CN201043961Y - 温度补偿蒸汽传感器 - Google Patents

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Abstract

一种对由环境温度变化引起的电阻变化进行补偿的化敏电阻传感器系统，因此提高了传感器系统检测目标分析物的能力的精确度。传感器系统大体包括第一电阻器、第二电阻器和对环境温度变化敏感的负载调节器或开关。至少第一电阻器和第二电阻器之一是一种传感元件，其具有根据一种或多种分析物的存在而发生变化的电阻。开关控制通过第一电阻器和第二电阻器的电力负载。开关在环境温度处于第一值时阻止电力负载通过第一和/或第二电阻器。开关在环境温度处于第二值时允许电力负载通过第一和/或第二电阻器。

Description

温度补偿蒸汽传感器
技术领域
本实用新型涉及化敏电阻传感器。具体地，本实用新型涉及一种化敏电阻传感器系统，其具有多个可选择地加入到传感器电路中以根据环境温度的变化来改变电路总的电阻的电阻元件。
背景技术
在各种不同应用中，检测大气中特定化合物的存在都很重要。例如，检测大气中潜在的易燃化合物的存在和浓度通常是非常重要的。通常将关心的化合物称为目标分析物。
可以使用现有技术中已知的各种传感器系统来检测不同分析物的存在和浓度。例如，可以使用测导电率传感器系统、光学传感器系统和表面声波传感器系统等。
电导传感器的一种类型是聚合物吸附化敏电阻传感器。聚合物吸附化敏电阻传感器包括带有一对电极和传感元件的传感器探头。该探头是传感器电路的一部分。
传感元件通常采取跨过两个电极的聚合物传感器薄膜的形式。传感器薄膜暴露在周围环境中。如现有技术中已知的，聚合物传感器薄膜的确切成分根据目标分析物而变化，以便在周围环境中存在目标分析物时，传感器薄膜吸附目标分析物。
通过电极向传感器薄膜施加负载。传感器薄膜在暴露并吸附目标分析物后膨胀，且体积发生变化。体积的变化改变薄膜的电阻。
通常将处理器或控制单元连接到传感器电路上。处理器监控传感器薄膜的电阻以确定目标分析物的不存在、存在和浓度。可以将处理器连接到用户界面上。用户界面通常包括指示装置，在目标分析物的浓度超过预定阈值时产生信号。
传感器薄膜的电阻不仅根据目标分析物的吸附而变化，还根据环境温度的变化而进行变化。如果传感器薄膜具有电阻的正温度系数，则传感器薄膜的电阻随着环境温度升高而增大。如果传感器薄膜具有电阻的负温度系数，则传感器薄膜的电阻随着环境温度升高而减小。传感器薄膜具有电阻的正温度系数还是负温度系数取决于传感器薄膜的成分和具体应用。
由于目标分析物的检测基于在传感器吸附目标分析物时传感器薄膜的电阻所发生的变化，所以可改变传感器薄膜电阻的环境温度的变化消极地影响传感器系统精确检测目标分析物是否存在的能力。例如，如果传感器薄膜具有电阻的正温度系数并且随着目标分析物的吸附而电阻增大，则环境温度的升高可能会使传感器系统产生错误信号，在目标分析物不存在时错误地指示其存在。
虽然常规的化敏电阻传感器系统对于执行预期用途已经足够了，但仍需改进。具体地，需要一种可根据环境温度变化来改变其总的电阻的化敏电阻传感器系统，以提高传感器系统的精确度。
实用新型内容
根据现有技术，通过提供一种可补偿由环境温度变化引起电阻改变的化敏电阻传感器系统来对传感器系统加以改进，因此提高了传感器系统检测目标分析物能力的精确度。
该传感器系统大体包括第一电阻器、第二电阻器和负载调节器或开关。至少第一电阻器和第二电阻器之一是一种传感元件，其具有根据一种或多种分析物的存在进行变化的电阻。电阻器还根据环境温度的变化改变电阻。
开关控制通过第一电阻器和第二电阻器的电力负载。开关在环境温度处于第一值时阻止电力负载通过第一和/或第二电阻器。开关在环境温度处于第二值时允许电力负载通过第一和/或第二电阻器。
