CN116754631A - 一种pid传感器的自参考校准结构及自参考校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了PID传感器技术领域中的一种PID传感器的自参考校准结构及自参考校准方法，该自参考校准结构包括与待检测环境连通的第一检测空间和第二检测空间；每个检测空间内设有对应的检测电极组，且第一检测空间还可接收紫外灯发出的光线，将待测气体光致电离产生探测信号，与待测气体浓度相关；第二检测空间无紫外光照射，用于产生自参考信号，与待测气体浓度无关。通过对探测信号和自参考信号的进行比较运算，消除干扰因素对待测气体浓度测量结果的影响，达到自参考校正目标。本发明可以有效降低待检测环境中湿度等因素对于目标气体浓度探测结果的干扰，有利于推广应用。

Description

一种PID传感器的自参考校准结构及自参考校准方法

技术领域

本发明涉及PID传感器技术领域，具体的说，是涉及一种PID传感器的自参考校准结构及自参考校准方法。

背景技术

光离子化传感器(PID传感器)是应用最广泛的气体检测技术之一，PID传感器是检测环境空气中的各种挥发性有机化合物(VOC)最有效的方式之一，其具有极快的响应速度和极高的分辨率，在环境保护、石油化工等方面应用广泛。PID传感器采用紫外灯(UV)光源将检测空间的有机化合物(VOC)光致电离成可被检测的正负离子(离子化)，在电离产生的电子和带正电的离子在电场作用下，形成微弱电流，接着通过检测电流强度来计算待测物质的含量。最后检测器测量离子化气体的电荷，并将其转化为电流信号，电流被放大并通过相应的算法转换，从而可得出气体的浓度值。

在PID传感器进行气体浓度监测过程中，待检测环境难免包含水蒸气等环境干扰因素，而水蒸气的存在影响了PID传感器的电平信号，进而导致了PID传感器产生零点漂移，影响气体检测准确性。为了避免水蒸气对于PID传感器检测准确性的影响，现有技术需要在PID传感器中增加除湿结构，例如授权公告号为CN212483331U的专利公开了一种新型具有除湿结构的PID传感器系统，其需要在气室外壳内增加湿度传感器，并与内部设置与处理器连接的加热片。在实现过程中，遇到湿度较大的环境时，处理器控制加热片加热，以降低环境的湿度。但是此类结构无疑大大增加了传感器的体积，对于现有对传感器标准尺寸有严格限制的环境难以得到推广应用。

另外，还可以在处理器内部增加湿度补偿算法的方式减少水蒸气的干扰，如申请公布号为CN103424465A的专利公开了一种智能PID传感器模块，其在离子化气室的内部或气体进出口设置温湿度传感器，用于检测被测气体的温湿度，并于微处理器内设置相应的补偿参数，在数据处理过程中对湿度影响进行补偿即可。但是此方法需要微处理器内设置复杂的湿度补偿算法，系统设计成本较高；且额外增加的传感器也会增加整个PID传感器的成本和模块的体积。

上述缺陷，值得解决。

发明内容

为了克服现有的技术的不足，本发明提供一种PID传感器的自参考校准结构及自参考校准方法，其可以实现待检测环境中水蒸气等干扰因素产生一个自参考信号，进而与探测信号进行比对，去除了水蒸气对于浓度探测结果的干扰，且不会增加整个传感器的体积，系统处理电路设计也较为简单，有利于推广应用。

本发明技术方案如下所述：

一方面，一种PID传感器的自参考校准结构，其特征在于，包括：

与待检测环境连通的第一检测空间，所述第一检测空间内设有第一检测电极组；

与待检测环境连通的第二检测空间，所述第二检测空间内设有第二检测电极组；

紫外灯，所述紫外灯与所述第一检测空间位置对应，使其发出的紫外光线照射至所述第一检测空间内；

所述第一检测电极组连接探测信号采集电路，并检测所述第一检测空间的气体浓度；所述第二检测电极组连接自参考信号采集电路，并检测所述第二检测空间的自参考信号；通过比较运算所述第一检测空间的探测信号与所述第二检测空间的自参考信号，得到所述待检测环境的待测气体的浓度。

