高精度臭气传感器的制作方法

测量装置的制造及其应用技术1.本实用新型属于环境空气质量监测技术领域，涉及一种臭气传感器，尤其涉及一种能够提高测量精度的臭气传感器。背景技术：2.臭气（恶臭污染物）是指一切刺激嗅觉器官引起人们不愉快及损害生活环境的气体物质，《gb14554-1993 恶臭污染物排放标准》规定了八种恶臭污染物的排放标准。一般恶臭物质的特性是：蒸气压大(氮的化合物除外)；有比较强的挥发特性；易溶于酒精等有机溶剂。当恶臭物质是苯环类化合物时，则苯环中碳原子的多少决定着恶臭的程度，碳的数量越多，则该物质的恶臭气味越小，当碳原子达到一定数量时，有机化合物基本没有恶臭气味，但并不代表对人体无害。不同类型的恶臭物质，内部有不同的分子结构，从而呈现出不同的臭味。到目前为止，人通过嗅觉感受到的恶臭物质有4000余种，其中对健康危害较大的有氨类、硫化氢类、甲基硫、硫醇类、三甲胺、醛类、酪酸、苯乙烯、酚类等。目前我国主要控制的恶臭物质有8种：氨、硫化氢、苯乙烯、三甲胺、甲硫醇、二甲二硫、甲硫醚、二硫化碳。无论是药品及试剂型臭气还是植物性臭味，大多数恶臭物质的气味会让人产生不愉快的感觉。这些恶臭物质不但能引起人类感官的不适，而且还能造成一定程度的心理影响。在恶臭气体消失后仍然产生烦躁、厌恶等不适的感觉，甚至产生不可逆的生理影响，包括呼吸、循环、消化、神经、内分泌系统等等。臭气刺激嗅觉器官，影响空气质量，损害人体健康，危害生产生活。臭气主要产生于垃圾中转站、垃圾填埋场、污水处理厂、化工厂等，对臭气进行准确监测是防治臭气污染的前提。3.目前臭气传感器的检测原理为：臭气的检测感应材料使用的是金属氧化物半导体，通过加热，半导体的电阻值会随着其表面臭气分子的吸附和表面反应，发生敏感的变化。通过测量检测感应材料（金属氧化物半导体）的电阻值，间接测定臭气浓度。由于检测感应材料电阻值随着臭气浓度的变化而变化，因此测量电路设计时需要在电路回路中加入采样电阻，通过测量采样电阻的电压信号从而计算出检测感应材料电阻值。一般测量采样电阻均为固定值，而臭气检测感应装置电阻值变化范围很大，一般从10欧姆到几十万欧姆不等，所以无论采样电阻如何选型，都会存在检测感应材料电阻值和采样电阻相差很大的区间出现，而在这个区间中采样电压随着电阻值变化微乎其微，会存在测量精度降低甚至影响测量准确度的情况出现。4.迫切需要一种能够提高测量精度的臭气传感器，在整个量程范围内采样电阻值和检测感应材料电阻值匹配，从而在整个量程范围内都能准确测量臭气浓度。技术实现要素：5.本实用新型的目的就是克服现有技术的缺陷，提供一种高精度臭气传感器，在整个量程范围内采样电阻值和检测感应材料电阻值匹配，从而在整个量程范围内都能准确测量臭气浓度。本实用新型的目的通过以下技术方案实现。6.高精度臭气传感器，其特征在于，包括电源、臭气检测感应装置、n路采样电阻、n路模拟开关、adc采样器和主控mcu，n为大于1的整数；n路采样电阻与n路模拟开关一一对应，每一路采样电阻和每一路模拟开关串联，n路采样电阻与n路模拟开关整体与adc采样器并联；电源一极与臭气检测感应装置一端串联，臭气检测感应装置另一端与n路采样电阻与n路模拟开关连整体的一端串联， n路采样电阻与n路模拟开关连接后的整体的另一端串联电源另一极；adc采样器输出端及n路模拟开关控制端分别连接到主控mcu，主控mcu控制模拟开关每一时刻仅有一路为闭合状态。7.本实用新型提供的高精度臭气传感器，通过电源、臭气检测感应装置、n路采样电阻和n路模拟开关构成测量回路；主控mcu根据adc采样器采集到的电压值，即采样电阻两端的电压值，来计算出臭气检测感应装置两端的电压值，从而计算出臭气感应材料电阻值的变化；通过主控mcu切换模拟开关，实现切换串联到整个测量回路中的采样电阻，与实时臭气浓度对应的臭气感应材料电阻值匹配，从而提高测量精度。8.测量开始后电源给整个测量回路供电，主控mcu控制n路模拟开关只闭合其中一路，此时臭气检测感应装置两端的电压值与n路模拟开关与n路采样电阻连接后整体的两端电压值之和为电源电压。臭气检测感应装置等效于可变电阻，其电阻值随着臭气浓度值变化而变化，因此当臭气浓度变化，臭气检测感应装置的电阻值发生变化，若与其串联的采样电阻值不变，因此根据欧姆定律，电源电压不变，整个电路中总电阻变化，那么总电流也发生改变，测量回路总电流发生改变后，采样电阻两端电压发生变化，这样通过测量采样电阻值两端的电压值就可以计算出臭气检测感应装置的电阻值，从而推算出此时臭气浓度值。9.上述测量过程中，臭气检测感应装置可等效于可变电阻，由于其材料特性导致电阻值变化范围非常大。设定电源电压为u，臭气感应材料两端电阻值为ri，采样电阻值为rs，采样电阻两端电压为us，根据欧姆定律得出us = u×ꢀrs / (ri+rs)，根据公式可以看到，当ri变化到远小于rs或者远大于rs的时候，ri每次的变化对us的影响非常小，而整个系统是通过测量采样电阻电压值us的变化，来确定臭气浓度的变化，所以当出现rs和ri相差较大时，导致此时adc采样精度利用率较低，因此很难通过采样电阻电压值us的变化来确定臭气浓度的变化。