一种用单传感器检测气体的方法和装置制造方法及图纸

一种用单传感器识别与检测多种气体的方法和装置，由于各种气体的分子具有不同化学性质，与传感器作用时输出量变化模式不同，从而实现多种气体的检测；本发明专利技术的装置，主要由至少一个传感器探头、微处理器和输出设备组成；其中：传感器探头上设有加热模块和传感器敏感膜；加热模块和传感器敏感膜分别与计算机或其它数据采集设备连接；由上述装置，微处理器控制传感器探头温度，同时采集和处理传感器探头的输出电压。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用单个传感器的动态响应信号来识别和检测多种有机或无机的分子方法，特别涉及到有机挥发物、可燃性气体及环境污染气体如CO、氮氧化物等的识别与浓度检测。本专利技术还涉及一种实现上述方法的电子鼻装置。
技术介绍
电子鼻(工作在液态介质中的也叫电子舌)是一种环境监测仪器，它可以检测和识别很多有机和无机分子。目前电子鼻被普遍定义为一种由一个具有不同敏感特性的传感器阵列和一个模式识别系统组成的，用来识别和检测各种有机和无机分子的仪器。目前的电子鼻对敏感分子的识别是通过对传感器阵列平衡时输出值进行模式识别来实现的，利用单个传感器的动态相应信号来实现被检测物识别还未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用单个传感器的动态响应信号来识别和检测多种有机或无机的分子方法。本专利技术的又一目的在于提供一种用于实现上述方法的电子鼻(舌)。本专利技术提供的识别和检测方法以及电子鼻(舌)，可以使用简单的识别算法来代替模式识别算法，同时减少了传感器数目，降低了硬件复杂度和计算复杂度，因而降低硬件成本，还具有非常高的识别率，有利于大规模商业化。为实现上述目的，本专利技术提供的利用单个传感器的动态响应信号来识别和检测多种有机或无机分子的方法，其依据的原理是，由于各种被检测分子的化学性质不同，分子与传感器敏感材料的作用出现差异，虽然平衡时传感器的输出量(如电导、温度、质量、压力、颜色的变化等等)可能相同，但是它们达到平衡的过程中发生的化学过程必然存在差异，表现在作用过程中传感器输出量变化模式不同。本专利技术正是依据这些模式的差异来实现被检测分子的识别和检测。具体地说，本专利技术通过计算机将传感器探头温度控制在某一个范围内并使该温度范围呈周期性变化，该温度范围视传感器敏感材料和被检测的分子的性质而定。各种被测分子在不同的温度下发生一定的反应，此时不同浓度和不同成份的被测分子会通过传感器探头显示出一系列响应信号，用计算机记录下该传感器探头的响应信号并得到响应曲线，对该系列曲线求微分计算，并与预先制定的标准曲线比较后即可识别和检测出各分子的成份和浓度。按操作顺序来说，本专利技术的步骤为a)程序控温，在一个周期内精确控制温度变化；b)实时记录至少一个传感器的输出电压；d)识别该传感器的输出电压曲线，对该系列曲线求微分计算；e)用该气体的标准曲线计算其浓度。所述的方法，其中的多种气体为多种有机或无机分子。所述的方法，其中步骤a中温度变化范围包含被检测气体最敏感温度区间。所述的方法，其中步骤d中的系列曲线为多种气体经同一传感器输出的电压曲线。本专利技术提供的用于实现上述的方法的装置，其主要由至少一个传感器探头、微处理器和记录设备组成；其中传感器探头上设有加热模块和传感器敏感膜；加热模块和传感器敏感膜分别与计算机连接；由上述装置，微处理器控制传感器探头温度，同时采集和处理传感器探头的输出电压。所述的装置，其中加热模块通过D/A接口与计算机连接，传感器敏感膜通过A/D接口与计算机连接。所述的装置，其中传感器敏感膜上贴附有热敏电阻，该热敏电阻通过A/D接口与计算机连接。所述的装置，其中的显示设备为计算机显示器、数码管、液晶模块、扬声器或其它输出装置。本专利技术采用计算机控制温度，以及用计算机记录和数据处理等技术均为公知技术，本领域技术人员很容易理解和实施。附图说明图1本专利技术的测试装置示意图。其中图1a是传感器探头结构，图1b是整个测试系统的结构图；图2为探头温度曲线。