传感器系统根据环境温度的变化，优选地将第一和/或第二电阻器加入到感应电路中。通过可选地将第一和/或第二电阻器以并联或串联等多种不同结构加入，传感器系统能够改变总的电阻以补偿由环境温度变化引起的第一和第二电阻器电阻的改变。传感器系统补偿由环境温度变化引起电阻改变的能力增强了系统精确检测目标分析物存在的能力。
通过后面的详细说明，本实用新型其它方面的应用会变得更加清楚。应该明白详细描述和具体实施例，虽然表明本实用新型的优选实施方式，但只是用于说明的目的，而并不用作限制本实用新型的保护范围。
附图说明
通过详细说明和附图，将更加全面地理解本实用新型，其中：
图1是根据本实用新型的化敏电阻传感器系统的方框图；
图2A是表示根据图1中所示的传感器系统的传感器探头电路的第一实施方式的简化示意图；
图2B是表示根据图1中所示的传感器系统的传感器探头电路的第二实施方式的简化示意图
图2C是表示根据图1中所示的传感器系统的传感器探头电路的第三实施方式的简化示意图。
具体实施方式
下面对优选实施方式的描述只是出于对本质的解释，而不是意图限制本实用新型及其应用或使用。
图1大致以10表示示例性化敏电阻传感器系统的主要部件。传感器系统10大体包括化敏电阻传感器探头12、控制单元14和用户界面16。传感器探头12包括温度补偿元件20。
传感器探头12与外部环境17相互作用以检测所关心的化学成分或目标分析物18的存在。传感器探头12根据对外部环境17中的分析物18的连续检测产生原始的输出信号19a。控制单元14处理原始的输出信号19a。控制单元14将计算的输出信号19b输送至用户界面16，以相继对来自传感器探头12的原始输出信号19a进行分析。控制单元14将均由22表示的操作指令和负载提供给探头12。
用户界面16为用户提供关于传感器系统10的状态的信息，例如系统10是否检测到目标分析物18的存在。用户界面16可以是现有技术中已知的各种不同形式，且可以是从简单的报警信号到复杂的计算机化显示器范围内的任何形式。
传感器探头12可以采取各种不同传感器探头的形式。例如传感器探头12可以采取在2003年4月11日提交的，标题为加强的化敏电阻传感器的美国专利申请第10/412,602号中所说明的各种传感器探头形式。在此结合美国专利申请第10/412,602号作为参考。
传感器探头12包括导电的传感器元件或薄膜。传感器薄膜可以是现有技术中已知的任何适宜的传感器薄膜，例如在2003年4月11日提交的，标题为“蒸汽传感器及其材料”的美国专利申请第10/411,805号中所说明的传感器薄膜。传感器薄膜吸附目标分析物18并随着目标分析物的吸附而改变电阻。
再参考图2，以100示出了表示传感器探头12电路的简化示意图。
图2A示出了根据以100A表示的第一实施例的传感器探头12的电路。在以100A表示的实施例中，传感器探头12包括第一电阻器R1、第二电阻器R2和负载调节装置或开关SW。第二电阻器R2和开关SW是温度补偿元件20A的部件。
第一电阻器R1由传感器薄膜提供。第二电阻器R2可以是第二传感器薄膜或现有技术中已知的任何常规电阻器。将第一电阻器R1和第二电阻器R2并联设置。控制单元14对电路100A的电阻进行监控。
开关SW可以在打开位置与闭合位置之间移动。开关SW根据环境温度的变化而打开和闭合。开关SW可以是现有技术中已知的任何适合的开关，例如独立恒温启动开关或由外部装置控制的开关。在一些实施例中，开关SW为双金属温度控制器，例如由美国俄亥俄州曼斯菲尔德市的Therm-O-Disc Inc.公司生产的36T系列双金属温度控制器中的任何一个。
当开关SW处于闭合位置时，第二电阻器R2与第一电阻器R1并联地电连接。当开关SW处于打开位置时，将电阻R2从电路中去除，电路中只留下第一电阻器R1。
在图2B中以参考标记100B表示传感器探头12电路的另一个实施例。电路100B包括与电路100A相同的元件。与电路100A相同，温度补偿元件20B包括第二电阻器R2和开关SW。电路100A与电路100B之间的实质区别只在于元件设置的方式不同。因此，与对电路100A的说明相关的对电阻器R1、R2和开关SW的大致说明同样适于电路100B。
