CN220525731U - 一种双通道光离子化传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种双通道光离子化传感器。该传感器包括传感器本体和外围电路，其中，传感器本体包括设置在其电离室内的电极结构，电极结构包括具有相同离子收集效率的两个收集电极、偏置电极以及设置在两个收集电极与偏置电极之间的调制电极；外围电路包括：偏置电极驱动电路，用于向偏置电极施加正电压；两个收集电极驱动及检测电路，每个收集电极驱动及检测电路用于向对应的收集电极施加比偏置电极低的电压并检测对应的收集电极输出的离子电流信号；调制电极驱动电路，用于设置调制电极的电位。根据本实用新型，能够在一定程度上缓解现有的光离子化传感器在电离室漏电的情况下因检测结果失真而无法继续使用的问题。

Description

一种双通道光离子化传感器

技术领域

本实用新型属于光离子化传感器领域，更具体地，涉及一种双通道光离子化传感器。

背景技术

光离子化传感器主要应用于有机挥发物(Volatile Organic Compounds，VOC)检测，其不仅自身具有检测范围宽、响应速度快和检测灵敏度高的优点，而且相对于色谱分析仪和质谱分析仪等常见的有机挥发物检测仪器而言，其体积小、使用方便且维护成本低。因此，光离子化传感器近年来越来越多地应用于环境监测、石油化工、室内空气质量和锂离子电池微泄漏检测等领域。

光离子化传感器的工作原理为：当含有VOC分子的被测气体进入光离子化传感器的电离室时，VOC分子受到真空紫外灯发出的高能量光子的轰击，如果VOC分子的电离能低于紫外线光子能量，就有可能被电离成带正电的离子和带负电的电子。与此同时，电离室内由偏置电极和离子收集电极提供电场，在该电场的作用下，离子和电子被分离，并分别向具有相对低电位的离子收集电极和具有相对高电位的偏置电极漂移。此时，在离子收集电极处将产生一个与被电离离子数目相关联的电流，检测这个电流的大小，便可计算出被测气体的VOC浓度。

然而，在实际应用中，光离子化传感器的电离室容易因受到玷污和/或内部水汽凝结而发生漏电，这部分漏电被离子收集电极收集，进而输出虚假的VOC浓度信号，从而严重影响光离子化传感器的检测准确度，这种情况下光离子化传感器将无法继续使用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于在一定程度上缓解现有的光离子化传感器在电离室漏电的情况下因检测结果失真而无法继续使用的问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种双通道光离子化传感器，该双通道光离子化传感器包括传感器本体和外围电路，所述传感器本体包括设置在其电离室内的电极结构，所述电极结构包括具有相同离子收集效率的两个收集电极、偏置电极以及设置在所述两个收集电极与所述偏置电极之间的调制电极；