根据上述方案的本发明，其特征在于，所述第一检测空间通过透光孔与所述紫外灯所在空间连通，使得所述紫外灯发出的光线直接照射至所述第一检测空间；

所述第二检测空间的内侧壁实心，使得所述第二检测空间与所述紫外灯所在空间隔离。

根据上述方案的本发明，其特征在于，所述第一检测电极组和所述第二检测电极组结构参数相同的结构参数；

所述第一检测电极组与所述第二检测电极组呈轴对称分布，或所述第一检测电极组与所述第二检测电极组呈中心对称分布。

根据上述方案的本发明，其特征在于，所述第一检测电极组、所述第二检测电极组均包括第一检测电极片和第二检测电极片；

所述第一检测电极片包括第一电极主体和伸入所述第一检测空间内的第一电极条；所述第二检测电极片包括第二电极主体和伸入所述第二检测空间内的第二电极条；

所述第一电极条与所述第二电极条相互间隔形成电极对。

进一步的，所述第一检测电极片上设有第一切边，使得所述第一电极条的厚度大于所述第一电极主体的厚度。

进一步的，所述第二检测电极片上设有第二切边，使得所述第二电极条的厚度大于所述第二电极主体的厚度。

进一步的，所述第二电极条包括相对的第二电极条电极单边一、第二电极条电极单边二，所述第二电极条电极单边一、所述第二电极条电极单边二相互间隔形成用于容纳所述第一电极条的电极条插入区，使得所述第一电极条的两侧分别与所述第二电极条电极单边一、所述第二电极条电极单边二相对。

根据上述方案的本发明，其特征在于，PID传感器包括传感器主体以及位于传感器主体内的电路板、所述紫外灯、盖体，所述第一检测电极组和所述第二检测电极组置于所述盖体内，且所述盖体用于提供所述第一检测空间、所述第二检测空间。

进一步的，所述盖体包括上盖本体、下盖本体，所述上盖本体与所述下盖本体可拆卸连接。

另一方面，一种PID传感器的自参考校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、系统处理电路驱动紫外灯发光，且紫外光线照射第一检测空间；

S2、通过第一检测电极组获取第一检测空间的探测信号强度，通过第二检测电极组获取第二检测空间的自参考信号强度；

S3、系统处理电路将第一检测电极组的探测信号强度与第二检测电极组的自参考信号强度进行比较运算，获得去除干扰因素后的待检测环境中待检测气体的浓度。

根据上述方案的本发明，其有益效果在于：

本发明通过第一检测电极组检测第一检测空间的气体浓度，并与第二检测电极组检测的第二检测空间的干扰信号进行对比，形成自参考校正，去除待检测环境中干扰因素(如水蒸气)的影响，使得气体浓度探测结果不会受到检测环境中干扰因素的影响，保证了气体浓度探测的准确性。

本发明中第一检测电极组与第二检测电极组位于同一盖体空间内，通过对盖体空间的充分利用，减少了额外设置湿度传感器等占用的空间，即便系统处理电路需要通过另外一对导电柱与第二检测电极组连接，也仅充分利用的传感器内部的空间，无需对传感器外部进行占用，保证了PID传感器的小型化设计。

本发明的系统处理电路接收到第一检测电极组与第二检测电极组的两个数据后，进行简单的数据计算(如差分运算等方式)即可去除环境中水蒸气等因素的干扰，计算过程简单，无需复杂的算法即可实现，有利于成本的降低。

附图说明

图1为本发明中上盖与检测电极组安装后的示意图；

图2为本发明中下盖的示意图；

图3为本发明中第一检测电极片的结构示意图；

图4为本发明中第一检测电极片的平面结构示意图；

图5为本发明中第二检测电极片的结构示意图；

图6为本发明中第二检测电极片的平面结构示意图；

图7为本发明的实现原理示意图。

在图中，各个附图标号为：

10、上盖本体；11、第一光离子腔室；121、第一透气孔；122、第二透气孔；131、第一定位柱；132、第二定位柱；141、第一限位凸起；142、第二限位凸起；