在电路100B中，将第一电阻器R1与第二电阻器R2串联设置。设置开关SW以绕过电阻R2提供低电阻的支路。当打开开关SW时，负载通过串联的第一电阻器R1和第二电阻器R2，从而增大电路100B的总的电阻。当闭合开关SW时，负载绕开第二电阻器R2，以便将第二电阻器R2从电路100B中去除并减小电路100B的总电阻。
图2C中以参考标记100C示出了传感器探头12的电路的另一个实施例。电路100C包括与电路100A相同的所有元件。然而，在电路100C中，与第一电阻器R1相同，第二电阻器R2由探头12的传感器薄膜提供，该探头12具有带不同电阻的第一电阻器R1和第二电阻器R2。温度补偿元件20包括开关SW和电阻器R1、R2。与对电路100A的说明相关的对电阻器R1和开关SW的大致说明同样适于电路100C。
在电路100C中，第一和第二电阻器R1、R2位于独立的负载路径上。开关SW的启动可以将第一电阻器R1或第二电阻器R2置于电路100C中。具体地，开关可以在第一位置和第二位置之间移动，其中在第一位置开关接触第一电阻器R1的负载路径，以将该第一电阻R1包括在电路100C中，而在第二位置开关接触第二电阻器R2的负载路径，以将该第二电阻器R2包括在电路100C中。第一电阻器具有第一电阻，第二电阻器具有比第一电阻小的第二电阻。
电路100还可以采取除了附图标记100A、100B和100C所示之外的多种其它实施例的形式。例如，电路100可以包括串联和并联电路的结合，以及正、负和零温度系数电阻器的结合。可以使用带有多个电阻器以补偿由于环境温度变化而引起的电阻改变的任何适宜电路。
现在对传感器系统10的操作进行说明。当外部环境17中存在目标分析物18时，探头12的传感器薄膜吸附目标分析物18。传感器薄膜随着目标分析物18的吸附而膨胀。由于薄膜膨胀，嵌入传感器薄膜中的导电粒子之间的距离增大，从而改变了由控制单元14测量的薄膜的电阻R1(或电路100C中的R2)。
一旦检测到电阻的变化，控制单元14则将计算的输出值19b输送至用户界面16，指示用户界面16警告用户探头12已经检测到目标分析物18。用户界面16可以是能够向用户提供警报的任何适当界面。界面16可以根据复杂性为从简单警报到提供音频和视频警告的复杂计算机。
下面将对配备有在此提到的一些不同传感器电路100的传感器探头12的工作进行说明。
关于电路100A，开关SW根据环境温度的变化而打开和闭合。如果第一和第二电阻器R1和R2都具有电阻的正温度系数，使得电阻在温度升高时增大，则开关SW在环境温度位于或低于预定温度值或阈值保持在打开位置。当开关SW处于打开位置时，只有电阻器R1在电路中。可以通过控制单元14控制开关SW的操作和/或开关SW可以是独立的恒温启动开关。
当环境温度升高到高于预定温度阈值时，开关SW闭合以将第二电阻器R2与第一电阻器R1并联。第一、第二电阻器R1、R2的并联将电路100A的总电阻减小到小于第一、第二电阻器R1、R2的独立电阻，以考虑到由于环境温度的升高引起的电阻器R1、R2电阻增大。
当环境温度回落或低于预期温度时，开关打开使电路100A的电阻回到预定温度的最佳电阻。
如果第一、第二电阻器R1、R2都具有电阻的负温度系数，以使电阻在温度升高时减少，则开关SW的操作相反。具体地，开关SW在环境温度升高到高于预定温度时打开，而在环境温度处于或低于预期温度时闭合。
关于电路100B，开关SW在处于或低于预定环境温度阈值或值时保持打开，使得第一电阻器R1、第二电阻器R2串联在电路中，将电路100B的总电阻保持在容许电阻。如果第一、第二电阻器R1、R2都具有电阻的正温度系数，使得电阻在温度升高时增大，则开关SW在环境温度升高到高于预定温度阈值时闭合。闭合开关，有效地将第二电阻器R2从电路中去除并减小电路100B的总电阻以抵消由于环境温度升高引起的电阻增大。
如果第一、第二电阻器R1、R2都具有电阻的负温度系数，以使电阻在温度升高时减少，则开关SW的操作相反。具体地，开关SW在环境温度在标准或低于环境温度时保持闭合，而在环境温度升高到大于预期温度阈值时打开。
