氧气传感器和固态隔膜式氧气传感器。
其中，毛细管式氧气传感器主要测量氧气的浓度。但是，毛细管式氧气传感器对所需测量的氧气浓度的范围有一定的要求，在氧气浓度为0-30％时，氧气浓度与电池信号输出呈线性关系，但当氧气浓度高于30％时会出现偏差，给测量带来困难。
而固态隔膜式气体传感器主要测量氧气的分压。氧气进入传感器的扩散由氧气分压决定。即传感器的输出信号与混合气体中氧气的分压成线性关系，因此，固态隔膜式氧气传感器对氧气浓度不限，其可以测量0-100％范围内的氧气，适用范围更广。
但是，电化学气体传感器对温度的变化比较敏感，通常温度从+20℃变化到–20℃会导致输出信号损失10％。而固态隔膜式气体传感器对温度的变化最敏感，通常20℃的温度变化，就会导致传感器信号输出加倍。因此，如何更灵敏地对温度的变化做出反馈，保证电化学气体传感器的输出信号稳定，对提高检测的精准度具有非常重要的作用。
另外，固态隔膜对气体的阻隔作用远超于毛细管，因此，如何提高电极材料的高催化活性，对确保传感器的长期稳定性和低漂移水平显得尤其重要。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种气体传感器，用于解决如何更灵敏地对外界的温度变化做出反馈，以补偿温度变化对传感器的输出信号带来的误差。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：
一种气体传感器，包括壳体，壳体的顶部设有通孔，用于允许外界气体通入；壳体内设有反应腔，反应腔的顶部设有入口组件，所述入口组件设于通孔的进气方向上，用于允许待测气体通过；所述反应腔内设有电解液以及与所述电解液接触的电极组件，所述壳体的内部与反应腔的外部之间设有一凹位，所述凹位内设置有补偿电阻。
本技术方案中，反应腔为密闭容腔，用于提供待测气体反应的场所，待测气体在反应腔内进行化学反应，产生电信号的变化，通过检测电信号的变化，进而可以计算出待测气体的浓度。具体地，外界气体通过通孔进入壳体，通过设置入口组件，可以限制除待测气体外的其他气体通入，而只允许待测气体通入，从而便于检测待测气体的浓度。补偿电阻的设置可以解决传感器受温度影响导致测得的电信号误差大的问题。具体地，补偿电阻的电阻值会随着温度的变化而变化，通过补偿电阻的阻值变化，可以补偿传感器的电信号误差值，进而可以根据实际的待测气体电压值计算出待测气体的浓度值。
进一步地，本技术方案通过在壳体的内部与反应腔的外部之间设置凹位，以放置补偿电阻，既解决了放置补偿电阻的问题，同时也使得补偿电阻与反应腔的入口组件、电极组件之间的距离更近，进而可以更快速、更灵敏、且更精准地接收温度的变化。
进一步地，所述补偿电阻为热敏电阻。热敏电阻的电阻值随温度的变化而改变，因此，通过热敏电阻的电阻值变化，即可以反映出反映腔的温度变化，也就是外界的温度变化。具体地，该热敏电阻为负温度系数热敏电阻。
在其中一个实施例中，所述凹位由反应腔的底部向反应腔的内部凹陷；所述电极组件和所述凹位之间通过所述反应腔隔开。
本技术方案通过对反应腔内的凹位进行设计，使壳体的整体外形与市面上的传感器壳体的规格一致，同时，在反应腔内设置凹位，还可以使补偿电阻紧贴反应腔设置，使得补偿电阻对反应腔的温度变化反应更灵敏，且不影响待测气体在反应腔内的化学反应。
在其中一个实施例中，所述凹位设置于所述反应腔的侧壁边缘。
通过将凹位设计在反应腔的侧壁边缘，还可以避免凹位的设计对阳极的铅块结构影响过大的问题，其设计更简单，成本更低。
在其中一个实施例中，所述反应腔的下方设有线路板，所述凹位的底部延伸至所述线路板上，所述补偿电阻与所述线路板连接。
本技术方案通过反应腔的下方设置线路板，线路板与补偿电阻连接，可以快速地补偿电阻的阻值信号进行转换。
在其中一个实施例中，所述入口组件包括用于允许待测气体通过的固态隔膜，所述固态隔膜上设置有贵金属层；所述电极组件至少包括阳极。
本技术方案中，待测气体通过固态隔膜后，到达贵金属层，贵金属层的金属特性，可以作为与待测气体进行反应的阴极；且贵金属层还可以作为活性催化剂，加快与待测气体的反应速率；所述阳极用于与待测气体进行反应。
