CN211927764U - 一种适用于多种气体的快速气体定量检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属气敏传感测试技术领域，具体涉及一种适用于多种气体的快速气体定量检测装置，包括以下部分：半导体气体敏感材料传感器(1)、激励‑采样电路(2)、单片机(3)、通讯/电源接口(4)、显示屏(5)及电源模块(6)。本实用新型可以准确、实时的检测多种半导体气体传感器元件的电阻及其变化，计算后输出气体浓度信息。该装置可与多种半导体气体传感器连用，根据不同目标气体选择传感器型号，因而可以检测的气体种类广泛、浓度范围大、适用范围广，有极大应用价值。
Description
技术领域
本实用新型属气敏传感测试技术领域，具体涉及一种适用于多种气体的快速气体定量检测装置。
背景技术
半导体气体传感器是一类低成本、高灵敏度的气体检测装置，可广泛应用于工业生产过程监测、疾病的初期诊断、大气污染检测等多个领域，具有十分重要的应用价值。半导体气体传感器的响应基于半导体敏感材料在接触到目标气体时产生的电阻变化，将电阻值经过信号处理后输出检测结果。目前市售半导体气体传感器多为报警类型，即只进行定性检测，传感器最终输出信号为0或1，不能准确检测目标气体的浓度数值。这类传感器很难满足高精度定量检测场合的需求。而目前已有的非半导体定量气体检测器大多依靠光学、电化学等技术，检测各种不同的气体时，对其输出信号的处理模块也各不相同，不仅测试时间长、过程繁琐，也占用了大量空间和资源，使得传感器制造成本大大增加。因此，设计一种基于廉价半导体气体传感器的快速气体定量检测装置将具有极大的实际意义与应用价值。
实用新型内容
本实用新型目的在于提供一套基于半导体气体传感器的适用于多种目标气体的快速、定量气体浓度检测装置。
该装置包括以下部分：半导体气体敏感材料传感器1、激励-采样电路2、单片机3、通讯/电源接口4、显示屏5及电源模块6，所述半导体气体敏感材料传感器1包括半导体气体敏感材料101、半导体气体敏感材料支撑底座102以及通用半导体气体敏感材料传感器接口103，所述半导体气体敏感材料101放置或涂覆于半导体气体敏感材料支撑底座102上，半导体气体敏感材料支撑底座102连接在通用半导体气体敏感材料传感器接口103上，用于对特定气体产生电信号响应；所述激励-采样电路2包括5V电压激励模块201、小电流信号放大-采样模块202、电流加热模块203，所述5V电压激励模块201用于为半导体气体敏感材料传感器1提供5V激励电压，所述电流加热模块203用于为半导体气体敏感材料传感器1提供功率连续可控的加热电流，可控制半导体气体敏感材料101的温度在室温至500℃范围内连续可调，所述小电流信号放大-采样模块202用于实时测量通过半导体气体敏感材料传感器1的电流，其信号放大系数可控，从而测量100Ω至25GΩ范围的传感器电阻变化，检测误差＜1％，输出延迟＜0.2s。
本实用新型中，半导体气体敏感材料传感器1为旁热式或直热式半导体气体传感器元件。不同的半导体敏感材料的目标响应气体、工作温度、响应浓度区间各不相同，因此可以根据实际应用需求，选择不同的半导体气体敏感材料置于半导体气体敏感材料传感器1中，包括但不限于SnO2材料、块体SnO2材料、纳米ZnO材料、纳米WO3材料、粉体WO3材料等。根据检测需求，本装置设计可以有目的性地搭配所需传感器元件，具有广泛适用性。
所述单片机3为STM8S系列单片机，具有以下功能：
(1)通过I2C总线读取小电流信号放大-采样模块采集的电压信号；
(2)根据预先设置值生成PWM信号控制电流加热模块输出功率；
(3)根据预先设置及传感器实际电阻，通过数字输出控制小电流信号放大-采样模块的放大率；基于多项式算法，由读取的电压信号计算半导体气体敏感材料传感器实时电阻值，再根据预先设置的半导体气体敏感材料传感器工作曲线计算待检测气体浓度值；储存小电流信号放大-采样模块的放大率设置、电流加热模块的加热功率设置、及半导体气体敏感材料传感器工作曲线等配置信息；
(4)可由通讯/电源接口经CH340芯片转接至UART总线读取或重写单片机配置信息，以及读取小电流信号放大-采样模块输出电压信号值和待检测气体浓度值数据；
(5)通过I2C总线控制显示屏，显示测量结果及单片机工作状态。