20、下盖本体；21、第二光离子腔室；221、第一透光孔；222、第二透光孔；231、第一定位孔；232、第二定位孔；241、第一电极穿孔；242、第二电极穿孔；

30、第一检测电极片；31、第一电极主体；32、第一电极条；33、第一电极定位孔；34、第一电极限位槽；35、第一电极接触位；36、第一切边；

40、第二检测电极片；41、第二电极主体；421、第二电极条电极单边一；422、第二电极条电极单边二；423、电极条插入区；43、第二电极定位孔；44、第二电极限位槽；45、第二电极接触位；46、第二切边。

具体实施方式

下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述：

如图1至图7所示，本发明为了消除水蒸气等干扰因素对于PID传感器探测灵敏度的影响，并降低系统设计难度，减少占用的产品空间，提供了一种PID传感器的自参考校准结构及自参考校准方法，通过自参考的方式对干扰因素的浓度进行消除，保证了气体检测的准确性。

在气体探测及数据处理过程中，采用已有的探测方法即可。本发明在此基础上增加与之相对应的自参考区域。具体的，一种PID传感器的自参考校准结构，包括第一检测空间、第二检测空间、紫外灯以及系统处理电路，第一检测空间、第二检测空间均与待检测环境连通，用于实现待检测环境的气体检测。其中：

系统处理电路包含探测信号采集电路、自参考信号采集电路以及比较运算电路。探测信号采集电路用于驱动所连接电极实现气体浓度检测，自参考信号采集电路用于驱动所连接电极实现干扰因素检测后的自参考信号生成，比较运算电路用于实现两个信号的比较运算，进而得到待检测环境中待测气体的浓度分析。

紫外灯与系统处理电路连接并接受系统处理电路的驱动，其与第一检测空间位置对应，使其发出的紫外光线照射至第一检测空间内，以使得第一检测空间内的待检测气体(有机化合物VOC)电离形成带正电荷的离子和带负电荷的电子。

第一检测空间内设有与测信号采集电路连接的第一检测电极组，用于使得第一检测空间内电离产生的电子和带正电的离子在电场作用下形成微电流，进而转化形成电压信号(以通过检测电流强度来反映该物质的含量)；第二检测空间内设有与自参考信号采集电路连接的第二检测电极组，用于将待检测环境中的干扰因素(例如水蒸气)浓度信息转化形成自参考信号；

系统处理电路(指的是测信号采集电路)与第一检测电极组连接，并通过第一检测电极组检测第一检测空间的气体浓度；系统处理电路(指的是自参考信号采集电路)与第二检测电极组连接，并通过第二检测电极组检测第二检测空间的干扰因素生成的自参考信 号；同时系统处理电路(指的是比较运算电路)还通过对比第一检测空间的气体浓度信号与第二检测空间的干扰因素形成的自参考信号，得到待检测环境的待测气体的浓度。

自参考的实现原理为：理想状态下待检测环境无水蒸气等因素的影响，第二检测空间内的第二检测电极组之间无参考电压(即参考电压为0)产生，在系统处理电路进行数据处理过程中，由第一检测电极组得到的参考电压转化形成的气体浓度数据即为待检测环境中待检测气体的浓度。如待检测环境中具有影响检测结果的水蒸气，会于第二检测电极组之间形成参考电压(即生成自参考信号)，系统处理电路进行数据处理过程中，将第一检测电极组探测的信号与第二检测电极组探测的数据进行数据处理(比较运算)，即可得到去除水蒸气干扰后的待检测气体的浓度值。

数据处理电路在对第一检测电极组与第二检测电极组的数据进行分析的过程中，可以将两者数据进行差分运算获得校准后的气体浓度值，也可以通过其他运算方式获得校准后的气体浓度值，本发明不对具体运算过程进行限定。