所述外围电路包括：

偏置电极驱动电路，用于向所述偏置电极施加正电压；

两个收集电极驱动及检测电路，所述收集电极驱动及检测电路用于向对应的收集电极施加比所述偏置电极低的电压并检测对应的收集电极输出的离子电流信号；

调制电极驱动电路，用于设置所述调制电极的电位。

作为可选的是，所述两个收集电极驱动及检测电路的信号放大倍率相同或者不同。

作为可选的是，所述外围电路还包括：

信号叠加及检测电路，用于对所述两个收集电极输出的离子电流信号进行叠加，并对得到的叠加信号进行检测。

作为可选的是，所述两个收集电极之间以及所述收集电极、所述偏置电极与所述调制电极之间悬空，或者采用绝缘材料实现隔离。

作为可选的是，所述收集电极、所述偏置电极和所述调制电极各自的形状为以下中的一种：

筒状、针状、丝状、网状、圆片状。

作为可选的是，所述收集电极、所述偏置电极和所述调制电极各自由以下材料中的一种制成：

金属材料、导电的非金属材料、表面有导电层的绝缘材料。

作为可选的是，所述收集电极、所述偏置电极和所述调制电极中的至少一者可拆分。

作为可选的是，所述传感器本体具有与所述电离室相连通的进气口和两个出气口。

作为可选的是，所述双通道光离子化传感器还包括：

真空紫外灯；

紫外灯驱动电路，用于驱动所述真空紫外灯以使其输出进入到所述电离室的紫外光。

作为可选的是，所述紫外灯驱动电路还用于调节所述真空紫外灯输出的紫外光的波长。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型的双通道光离子化传感器，设置有两个具有相同离子收集效率的收集电极，每个收集电极均配置有收集电极驱动及检测电路。在实际应用中，通过每个收集电极驱动及检测电路，并基于相应的收集电极输出的离子电流信号能够获得相应的VOC浓度值。对于获取到的两个VOC浓度值，若其中的一个VOC浓度值异常高于另一个VOC浓度值，则说明异常VOC浓度值对应的收集电极相应地受到了电离室局部玷污以及局部水汽凝结的影响。在这种情况下，可以忽略异常VOC浓度值，采用另一VOC浓度值作为当前检测结果，在当前双通道光离子化传感器继续使用一定时间后、在条件允许的情况下采用正常的双通道光离子化传感器替换当前的双通道光离子化传感器即可。

根据以上内容可知，对于本实用新型的双通道光离子化传感器，即使传感器本体输出的一路VOC浓度信号因受到电离室漏电的影响而发生严重偏离，其仍然可以采用另一路VOC浓度信号对应的VOC浓度值作为检测结果而坚持服役一定的时间，无需立即更换。因此，采用本实用新型的双通道光离子化传感器，能够在一定程度上缓解现有的光离子化传感器在电离室漏电的情况下因检测结果失真而无法继续使用的问题。

本实用新型的其他特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

本实用新型可以通过参考下文中结合附图所做出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。

图1示出了根据本实用新型的实施例的传感器本体与真空紫外灯的组合结构示意图。

具体实施方式

为了使所属技术领域的技术人员能够更充分地理解本实用新型的技术方案，在下文中将结合附图对本实用新型的示例性的实施方式进行更为全面且详细的描述。显然地，以下描述的本实用新型的一个或者多个实施方式仅仅是能够实现本实用新型的技术方案的具体方式中的一种或者多种，并非穷举。应当理解的是，可以采用属于一个总的实用新型构思的其他方式来实现本实用新型的技术方案，而不应当被示例性描述的实施方式所限制。基于本实用新型的一个或多个实施方式，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式，都应当属于本实用新型保护的范围。

实施例：图1示出了本实用新型实施例的传感器本体与真空紫外灯的组合结构示意图。参照图1，本实用新型实施例的双通道光离子化传感器包括传感器本体和外围电路，传感器本体包括设置在其电离室101内的电极结构，该电极结构包括具有相同离子收集效率的两个收集电极102、偏置电极103以及设置在两个收集电极102与偏置电极103之间的调制电极104；