所述通讯/电源接口4为USB接口，连接时可与单片机3进行数据通讯，并同时为电源模块6供电。电源模块6由通讯/电源接口4供电，用于给激励-采样电路2、单片机3和显示屏5提供3.3V、5V及9V电压。所述显示屏5为LCD显示屏。所述电源模块6为可充电电源或电源适配器。
本实用新型具有以下技术效果：本实用新型可以准确、实时的检测多种半导体气体传感器元件的电阻及其变化，计算后输出气体浓度信息。该装置可与多种半导体气体传感器连用，根据不同目标气体选择传感器型号，因而可以检测的气体种类广泛、浓度范围大、适用范围广，有极大应用价值。
附图说明
图1本实用新型的结构组成图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明，如图1所示，所述快速气体定量检测装置包括以下部分：半导体气体敏感材料传感器1、激励-采样电路2、单片机3、通讯/电源接口4、显示屏5及电源模块6。
电路上电后，单片机3首先读取其内部存储的配置参数，开始输出频率为1kHz的PWM信号用于驱动电流加热模块203，该PWM信号占空比由配置参数控制，可在0至100％范围连续调节；PWM信号直接控制电流加热模块203中功率三极管的通断，进而控制半导体气体敏感材料传感器1加热回路中通过的有效功率，最终控制半导体气体敏感材料传感器1工作温度。同时，单片机3还会根据配置参数输出三位并行数字控制信号，经过升压电路，控制小电流信号放大-采样模块202中的多路复用芯片CD4051,根据半导体气体敏感材料传感器1电阻变化范围选取合适的放大率，以保证电阻测量精确。
半导体气体敏感材料传感器1两端由激励-采样电路2中5V电压激励模块201的稳压芯片79L05保证电压差始终稳定为5V，从传感器低压端输出的电流通过两级放大电路转化为0至4V的电压信号，放大后的电压信号由小电流信号放大-采样模块202中的AD1115模数转换芯片采样，转为14位数字信号。
所述单片机3为STM8S系列单片机，具有以下功能：
(1)通过I2C总线读取小电流信号放大-采样模块采集的电压信号；
(2)根据预先设置值生成PWM信号控制电流加热模块输出功率；
(3)根据预先设置及传感器实际电阻，通过数字输出控制小电流信号放大-采样模块的放大率；基于多项式算法，由读取的电压信号计算半导体气体敏感材料传感器实时电阻值，再根据预先设置的半导体气体敏感材料传感器工作曲线计算待检测气体浓度值；储存小电流信号放大-采样模块的放大率设置、电流加热模块的加热功率设置、及半导体气体敏感材料传感器工作曲线等配置信息；
(4)可由通讯/电源接口经CH340芯片转接至UART总线读取或重写单片机配置信息，以及读取小电流信号放大-采样模块输出电压信号值和待检测气体浓度值数据；
(5)通过I2C总线控制显示屏，显示测量结果及单片机工作状态。
实施例1：
本实施例中，以氢气检测为例进行进一步说明：
半导体气体敏感材料传感器1中使用半导体纳米ZnO材料作为高灵敏度高选择性的氢气传感装置。单片机3选用STM8S103F3单片机，具有16MHz工作频率，采用3.3V主供电电压，具有I2C总线接口、UART总线接口、PWM输出接口和5线以上的数字输入输出接口。
本实施例中，首先调整加热电流使加热功率达到660mW，并自动选取信号放大率。待器件电阻稳定后，测试并记录半导体气体敏感材料元件暴露在0ppm、5ppm、20ppm、100ppm、500ppm氢气标准气体中的电阻值，分别记为R0、R1、R2、R3、R4。将R0、R1、R2、R3、R4输入单片机3，采用多项式拟合工作曲线并记录保存。然后将本装置置于待测气体氛围中，激励-采样电路2将实际测得的元件电阻值转换为数字信号发送给单片机3，随后将所得信号与工作曲线进行比较处理后，通过I2C总线控制LCD显示屏5，显示测量结果及工作状态。
实施例2：
本实施例中，以丙酮气体检测为例进行进一步说明：
半导体气体敏感材料传感器1中使用WO3材料，作为高灵敏度高选择性的丙酮传感装置。单片机3选用STM8S208单片机，具有16MHz工作频率，采用3.3V主供电电压，具有I2C总线接口、UART总线接口、PWM输出接口和5线以上的数字输入输出接口。
