一种惠斯通桥式微流探测器及其使用方法技术

本发明专利技术属于有害气体探测传感元器件领域，尤其是一种惠斯通桥式微流探测器，由集成电路板、探测器基座、镜头保护圈、芯片封装罩壳、微流传感器、探测器本体、透射玻璃窗、输气管、信号线接头、电路板输出信号线、电路板罩壳组成，并采用惠斯通电桥技术，将上电阻丝和下电阻丝作为电桥的2个桥臂，当被测气体浓度发生变化导致上电阻丝和下电阻丝阻值发生变化时，电桥的输出电压信号也同步发生变化；信号幅度大小与流经微流传感器的气体流量成正比，与待测组分气体浓度成线性关系；从而通过测量电桥的这个输出电压变化信号就可以准确测量被测有害气体成分的浓度值；可广泛应用于要求抗交叠干扰能力强、环境适应性好的低浓度气体的检测分析仪上。

【技术实现步骤摘要】
一种惠斯通桥式微流探测器及其使用方法
本专利技术属于有害气体探测传感元器件领域，尤其是一种惠斯通桥式微流探测器。
技术介绍
现有的低浓度气体红外光热型探测器，可分为热电堆型、热释电型、气动型（Luff）等不同类型，其中，气动型探测器主要有非共振光声探测器和微流探测器，这两种均能在室温下工作，抗交叠干扰能力强，尤其是微流探测器对震动不敏感，环境适应性更好，因此对其的研究受到了广泛的关注。目前ABB、SIEMENS等国际知名分析仪器企业推出了各具特色的微流探测器，但由于价格十分昂贵，且制造工艺是各厂家的技术机密，很少见公开资料。申请号为201420559833.7的中国技术专利，公开了“一种桥式微流气动红外探测器结构”，介绍了一种微流气动红外探测器的部分结构特征,但在实际应用中还存在明显的不足和工作机理较为模糊的问题，需要进一步优化和改进，以达到产业化目标。
技术实现思路
本专利技术的目的：为了解决上述提到的专利存在的问题，提供一种针对低浓度有害气体的高精度、高稳定性惠斯通桥式微流探测器。本专利技术专利采用的技术方案如下：一种惠斯通桥式微流探测器，由集成电路板、探测器基座、镜头保护圈、芯片封装罩壳、微流传感器、探测器本体、透射玻璃窗、输气管、信号线接头、电路板输出信号线、电路板罩壳组成；所述探测器本体由前腔室、后腔室、气体通道孔、透射玻璃窗固定台阶、输气管接口、固定螺柱、微流传感器固定孔、聚光孔组成；其中，前腔室为锥形空间；后腔室为环状、环绕在前腔室外围；固定螺柱设置在探测器本体左端面下方；微流探测器位于探测器本体左端面微流传感器固定孔内；透射玻璃窗口安装在探测器本体透射玻璃窗固定台阶上；输气管与探测器本体外圆垂直，直接插入探测器本体外圆上输气管接口孔内，与后腔室相通，并焊接密封牢固；芯片封装罩壳从左端面将微流传感器罩盖在探测器本体上，同时让微流传感器上五根线脚从芯片封装罩壳上五个孔穿出，从而将微流传感器密封封装在探测器本体上；集成电路板通过螺钉固定在探测器基座上，电路板罩壳与探测器基座合起来，将集成电路板保护在其中；镜头保护圈左端面有三个插脚，直接插入在探测器基座右端面上；探测器本体通过固定螺柱与探测器基座用螺钉相连，将探测器本体牢牢固定在探测器基座上；信号线接头与电路板输出信号线直接相接，将微流传感器收集到的电信号经过集成电路板处理后向外输出。所述微流传感器，包括芯片本体、上温度传感器引出线、下温度传感器引出线、铂丝加热组件引出线、下导流框、上导流框、下电阻丝引出线、上电阻丝引出线、铂丝加热组件、上电阻丝和下电阻丝；其中，下导流框和上导流框以铂丝加热组件为对称线，相对摆放在芯片本体左端面上，它们上面的气体导流缺口也相对布置，它们上面的大圆孔分别与下温度传感器引出线和上温度传感器引出线同心；上温度传感器引出线和下温度传感器引出线分别接入集成电路板惠斯通电桥两个感温桥臂上；铂丝加热组件由数根铂丝组成，位于下导流框和上导流框之间中间位置，并紧贴芯片本体左端面上，其一端直接接地，另一端与铂丝加热组件引出线相连，而铂丝加热组件引出线另一端单独接入集成电路板上；下电阻丝引出线一端与下电阻丝相连，另一端接入集成电路板惠斯通电桥一个电阻桥臂上；上电阻丝引出线一端与上电阻丝相连，另一端也接入集成电路板惠斯通电桥另一个电阻桥臂上；微流传感器封装在探测器本体微流传感器固定孔内时，下导流框上大圆孔要对准聚光孔，上导流框上大圆孔要对准气体通道孔。所述的芯片本体由硅基材料制成，其左端面以及下导流框和上导流框表面有一层保护膜，这层保护膜由聚对二甲苯（Parylene）为主要材料制成。