本技术方案中，通过在固态隔膜上设置贵金属层，控制了待测气体的有效扩散；另外，贵金属层还可以作为待测气体进行化学反应的阴极，无需另外增加阴极的设计，因此，其结构更简单，成本也更低，更符合用户所需。
在其中一个实施例中，所述反应腔的底部设有至少两组金属插针，所述金属插针外露于反应腔的底部，且所述金属插针的一端分别连接所述阴极和所述阳极，所述金属插针的另一端连接线路板，用于进行信号传输。
具体地，金属插针的数量与电极的数量对应。
在其中一个实施例中，所述反应腔内设有至少两组导电线，所述导电线的一端分别连接所述阴极和所述阳极，所述导电线的另一端分别连接对应的金属插针，进而通过金属插针连接线路板。
具体地，导电线、电极和金属插针的数量一一对应。
具体地，可以在线路板上设置固定电阻，金属插针与固定电阻连接，传感器输出的电流信号通过固定电阻和补偿电阻产生电势差，从而计算出氧气的浓度。
在其中一个实施例中，所述固态隔膜为含氟隔膜，所述贵金属层通过原子层沉积工艺覆盖于固态隔膜上，且所述贵金属层至少包括两种密度不同的贵金属材料。
原子层沉积的工艺能使贵金属层在固态隔膜上更均匀。贵金属层与固态隔膜共同作用，作为待测气体反应的阴极和催化材料层。通过密度不同的贵金属材料层，可以增加催化材料层的多孔结构，有利于提高氧气通过的速率。另外，不同的贵金属材料层还可以互补对方的缺陷，使贵金属层的催化作用更好。
在其中一个实施例中，所述入口组件的上方还设有防水透气层，所述防水透气层紧贴通孔的底部，且所述防水透气层和入口组件之间设有粘接层。
在其中一个实施例中，所述壳体的底部设有插接口，用于连接外部设备，所述插接口与线路板连接；所述壳体的顶部外壁还设置有用于与外部检测设备密封连接的安装部。
具体地，所述插接口用于与外部的设备、仪表连接，以形成信号传递。
进一步地，本技术方案的气体传感器为氧气传感器，所述的待测气体为氧气。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过在壳体的内部与反应腔的外部之间设置一独立的凹位，用于放置补偿电阻，既解决了传感器受温度变化而使输出的电信号误差大的问题，还可以使补偿电阻能更灵敏地感受传感器的温度变化，从而快速进行温度补偿。
本发明还通过通过在固态隔膜上设置贵金属层，两者共同作用，兼当了待测气体反应的阴极，贵金属层的设置还提高了待测气体的反应速率，加快了反应的进程；并通过在传感器内部设置线路板，使传感器的体积小、集成度高，便于使用。
附图说明
图1为本发明的剖面结构图。
图2为本发明的内部结构示意图。
具体实施方式
本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例公开了一种气体传感器，用于检测氧气的浓度；具体地，该气体传感器为固态隔膜式氧气传感器。
进一步地，该气体传感器包括一壳体，该壳体包括从上到下依次密封连接的顶盖100、第一外壳200和第二外壳300，其中，顶盖100上设有用于允许气体通过的通孔110。第一外壳200内设有反应腔400，反应腔400的顶部设有入口组件410，该入口组件410用于允许氧气通入；具体地，该入口组件410设于通孔的进气方向上。反应腔400内还设有电解液以及与所述电解液接触的电极组件。进一步地，壳体的内部与反应腔400的外部之间还设有一凹位600，具体地，该凹位600设置于反应腔400的侧壁边缘，且由反应腔400的底部向反应腔400内凹陷，这样的设置避免了影响壳体的整体结构，适用性更高。其中，该凹位600与反应腔400相互独立设置；且凹位600内设置有补偿电阻，补偿电阻的阻值会随温度的变化而变化，主要用于补偿温度变化对传感器的输出信号影响。通过在反应腔400设置凹位600，既便于放置补偿电阻，也使补偿电阻与电极组件的距离更接近，更有利于检测氧化反应时的温度变化，且不影响反应腔400的氧化反应。
进一步地，反应腔400顶部的入口组件410包括固态隔膜，固态隔膜用于允许氧气通入；固态隔膜上设置有贵金属层，氧气通过固态隔膜后，到达贵金属层，贵金属层为活性催化层，可以加快氧气的反应速率，加快反应的进程。进一步地，固态隔膜与贵金属层共同作用，可以作为氧气反应的阴极，无需另外设置阴极。而反应腔400内的电极组件包括阳极420，其中，阴极和阳极420之间设有绝缘层430。