关于电路100C，如果第一、第二电阻器R1、R2都具有电阻的正温度系数，则在处于或低于预定环境温度值或阈值时，将开关SW置于的第一位置，以将第一电阻器R1包括在电路100C中。当环境温度升高到高于预定温度阈值时，开关移动到第二位置，将第一电阻器R1从电路中去除，而将第二电阻器R2包括在电路中。因为第二电阻器R2具有小于第一电阻器R1的电阻，所以使用第二电阻器R2代替第一电阻器R1减小了电路100C的总电阻。
如果第一、第二电阻器R1、R2都具有电阻的负温度系数，开关SW的操作根据环境温度变化相反。具体地，在环境温度处于或低于预定温度阈值时开关SW移动到第二位置。在温度升高到大于预定温度阈值时开关移动到第一位置。
电路100补偿由于环境温度变化引起的第一和第二电阻器R1和R2电阻发生的改变。所以，传感器系统10能够区别开由于目标分析物18的存在而引起的电阻变化和由环境温度变化引起的电阻变化。因此，传感器系统10可以更加精确地检测出目标分析物18的存在。
本实用新型的说明仅仅是其本质的示例，因而不偏离本实用新型要点的各种变化都包含在本实用新型的保护范围之内。这些变化不应视为偏离了本实用新型的精神和范围。

Claims (12)

1.一种用于检测一种或多种分析物存在的化敏电阻传感器系统，包括第一电阻器，特征在于所述化敏电阻传感器系统包括：
第二电阻器；和
负载调节装置，其控制至少通过所述第一电阻器和所述第二电阻器之一的电力负载电流；
其中至少所述第一电阻器和所述第二电阻器之一是具有根据一种或多种所述分析物存在而改变的电阻的传感元件，所述传感元件包括导电聚合物基体；
其中所述负载调节装置在环境温度处于第一值时，阻止电力负载电流通过所述第一电阻器；且
其中所述负载调节装置在环境温度处于第二值时，允许电力负载电流通过所述第一电阻器。
2.根据权利要求1所述的化敏电阻传感器系统，其特征在于所述第一电阻器与所述第二电阻器并联。
3.根据权利要求1所述的化敏电阻传感器系统，其特征在于所述第一电阻器与所述第二电阻器串联。
4.根据权利要求1所述的化敏电阻传感器系统，其特征在于所述负载调节装置包括开关。
5.根据权利要求1所述的化敏电阻传感器系统，其特征在于所述导电聚合物基体是交联的。
6.根据权利要求1所述的化敏电阻传感器系统，其特征在于所述第一值大于所述第二值。
7.根据权利要求1所述的化敏电阻传感器系统，其特征在于所述第一值小于所述第二值。
8.一种用于检测分析物存在的化敏电阻传感器系统电路，包括第一电阻器，特征在于所述化敏电阻传感器系统还包括：
第二电阻器；和
负载调节装置，其控制至少通过所述第一电阻器和所述第二电阻器之一的电力负载电流；
其中所述第一电阻器包括第一传感元件，其具有根据所述分析物的存在而改变的第一电阻，所述第一传感元件包括导电聚合物基体；
其中所述第二电阻器包括第二传感元件，具有根据所述分析物的存在而改变的第二电阻，所述第二电阻与所述第一电阻不同，所述第二传感元件包括导电聚合物基体；
其中在第一环境温度值时所述负载调节装置将所述第一传感元件加入到所述电路中并将所述第二传感元件从所述电路中去除；
其中在与所述第一环境温度值不同的第二环境温度值时所述负载调节装置将所述第二传感元件加入到所述电路中，并将所述第一传感元件从所述电路中去除。
9.根据权利要求8所述的化敏电阻传感器系统电路，其特征在于至少所述第一传感元件和所述第二传感元件之一的所述导电聚合物基体的聚合物是交联的。
10.根据权利要求8所述的化敏电阻传感器系统电路，其特征在于所述负载调节装置包括开关。
11.根据权利要求10所述的化敏电阻传感器系统电路，其特征在于所述开关是独立热启动开关。
12.根据权利要求10所述的化敏电阻传感器系统电路，其特征在于所述开关为双金属开关。
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