本专利技术还提供惠斯通桥式微流探测器的使用方法，具体如下：S1：打开输气管，通入高浓度待测气体，直到灌满前腔室和后腔室，再封闭输气管；S2：启动惠斯通桥式微流探测器，铂丝加热组件开始加热工作，在其两侧的上电阻丝和下电阻丝可达到一定温度；S3：依据托马斯（Thomas）提出的“气体的放热量或吸热量与该气体的质量流量成正比”的理论，可以推导出：惠斯通桥式微流探测器的输出电压∆U与流体的质量流量G成线性关系，即：∆U=A*G，式中A为常数；当流动气体流动速度为零时，铂丝加热组件的温度场呈对称分布，两侧的上电阻丝和下电阻丝的温度差为零，则电阻丝和下电阻丝的阻值也没有发生变化，所以∆U=0；S4：首先进行零点标定:以高纯度氮气作为样本气进行标定，红外光源发出单色光，进入充满氮气的样本气室后，再通过透射玻璃窗进入前腔室，引起其中的气体流动和膨胀，产生的流动气体G0依次经过微流传感器中的下导流框、下电阻丝、铂丝加热组件、上电阻丝、上导流框、气体通道孔，进入后腔室；流体将热量从下电阻丝传至上电阻丝，使下电阻丝温度下降，上电阻丝温度升高，从而引起上述两个电阻丝自身电阻值的变化，进而打破惠斯通电桥的平衡，产生了电压∆U0=A*G0；S4：将氮气排出、排空，将待测气体通入样本气室，充满为止；S5：正式进行样气检测：红外光源发出单色光，进入充满样气的样本气室后，再通过透射玻璃窗进入前腔室，引起其中的气体流动和膨胀，产生的流动气体GN依次经过微流传感器中的下导流框、下电阻丝、铂丝加热组件、上电阻丝、上导流框、气体通道孔，进入后腔室；流体将热量从下电阻丝传至上电阻丝，使下电阻丝温度下降，上电阻丝温度升高，从而引起上述两个电阻丝自身电阻值的变化，进而打破惠斯通电桥的平衡，产生了电压∆UN=A*GN；S6：通过上述差分输出电压信号能够测量上述两个感温电阻的微小变化量，而惠斯通电桥输出电压信号的大小取决于气体浓度；气体浓度越高，产生的惠斯通电桥输出电压信号就越大；最后电压信号∆U输出至集成电路板，经过数据处理后，可获得排除掉零点标定后的差值，再通过电路板输出信号线和信号线接头，传送至分析仪检测系统，即可实现待测气体浓度的精确检测。本专利技术采用惠斯通电桥技术，将上电阻丝和下电阻丝作为电桥的2个桥臂，当被测气体浓度发生变化导致上电阻丝和下电阻丝阻值发生变化时，电桥的输出电压信号也同步发生变化；信号幅度大小与流经微流传感器的气体流量成正比，与待测组分气体浓度成线性关系；从而通过测量电桥的这个输出电压变化信号就可以准确测量被测有害气体成分(如NO)的浓度值。本专利技术的惠斯通桥式微流探测器，可在室温下工作，对震动不敏感，抗交叠干扰能力强，环境适应性较好，比较适合低浓度气体的检测。附图说明图1为本专利技术实施例惠斯通桥式微流探测器外形示意图。图2为本专利技术实施例惠斯通桥式微流探测器的装配示意图。图3为本专利技术实施例惠斯通桥式微流探测器主要部件---探测器本体结构示意图。图4为本专利技术实施例惠斯通桥式微流探测器主要部件---微流传感器结构示意图。图中：1—惠斯通桥式微流探测器，2—集成电路板，3—探测器基座，4—镜头保护圈，5—芯片封装罩壳，6—微流传感器，7—探测器本体，8—透射玻璃窗，9—输气管，10—信号线接头，11—电路板输出信号线，12—电路板罩壳，20—前腔室，21—本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种惠斯通桥式微流探测器，其特征在于：由集成电路板（2）、探测器基座（3）、镜头保护圈（4）、芯片封装罩壳（5）、微流传感器（6）、探测器本体（7）、透射玻璃窗（8）、输气管（9）、信号线接头（10）、电路板输出信号线（11）、电路板罩壳（12）组成；所述探测器本体（7）由前腔室（20）、后腔室（21）、气体通道孔（22）、透射玻璃窗固定台阶（23）、输气管接口（24）、固定螺柱（25）、微流传感器固定孔（26）、聚光孔（28）组成；其中，前腔室（20）为锥形空间；后腔室（21）为环状、环绕在前腔室（20）外围；固定螺柱（25）设置在探测器本体（7）左端面下方；微流探测器（6）位于探测器本体（7）左端面微流传感器固定孔（26）内；透射玻璃窗口（8）安装在探测器本体（7）透射玻璃窗固定台阶（23）上；输气管（9）与探测器本体（7）外圆垂直，直接插入探测器本体（7）外圆上输气管接口（24）孔内，与后腔室（21）相通，并焊接密封牢固；芯片封装罩壳（5）从左端面将微流传感器（6）罩盖在探测器本体（7）上，同时让微流传感器（6）上五根线脚从芯片封装罩壳（5）上五个孔穿出，从而将微流传感器（6）密封封装在探测器本体（7）上；集成电路板（2）通过螺钉固定在探测器基座（3）上，电路板罩壳（12）与探测器基座（3）合起来，将集成电路板（2）保护在其中；镜头保护圈（4）左端面有三个插脚，直接插入在探测器基座（3）右端面上；探测器本体（7）通过固定螺柱（25）与探测器基座（3）用螺钉相连，将探测器本体（7）牢牢固定在探测器基座（3）上；信号线接头（10）与电路板输出信号线（11）直接相接，将微流传感器（6）收集到的电信号经过集成电路板（2）处理后向外输出。/n...