外围电路包括：

偏置电极驱动电路，用于向偏置电极103施加正电压；

两个收集电极驱动及检测电路，每个收集电极驱动及检测电路用于向对应的收集电极102施加比偏置电极103低的电压并检测对应的收集电极102输出的离子电流信号；

调制电极驱动电路，用于设置调制电极104的电位；

信号叠加及检测电路，用于对两个收集电极102输出的离子电流信号进行叠加，并对得到的叠加信号进行检测。

进一步地，本实用新型实施例中，传感器本体具有与电离室101相连通的进气口105和两个出气口106；

本实用新型实施例的双通道光离子化传感器还包括：

真空紫外灯107；

紫外灯驱动电路，用于驱动真空紫外灯107以使其输出进入到电离室101的紫外光，以及用于调节真空紫外灯107输出的紫外光的波长。

具体地，本实用新型实施例中，偏置电极103上施加有较高的正电位以在电离室101内产生一个指向两个收集电极102的偏置电场。两个收集电极102上施加有相同的低于偏置电极103的电压，以与偏置电极103共同在电离室101内建立一个稳定的电场。调制电极104设置在两个收集电极102与偏置电极103之间，在调制电极104上施加有在一定范围内可变的电压。根据需要改变调制电极104上所加载的电压，可以对偏置电极103与两个收集电极102之间的电场分布和电场强度进行调制。更具体而言，通过控制各电极之间的电位差来控制偏置电场的空间分布及强度，进而控制离子漂移方向及速度以调整收集电极102的离子电流的大小，并具体达成至少以下目的：

完全阻断离子向收集电极102的漂移，从而使收集电极102输出传感器的真实零点信号；根据经验合理调整调制电极104的电位来改变传感器的输出信号大小及线性，以使传感器达到最佳应用状态。

具体地，本实用新型实施例中，可根据需要在一定的范围内对施加在调制电极104上的电位进行至少如下的调制：

调制方式一：调制电极104上施加零电位或者负电位时，电离室101内的离子基本被其吸收，收集电极102处除了受紫外光线影响产生的背景散射外，没有离子电离产生，此时可以认为电离室101处于被夹断的过程中。

调制方式二：调制电极104上施加与收集电极102等电位或者接近的电位，此时调制电极104上可以收集部分离子，可以用做信号检测。

调制方式三：调制电极104上施加的电位介于偏置电极103的电位与收集电极102的电位之间，此时调制电极104可以看作是一个加速电极，有利于减缓电离室101内的离子堆积效应而降低了离子与电子的复合概率，从而在相同的电离效率下增大收集电极102的离子电流。

在实际应用中，当本实用新型实施例的双通道光离子化传感器需要在正常空气中进行零点校准时，可以采用上述调制方式一来对调制电极104施加恰当的电位来夹断电离室101内离子向收集电极102的漂移通道，此时即使没有清洁空气，只要现场没有较高浓度VOC存在(通常为ppm级别)，就可以进行零点标定。

再进一步地，本实用新型实施例中，两个收集电极驱动及检测电路的信号放大倍率相同或者不同。

具体地，本实用新型实施例中，由于两个收集电极102的尺寸相同且在电离室101内对称分布，使得两个收集电极102具有相同的离子吸收效率。两个收集电极102可以同时收集电离室101内被电离的有机挥发性物质离子，并通过各自的收集电极驱动及检测电路进行测量和换算成对应的VOC浓度，实现冗余检测的功能。

由于两个收集电极102的离子收集效率相同，正常情况下，两个收集电极驱动及检测电路所获取的VOC浓度值基本相等。此时，将信号叠加及检测电路基于叠加信号获取的VOC浓度值作为当前检测结果，以提升本实用新型实施例的双通道光离子化传感器的检测准确度。

对于两个收集电极驱动及检测电路获取到的两个VOC浓度值，若其中的一个VOC浓度值异常高于另一个VOC浓度值，则说明异常VOC浓度值对应的收集电极102相应地受到了电离室局部玷污以及局部水汽凝结的影响。在这种情况下，可以忽略异常VOC浓度值，采用另一VOC浓度值作为当前检测结果，在当前双通道光离子化传感器继续使用一定时间后、在条件允许的情况下采用正常的双通道光离子化传感器替换当前的双通道光离子化传感器即可。

当两个收集电极驱动及检测电路的信号放大倍率不同时，具有相对大的信号放大倍率的收集电极驱动及检测电路可以用于检测极低浓度VOC(ppb量级或更低)时的微小信号，具有相对小的信号放大倍率的收集电极驱动及检测电路可以用来检测较高浓度VOC(ppm量级直至几万ppm)。如此设置，使得本实用新型实施例的双通道光离子化传感器的动态测量范围在跨越ppb至几万ppm的同时保持极好的分辨率。