为了保证第一检测电极组测得的数据与第二检测电极组测得的数据仅受到水蒸气等干扰因素的影响，本发明中的第一检测电极组与第二检测电极组具有相同的结构参数，其区别仅在于两者所处的检测空间(即第一检测空间与第二检测空间)是否受到紫外灯的照射(紫外灯发出的光线直接照射至第一检测空间，紫外光线不照射至第二检测空间)。在实现过程中，第一检测电极组与第二检测电极组呈轴对称分布，第一检测电极组与第二检测电极组还可以呈中心对称分布，具体根据系统处理电路的电路布局进行选择即可。

PID传感器为实现气体探测的硬件支撑主体，PID传感器包括传感器主体以及位于传感器主体内的电路板、紫外灯、盖体，第一检测电极组和第二检测电极组置于盖体内，且盖体用于提供第一检测空间、第二检测空间。

在本实施例中，盖体包括上盖本体10、下盖本体20，上盖本体10与下盖本体20可拆卸连接。在其他实施例中，盖体还可一体设计，预留供第一检测电极组、第二检测电极组插入的空间。具体设计可根据需要进行不同的选择，后续实施例以上盖本体10、下盖本体20的可拆卸连接为基础进行介绍。

在本实施例中，上盖本体10上设有凹陷的两个第一光离子腔室11，下盖本体20上设有凹陷的两个第二光离子腔室21，一个第二光离子腔室21与位置对应的第一光离子腔室11拼合形成第一检测空间，另一第二光离子腔室21与位置对应的第一光离子腔室11拼合形成第二检测空间。

盖体上设有与待检测环境连通的透气孔，使得该第一检测空间和第二检测空间均与外界的待检测环境连通。在一个具体的实施例中，上盖本体10行设有第一透气孔121、第二透气孔122，其中第一透气孔121位于第一光离子腔室11的一端，第二透气孔122位于第二光离子腔室21的另一端，第一透气孔121、第二透气孔122相互配合，实现待检测环境内待检测气体顺利流入第一检测空间(第二检测空间)内。

优选的，第一光离子腔室11和第二光离子腔室21均呈圆形，第一透气孔121和第二透气孔122为带有凸起弧形边的通孔。

为了实现上盖本体10与下盖本体20的连接，本实施例中的上盖本体10设有定位柱，下盖本体20上设有与定位柱位置对应的定位孔，定位柱与定位孔扣合使得上盖本体10于下盖本体20扣合连接。在实现上盖本体10与下盖本体20连接时，定位柱穿过检测电极组上的定位孔后与对应的定位柱连接，以实现将检测电极组固定于上盖本体10和下盖本体20之间的目的。

以图1、图2、图4、图6所示，以与第一检测电极组对应的位置为例进行介绍，上盖本体10上设有第一定位柱131、第二定位柱132，下盖本体20上设有第一定位孔231、第二定位孔232，第一检测电极组中的第一检测电极片30上设有第一电极定位孔33，第一检测电极组的第二检测电极片40上设有第二电极定位孔43。第一定位柱131穿过第一电极定位孔33后与第一定位孔231连接，第二定位柱132穿过第二电极定位孔43后与第二定位孔232连接。与第二检测电极组对应的位置与上述类似，此处不再赘述。

优选的，第一定位柱131和第二定位柱132均呈长方形，且第一定位柱131的长度方向与第二定位柱132的长度方向不同，可以方便进行第一检测电极片30和第二检测电极片40的防呆定位。

另外，为了进一步节省盖体内电极片所占用的空间，上盖本体10内设有用于容纳第一检测电极组的凹槽、用于容纳第二检测电极组的凹槽。在安装时，先将第一检测电极组、第二检测电极组放置于对应的凹槽内，再实现上盖本体10与下盖本体20的连接，减少了上盖本体10、下盖本体20以及两个检测电极组所占用的厚度。

优选的，凹槽的侧壁设有凸出的限位凸起，第一检测电极组和第二检测电极组上设有与限位凸起位置对应的限位槽。具体的，以第一检测电极组为例进行说明，与第一检测电极组中第一检测电极片30位置对应的凹槽侧边设有第一限位凸起141，第一检测电极片30上设有第一电极限位槽34，第一电极限位槽34与第一限位凸起141位置对应；与第一检测电极组中第二检测电极片40位置对应的凹槽侧边设有第二限位凸起142，第二检测电极片40上设有第二电极限位槽44，第二电极限位槽44与第二限位凸起142位置对应。