只有采样电阻值rs和臭气感应材料电阻值ri两者相近时才能使测量更加精确，而当两者电阻值相近时，根据上述公式两者的电压值分别约为电源电压的二分之一，即u/2。因此系统增加n路采样电阻，这n路采样电阻值平均分配臭气感应材料电阻值的整个变化范围，通过相对应的n路模拟开关来实时切换采样电阻值，使采样电阻值和臭气感应材料两端的电阻值匹配。10.adc采样器采集当前接入到测量回路中的采样电阻的电压值，如果电压值比预先计算得出的电压值范围偏高或者偏低时，说明此时采样电阻值偏离臭气检测感应装置电阻值过大，主控mcu控制n路模拟开关切换采样电阻，直到当前采样电压值范围在预先计算得到电压值范围内，说明此时采样电阻值与臭气检测感应装置电阻值偏差较小，此时测量值精度高。11.进一步地，电源为dc直流恒压电源，负责给测量回路以及adc采样器和主控mcu供电。12.进一步地，臭气检测感应装置包括加热器、氧化铝基板以及在氧化铝基板上的金属氧化物半导体。如果空气中存在检测对象气体，该气体的浓度越高，传感器的电导率也会越高。通过测量回路，就可以将电导率的变化转换成与该气体浓度相对应的电压信号输出。13.进一步地，6≤n≤10。14.本实用新型能够实现实时自动切换采样电阻值，保证臭气传感器在全量程测量范围内具有高测量精度。附图说明15.图1是本实用新型的臭气传感器结构示意图16.图2是臭气检测感应装置结构示意图，其中：1-加热器，2-氧化铝基板，3-金属氧化物半导体。具体实施方式17.下面结合说明书附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型的保护范围。18.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或数量或位置。19.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。20.臭气传感器，如图1所示，包括电源、臭气检测感应装置、8路采样电阻、8路模拟开关、adc采样器和主控mcu。如图2所示，臭气检测感应装置包括加热器1、氧化铝基板2以及在氧化铝基板2上的金属氧化物半导体3。21.实施例122.电源供电电压为直流dc+5v，臭气检测感应装置电阻值变化范围为10~100kω，采样电阻值的设置应均分10~100kω的测量范围，计算得出相邻采样电阻值在10kω左右为最佳，根据实际国标电阻情况分别设置为12.4kω、24kω、36kω、51kω、62kω、75kω、91kω、100kω。通过计算得出当采样电压范围在1.8~3.4v区间时采样电阻值为最佳。测量开始后臭气检测感应装置的电阻值随着臭气浓度值变化，adc采样器采集当前接入到测量回路中的采样电阻的电压值，如果电压值低于1.8v时主控mcu控制模拟开关切换采样电阻值大一档，当电压高于3.4v时主控mcu控制模拟开关切换采样电阻值小一档，直至采样电压范围在1.8~3.4v区间内，此时测量值精度最高。例如当前采样电阻值为51kω，而臭气检测感应装置电阻值由51kω缓慢变化到24kω，根据欧姆定律可以计算得出采样电阻两端电话会从2.5v开始一直升高到3.4v，此时如果臭气检测感应装置电阻值继续减小到12.4kω，采样电阻两端电压值变为4.02v，电压会变的非常高，如果当电压高于预先计算好的3.4v时开始通过8路模拟切换采样电阻，当检测感应材料电阻值变化到12.4kω时，此时采样电阻值切换为12.4kω，此时采样电阻两端电压值为2.5v，正好位于adc采集器采样电压正中心，这样采样数据精度会非常高。23.实施例224.电源供电电压为直流dc+5v，臭气检测感应装置电阻值变化范围为10~200kω，采样电阻值的设置应均分10~200kω的测量范围，计算得出相邻采样电阻值在20kω左右为最佳，根据实际国标电阻情况分别设置为21kω、47kω、63kω、81kω、100kω、120kω、149kω、160kω。通过计算得出当采样电压范围在2~3v区间时采样电阻值为最佳。测量开始后臭气检测感应装置的电阻值随着臭气浓度值变化，adc采样器采集当前接入到测量回路中的采样电阻的电压值，如果电压值低于2v时主控mcu控制模拟开关切换采样电阻值大一档，当电压高于3v时主控mcu控制模拟开关切换采样电阻值小一档，直至采样电压范围在2~3v区间内，此时测量值精度最高。例如当前采样电阻值为81kω，而臭气检测感应装置电阻值由81kω缓慢变化到47kω，根据欧姆定律可以计算得出采样电阻两端电话会从2.5v开始一直升高到3.16v，此时如果臭气检测感应装置电阻值继续减小到21kω，采样电阻两端电压值变为3.97v，电压会变的非常高，如果当电压高于预先计算好的3v时开始通过8路模拟切换采样电阻，当检测感应材料电阻值变化到21kω时，此时采样电阻值切换为21kω，此时采样电阻两端电压值为2.5v，正好位于adc采集器采样电压正中心，此时采样数据精度会非常高。25.尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。本实用新型的保护范围由权利要求书及其等同技术方案限定。









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