具体地，本实用新型实施例中，真空紫外灯107的发光波长可调，即真空紫外灯107发出的光子能量可调，如此设置，能够调整本实用新型实施例的双通道光离子化传感器的可检测VOC的种类。例如，乙醇的电离能为10.48eV，苯的电离能为9.24eV，若二者均想检测，将真空紫外灯107发出的光子能量调至高于10.48eV即可，若只想检测苯，将真空紫外灯107发出的光子能量调节到10.48eV与9.24eV之间即可。

再进一步地，本实用新型实施例中，两个收集电极102之间以及收集电极102、偏置电极103与调制电极104之间悬空，或者采用绝缘材料实现隔离。

再进一步地，本实用新型实施例中，收集电极102、偏置电极103和调制电极104各自的形状为以下中的一种：

筒状、针状、丝状、网状、圆片状。

再进一步地，本实用新型实施例中，收集电极102、偏置电极103和调制电极104各自由以下材料中的一种制成：

金属材料、导电的非金属材料、表面有导电层的绝缘材料。

再进一步地，本实用新型实施例中，收集电极102、偏置电极103和调制电极104中的至少一者可拆分。

虽然以上对本实用新型的一个或者多个实施方式进行了描述，但是本领域的普通技术人员应当知晓，本实用新型能够在不偏离其主旨与范围的基础上通过任意的其他的形式得以实施。因此，以上描述的实施方式属于示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本实用新型精神及范围的情况下，对于本技术领域的普通技术人员而言许多修改和替换均具有显而易见性。

Claims (10)

1.一种双通道光离子化传感器，包括传感器本体和外围电路，所述传感器本体包括设置在其电离室内的电极结构，其特征在于，所述电极结构包括具有相同离子收集效率的两个收集电极、偏置电极以及设置在所述两个收集电极与所述偏置电极之间的调制电极；

所述外围电路包括：

偏置电极驱动电路，用于向所述偏置电极施加正电压；

两个收集电极驱动及检测电路，所述收集电极驱动及检测电路用于向对应的收集电极施加比所述偏置电极低的电压并检测对应的收集电极输出的离子电流信号；

调制电极驱动电路，用于设置所述调制电极的电位。

2.根据权利要求1所述的双通道光离子化传感器，其特征在于，所述两个收集电极驱动及检测电路的信号放大倍率相同或者不同。

3.根据权利要求1所述的双通道光离子化传感器，其特征在于，所述外围电路还包括：

信号叠加及检测电路，用于对所述两个收集电极输出的离子电流信号进行叠加，并对得到的叠加信号进行检测。

4.根据权利要求1所述的双通道光离子化传感器，其特征在于，所述两个收集电极之间以及所述收集电极、所述偏置电极与所述调制电极之间悬空，或者采用绝缘材料实现隔离。

5.根据权利要求1所述的双通道光离子化传感器，其特征在于，所述收集电极、所述偏置电极和所述调制电极各自的形状为以下中的一种：

筒状、针状、丝状、网状、圆片状。

6.根据权利要求1所述的双通道光离子化传感器，其特征在于，所述收集电极、所述偏置电极和所述调制电极各自由以下材料中的一种制成：

金属材料、导电的非金属材料、表面有导电层的绝缘材料。

7.根据权利要求1所述的双通道光离子化传感器，其特征在于，所述收集电极、所述偏置电极和所述调制电极中的至少一者可拆分。

8.根据权利要求1所述的双通道光离子化传感器，其特征在于，所述传感器本体具有与所述电离室相连通的进气口和两个出气口。

9.根据权利要求1-8任一项所述的双通道光离子化传感器，其特征在于，还包括：

真空紫外灯；

紫外灯驱动电路，用于驱动所述真空紫外灯以使其输出进入到所述电离室的紫外光。

10.根据权利要求9所述的双通道光离子化传感器，其特征在于，所述紫外灯驱动电路还用于调节所述真空紫外灯输出的紫外光的波长。