为了保证第一检测空间内的待检测气体可以在紫外光照射下电离形成正负离子，本发明中下盖本体20上设有与第一检测空间、紫外灯共线的透光孔，而由于第二检测空间无需接收紫外光照射，故下盖本体20上可以选择是否开设透光孔。即：第一检测空间通过透光孔与紫外灯所在空间连通，使得紫外灯发出的光线直接照射至第一检测空间，第二检测空间的内侧壁实心，使得第二检测空间与紫外灯所在空间隔离；或，第一检测空间和第二检测空间均通过透光孔与紫外灯所在空间连通，且与第一检测空间连通的透光孔正对紫外灯，与第二检测空间连通的透光孔背离紫外灯。

如图3至图6所示，本发明中的第一检测电极组、第二检测电极组均包括第一检测电极片30和第二检测电极片40，第一检测电极片30包括第一电极主体31和伸入第一检测空间内的第一电极条32，第二检测电极片40包括第二电极主体41和伸入第二检测空间内的第二电极条，第一电极条32与第二电极条相互间隔形成电极对。

以第一检测电极组为例，下盖本体20上还设有第一电极穿孔241、第二电极穿孔242，其中：第一电极穿孔241与第一检测电极片30上的第一电极接触位35对应，使得电路板上的一个导电柱(弹性导电柱)穿过第一电极穿孔241后与第一检测电极片30上的第一电极接触位35接触，以实现电路连通；第二电极穿孔242与第二检测电极片40上的第二电极接触位45对应，使得电路板上的另一个导电柱(弹性导电柱)穿过第二电极穿孔242后与第二检测电极片40上的第二电极接触位45接触，以实现电路连通。

在一个优选实施例中，用于接收待检测气体电离后产生的正负离子的第一检测电极片30和第二检测电极片40厚度增加，以尽可能增加接收正负离子的能力。故第一检测电极片30上设有第一切边36，使得第一电极条32的厚度大于第一电极主体31的厚度；第二检测电极片40上设有第二切边46，使得第二电极条的厚度大于第二电极主体41的厚度。

上述的第一切边36和第二切边46均可由加工完毕的第一检测电极片30和第二检测电极片40冲切形成。具体的，冲切形成第一切边36后，第一电极条32的厚度大于第一电极主体31的厚度；冲切形成第二切边46后，第二电极条的厚度大于第二电极主体41的厚度。

为了充分利用第一检测空间、第二检测空间内的待检测气体，进一步提高检测精度，本发明中的第二电极条包括相对的第二电极条电极单边一421、第二电极条电极单边二422，第二电极条电极单边一421、第二电极条电极单边二422相互间隔形成用于容纳第一电极条32的、U形的电极条插入区423，使得第一电极条32的两侧分别与第二电极条电极单边一421、第二电极条电极单边二422相对。基于此，如图4、图5所示，为了减少第二检测电极片40的体积，尽可能多的冲切出边料，本实施例中的第二切边46也呈U字形。

另外，与第一检测空间位置对应的下盖本体20上第一透光孔221和第二透光孔222，第一透光孔221位于第二电极条电极单边一421与第一电极条32之间，第二透光孔222位于第二电极条电极单边二422与第一电极条32之间，进一步充分利用的紫外灯的光源能领，且能够保证第一检测电极片与第二检测电极片之间电离后电流的稳定。

本发明还提供一种PID传感器的自参考校准方法，包括以下步骤：

S1、系统处理电路驱动紫外灯发光，且紫外光线照射第一检测空间。

S2、通过第一检测电极组获取第一检测空间的探测信号强度，通过第二检测电极组获取第二检测空间的自参考信号强度。在本步骤中，获取第一检测空间的探测信号强度与获取第二检测空间的自参考信号强度可同时进行，也可先后进行，具体根据电路设计可以选择。