图中的7条曲线分别是注入甲醇总量分别为0.1uL，0.2uL，0.5uL，1.0uL，2.0uL，5.0uL和10.0uL的7次不同测量中传感器探头温度的变化曲线，它们基本上是重合的；图3为传感器对乙醇的输出电压曲线；图4为传感器对甲醇的输出电压曲线；图5为甲醇、乙醇传感器输出电压曲线的微分信号比较；图6为甲醇、乙醇、苯和水蒸气四种气体经同一传感器输出电压曲线的微分信号比较；图7为传感器输出甲醇的标准曲线，其中横坐标正比于其浓度的对数，纵坐标正比于传感器敏感膜电阻值的对数。具体实施例方式下面结合附图，用具体实施例详细描述本专利技术利用单个传感器的动态响应信号来识别和检测各种有机或无机分子的方法。按照本专利技术，要实现单传感器电子鼻，首先要求选择一种对被测气体均有响应的传感器，并且确定该传感器对这些被测气体的最敏感温度，传感器加热温度的范围要包括最敏感温度。本实施例以商用广普可燃气体传感器QM-NG1进行甲醇、乙醇、苯以及水蒸气的识别与浓度检测为例，对本专利技术作详细描述。请参阅图1，为本专利技术提供的用于实现检测方法的电子鼻装置的示意图，主要包括传感器探头1、模数转换芯片2、数模转换芯片3、微处理器4和显示设备5。本装置可以用计算机和数据采集卡实现，也可以用专用的ADC及DAC芯片和各种其它微处理芯片如单片机，DSP芯片实现。电子鼻装置中的传感器探头结构如图1a所示，其加热模块9、热敏电阻10和传感器敏感膜11集成在一个SnO2传感器探头12上，安装时只需要将热敏电阻10的敏感膜一面紧靠传感器敏感膜即可。其中的热敏电阻10只在调试时使用，实际产品中可省略。测量时传感器敏感膜11与一个取样电阻Rload串联接入测试回路，Rload上的电压降即传感器的输出电压(由于取样电阻为公知的普通电路，因此不作具体描述，也不推荐附图)。图1b是整个测试系统的结构图，传感器探头1的温度信号和电压输出信号各通过一个A/D接口与微处理器4连接，传感器探头1的加热电压控制由一个D/A接口实现。采集得到的数据经过微处理器处理后得到识别和量化结果，其结果通过终端显示设备5(如显示器或记录仪等)输出检测结果。QM-NG1型可燃气体传感器对水蒸气及多种有机挥发物均有很好的响应，是一种广普型的气体传感器，其温度曲线见图2。将传感器探头置于一个体积为1500mL的密闭容器中，容器中充满洁净干燥的空气，容器上部有一注射孔，被检测物由此注入测试容器中。QM-NG1型传感器对甲醇、乙醇、苯以及水蒸气四种气体的最敏感温度均在200-250℃之间，据此选择加热的温度范围为100-400℃。通过热敏电阻检测温度，加热电压为2V时传感器探头对应温度约为100℃，而加热电压为8V时对应温度约为400℃。因此可以控制加热电压在3-8V之间周期变化(如正弦波，三角波，锯齿波以及其他任意的波形均可)，便可以让传感器温度在100-400℃之间周期变化。此实施例中所用的加热波形为 Vheat=5.0+3.0*sin(2π*t400+π4).]]>将传感器探头分别置于不同浓度的标准被测气体中，并启动程序温度控制，记录传感器输出的波形，结果如图3和图4所示。将传感器输出电压曲线做微分计算，得到不同被测气体的模式信息，如图5和图6所示。根据各种被测气体不同的模式信息，可以识别这些被测物。以被测气体的浓度的对数为横轴，以传感器在加热过程中最小电阻值(此电阻值对应于加热过程中输出电压的峰值)的对数为纵轴作图，得到一条标准曲线，如图7所示。对于被测气体，用同样的加热波形控制其温度变化，得到输出电压波形，微分后与标准候选物的模式对比，判断该被测物就是与其模式最接近的候选物。根据该候选物的标准工作曲线，可以得到被测物的浓度。为增加检测结果的准确度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用单传感器检测多种气体的方法，由于各种气体的分子具有不同化学性质，与传感器作用时输出量变化模式不同，从而实现多种气体的检测；其步骤为：　　　　ａ）程序控温，在一个周期内控制温度变化；　　　　ｂ）实时记录至少一个传感器的输出电压；　　　　ｄ）识别该传感器的输出电压曲线，对该系列曲线求微分计算；　　　　ｅ）用该气体的标准曲线计算其浓度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：万立骏，张伟明，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]