进一步地，该贵金属层通过原子层沉积技术沉积于固态隔膜上，使得贵金属层在固态隔膜上更均匀。优选地，该贵金属层至少包括两种密度不同的贵金属材料，通过密度不同的贵金属材料，可以增加贵金属层的多孔结构，有利于提高氧气通过的速率。另外，不同的贵金属材料还可以互补对方的缺陷，使贵金属层的催化作用更好。
进一步地，该入口组件410的上方还设有防水透气层440，防水透气层440紧贴通孔的底部设置，通过防水透气层440可以避免反应腔400内被外界水汽侵蚀。优选地，防水透气层440和入口组件410之间设置有粘接层。
进一步地，第一外壳200的底部设有两组外露的金属插针500，反应腔400内设有两组导电线450，阴极和阳极420分别通过两组导电线450连接与其对应的金属插针500。
进一步地，补偿电阻的底部设置有线路板700，该线路板700与反应腔400底部的金属插针500连接，进而连接阴极和阳极。具体地，可以在线路板700上设置一固定电阻，通过该固定电阻与金属插针500连接，进而连接阴极和阳极，通过传感器输出的电流信号通过固定电阻和补偿电阻产生电势差，从而计算出氧气的浓度。
具体地，该线路板700设置于第二外壳300内，第二外壳300与第一外壳200密封连接，且第二外壳300内还设有用于与外部的设备、仪表连接，以进行信号传递的插接口800，外部的设备、仪表等通过该插接口800与线路板700进行信号传递。
进一步地，顶盖100的外壁还设置有用于与外部检测设备密封连接的安装部，具体地，该安装部可以为密封螺纹结构，通过该密封螺纹结构，以连接外部检测设备，如连接外部的氧气管道等，以检测氧气管道内的氧气浓度。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种气体传感器，其特征在于，包括壳体，壳体的顶部设有通孔，用于允许外界气体通入；壳体内设有反应腔，反应腔的顶部设有入口组件，所述入口组件设于通孔的进气方向上，用于允许待测气体通过；所述反应腔内设有电解液以及与所述电解液接触的电极组件，所述壳体的内部与反应腔的外部之间设有一凹位，所述凹位内设置有补偿电阻。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述凹位由反应腔的底部向反应腔的内部凹陷；所述电极组件和所述凹位之间通过所述反应腔隔开。
3.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述凹位设置于所述反应腔的侧壁边缘。
4.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述反应腔的下方设有线路板，所述凹位的底部延伸至所述线路板上，所述补偿电阻与所述线路板连接。
5.根据权利要求4所述的气体传感器，其特征在于，所述入口组件包括用于允许待测气体通过的固态隔膜，所述固态隔膜上设置有贵金属层；所述电极组件至少包括阳极。
6.根据权利要求5所述的气体传感器，其特征在于，所述反应腔的底部设有至少两组金属插针，所述金属插针外露于反应腔的底部，且所述金属插针的一端分别连接所述阴极和所述阳极，所述金属插针的另一端连接线路板，用于进行信号传输。
7.根据权利要求6所述的气体传感器，其特征在于，所述反应腔内设有至少两组导电线，所述导电线的一端分别连接所述阴极和所述阳极，所述导电线的另一端分别连接对应的金属插针，进而通过金属插针连接线路板。
8.根据权利要求5所述的气体传感器，其特征在于，所述固态隔膜为含氟隔膜，所述贵金属层通过原子层沉积工艺覆盖于固态隔膜上，且所述贵金属层至少包括两种密度不同的贵金属材料。
9.根据权利要求5所述的气体传感器，其特征在于，所述入口组件的上方还设有防水透气层，所述防水透气层紧贴通孔的底部，且所述防水透气层和入口组件之间设有粘接层。
10.根据权利要求4所述的气体传感器，其特征在于，所述壳体的底部设有插接口，用于连接外部设备，所述插接口与线路板连接；所述壳体的顶部外壁还设置有用于与外部检测设备密封连接的安装部。
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