S3、系统处理电路将第一检测电极组的探测信号强度与第二检测电极组的自参考信号强度进行比较运算，获得去除干扰因素后的待检测环境中待检测气体的浓度。

本发明可以通过PID传感器自身的结构调整达到自参考进行校准的目的，无需增设其他的湿度传感器以及复杂的电路、软件设计，整个系统可以在最简化的结构设计上达到去除水蒸气等干扰因素的影响，充分保证待测气体浓度检测的精度。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

上面结合附图对本发明专利进行了示例性的描述，显然本发明专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种PID传感器的自参考校准结构，其特征在于，包括：

与待检测环境连通的第一检测空间，所述第一检测空间内设有第一检测电极组；

与待检测环境连通的第二检测空间，所述第二检测空间内设有第二检测电极组；

紫外灯，所述紫外灯与所述第一检测空间位置对应，使其发出的紫外光线照射至所述第一检测空间内；

所述第一检测电极组连接探测信号采集电路，并检测所述第一检测空间的气体浓度；所述第二检测电极组连接自参考信号采集电路，并检测所述第二检测空间的自参考信号；通过比较运算所述第一检测空间的探测信号与所述第二检测空间的自参考信号，得到所述待检测环境的待测气体的浓度。

2.根据权利要求1所述的PID传感器的自参考校准结构，其特征在于，所述第一检测空间通过透光孔与所述紫外灯所在空间连通，使得所述紫外灯发出的光线直接照射至所述第一检测空间；

所述第二检测空间的内侧壁实心，使得所述第二检测空间与所述紫外灯所在空间隔离。

3.根据权利要求1所述的PID传感器的自参考校准结构，其特征在于，所述第一检测电极组和所述第二检测电极组结构参数相同；

所述第一检测电极组与所述第二检测电极组呈轴对称分布，或所述第一检测电极组与所述第二检测电极组呈中心对称分布。

4.根据权利要求1所述的PID传感器的自参考校准结构，其特征在于，所述第一检测电极组、所述第二检测电极组均包括第一检测电极片和第二检测电极片；

所述第一检测电极片包括第一电极主体和伸入所述第一检测空间内的第一电极条；所述第二检测电极片包括第二电极主体和伸入所述第二检测空间内的第二电极条；

所述第一电极条与所述第二电极条相互间隔形成电极对。

5.根据权利要求4所述的PID传感器的自参考校准结构，其特征在于，所述第一检测电极片上设有第一切边，使得所述第一电极条的厚度大于所述第一电极主体的厚度。

6.根据权利要求4所述的PID传感器的自参考校准结构，其特征在于，所述第二检测电极片上设有第二切边，使得所述第二电极条的厚度大于所述第二电极主体的厚度。

7.根据权利要求4所述的PID传感器的自参考校准结构，其特征在于，所述第二电极条包括相对的第二电极条电极单边一、第二电极条电极单边二，所述第二电极条电极单边一、所述第二电极条电极单边二相互间隔形成用于容纳所述第一电极条的电极条插入区，使得所述第一电极条的两侧分别与所述第二电极条电极单边一、所述第二电极条电极单边二相对。

8.根据权利要求1所述的PID传感器的自参考校准结构，其特征在于，PID传感器包括传感器主体以及位于传感器主体内的电路板、所述紫外灯、盖体，所述第一检测电极组和所述第二检测电极组置于所述盖体内，且所述盖体用于提供所述第一检测空间、所述第二检测空间。

9.根据权利要求8所述的PID传感器的自参考校准结构，其特征在于，所述盖体包括上盖本体、下盖本体，所述上盖本体与所述下盖本体可拆卸连接。

10.一种PID传感器的自参考校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、系统处理电路驱动紫外灯发光，且紫外光线照射第一检测空间；

S2、通过第一检测电极组获取第一检测空间的探测信号强度，通过第二检测电极组获取第二检测空间的自参考信号强度；

S3、系统处理电路将第一检测电极组的探测信号强度与第二检测电极组的自参考信号强度进行比较运算，获得去除干扰因素后的待检测环境中待检测气体的浓度。