本实施例中，首先调整加热电流使加热功率达到750mW，并自动选取信号放大率。待器件电阻稳定后，测试并记录半导体气体敏感材料元件暴露在0ppm、20ppb、100ppb、500ppb、2ppm、10ppm丙酮标准气体中的电阻值，分别记为R0、R1、R2、R3、R4、R5。将R0、R1、R2、R3、R4、R5输入单片机3，采用多项式拟合工作曲线并记录保存。然后将本装置置于待测气体氛围中，激励-采样电路2将实际测得的元件电阻值转换为数字信号发送给单片机3，随后将所得信号与工作曲线进行比较处理后，通过I2C总线控制LCD显示屏5，显示测量结果及工作状态。
本实用新型提供了一种适用于多种气体的快速气体定量传感装置，具体实现该技术方案的方法有许多种，并不仅限于上述实施方式。因此，在不脱离本实用新型原理的前提下，对此技术方案进行的改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种适用于多种气体的快速气体定量检测装置，其特征在于：包括半导体气体敏感材料传感器(1)、激励-采样电路(2)、单片机(3)、通讯/电源接口(4)、显示屏(5)及电源模块(6)，所述半导体气体敏感材料传感器(1)包括半导体气体敏感材料(101)、半导体气体敏感材料支撑底座(102)以及通用半导体气体敏感材料传感器接口(103)，所述半导体气体敏感材料(101)放置或涂覆于半导体气体敏感材料支撑底座(102)上，半导体气体敏感材料支撑底座(102)连接在通用半导体气体敏感材料传感器接口(103)上，用于对特定气体产生电信号响应；所述激励-采样电路(2)包括5V电压激励模块(201)、小电流信号放大-采样模块(202)、电流加热模块(203)，所述5V电压激励模块(201)用于为半导体气体敏感材料传感器(1)提供5V激励电压，所述电流加热模块(203)用于为半导体气体敏感材料传感器(1)提供功率连续可控的加热电流，可控制半导体气体敏感材料(101)的温度在室温至500℃范围内连续可调，所述小电流信号放大-采样模块(202)用于实时测量通过半导体气体敏感材料传感器(1)的电流，其信号放大系数可控，从而测量100Ω至25GΩ范围的传感器电阻变化，检测误差＜1％，输出延迟＜0.2s；所述电源模块(6)由通讯/电源接口(4)供电，用于给激励-采样电路(2)、单片机(3)、显示屏(5)提供3.3V、5V及9V电压；
所述单片机(3)通过I2C总线读取小电流信号放大-采样模块(202)采集的电压信号；
所述单片机(3)根据预先设置值生成PWM信号控制电流加热模块(203)输出功率；
由通讯/电源接口(4)经CH340芯片转接至UART总线读取或重写单片机(3)配置信息，以及读取小电流信号放大-采样模块(202)输出电压信号值和待检测气体浓度值数据；
所述单片机(3)通过I2C总线控制显示屏(5)，显示测量结果及单片机(3)工作状态。
2.一种根据权利要求1所述适用于多种气体的快速气体定量检测装置，其特征在于：半导体气体敏感材料传感器(1)为旁热式或直热式半导体气体传感器元件。
3.一种根据权利要求2所述适用于多种气体的快速气体定量检测装置，其特征在于：半导体气体敏感材料传感器(1)为SnO2材料、块体SnO2材料、纳米ZnO材料、纳米WO3材料或粉体WO3材料。
4.一种根据权利要求1所述适用于多种气体的快速气体定量检测装置，其特征在于：所述单片机(3)为STM8S系列单片机。
5.一种根据权利要求1所述适用于多种气体的快速气体定量检测装置，其特征在于：所述通讯/电源接口(4)为USB接口，连接时可与单片机(3)进行数据通讯，并同时为电源模块(6)供电。
6.一种根据权利要求1所述适用于多种气体的快速气体定量检测装置，其特征在于：所述显示屏(5)为LCD显示屏。
7.一种根据权利要求1所述适用于多种气体的快速气体定量检测装置，其特征在于：所述电源模块(6)为可充电电源或电源适配器。
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| CN201920939887.9U CN211927764U (zh) | 2019-06-21 | 2019-06-21 | 一种适用于多种气体的快速气体定量检测装置 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN110243877A (zh) * | 2019-06-21 | 2019-09-17 | 启东纳睿新材料科技有限公司 | 一种适用于多种气体的快速气体定量检测装置 |
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