【技术特征摘要】
1.一种惠斯通桥式微流探测器，其特征在于：由集成电路板（2）、探测器基座（3）、镜头保护圈（4）、芯片封装罩壳（5）、微流传感器（6）、探测器本体（7）、透射玻璃窗（8）、输气管（9）、信号线接头（10）、电路板输出信号线（11）、电路板罩壳（12）组成；所述探测器本体（7）由前腔室（20）、后腔室（21）、气体通道孔（22）、透射玻璃窗固定台阶（23）、输气管接口（24）、固定螺柱（25）、微流传感器固定孔（26）、聚光孔（28）组成；其中，前腔室（20）为锥形空间；后腔室（21）为环状、环绕在前腔室（20）外围；固定螺柱（25）设置在探测器本体（7）左端面下方；微流探测器（6）位于探测器本体（7）左端面微流传感器固定孔（26）内；透射玻璃窗口（8）安装在探测器本体（7）透射玻璃窗固定台阶（23）上；输气管（9）与探测器本体（7）外圆垂直，直接插入探测器本体（7）外圆上输气管接口（24）孔内，与后腔室（21）相通，并焊接密封牢固；芯片封装罩壳（5）从左端面将微流传感器（6）罩盖在探测器本体（7）上，同时让微流传感器（6）上五根线脚从芯片封装罩壳（5）上五个孔穿出，从而将微流传感器（6）密封封装在探测器本体（7）上；集成电路板（2）通过螺钉固定在探测器基座（3）上，电路板罩壳（12）与探测器基座（3）合起来，将集成电路板（2）保护在其中；镜头保护圈（4）左端面有三个插脚，直接插入在探测器基座（3）右端面上；探测器本体（7）通过固定螺柱（25）与探测器基座（3）用螺钉相连，将探测器本体（7）牢牢固定在探测器基座（3）上；信号线接头（10）与电路板输出信号线（11）直接相接，将微流传感器（6）收集到的电信号经过集成电路板（2）处理后向外输出。


2.根据权利要求1所述的惠斯通桥式微流探测器，其特征在于：所述微流传感器（6），由芯片本体（30）、上温度传感器引出线（31）、下温度传感器引出线（32）、铂丝加热组件引出线（33）、下导流框（34）、上导流框（38）、下电阻丝引出线（35）、上电阻丝引出线（37）、铂丝加热组件（36）、上电阻丝（39）和下电阻丝（40）组成；其中，下导流框（34）和上导流框（38）以铂丝加热组件（36）为对称线，相对摆放在芯片本体（30）左端面上，它们上面的气体导流缺口也相对布置，它们上面的大圆孔分别与下温度传感器引出线（32）和上温度传感器引出线（31）同心；上温度传感器引出线（31）和下温度传感器引出线（32）分别接入集成电路板（2）惠斯通电桥两个感温桥臂上；铂丝加热组件（36）由数根铂丝组成，位于下导流框（34）和上导流框（38）之间中间位置，并紧贴芯片本体（30）左端面上，其一端直接接地，另一端与铂丝加热组件引出线（33）相连，而铂丝加热组件引出线（33）另一端单独接入集成电路板（2）上；下电阻丝引出线（35）一端与下电阻丝（40）相连，另一端接入集成电路板（2）惠斯通电桥一个电阻桥臂上；上电阻丝引出线（37）一端与上电阻丝（39）相连，另一端也接入集成电路板（2）惠斯通电桥另一个电阻桥臂上；微流传感器（6）封装在探测器本体...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙明伟，孙晓辰，肖锦峰，吴发生，张玉亮，孙玮键，张少文，邓振龙，徐德玲，徐德华，
申请(专利权)人：南京德名声科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32