CN105403596A - 一种基于纳米复合材料的便携式气体检测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳米复合材料的便携式气体检测***。本发明首先采用微机械加工方法在基底上加工制备叉指电极，在其表面覆盖一层纳米复合材料作为气敏涂层，组成气体传感器元器件，接着外接***电路，包含电源、信号调理电路、数模转换电路、微处理器控制单元和上位机五个部分。气体传感器元器件与***电路构成了可以用于检测气体的便携式检测***。本发明所述传感***结构简单，并具有高的灵敏度和低的检测限，可广泛用于室温下气体的检测报警。

Description

一种基于纳米复合材料的便携式气体检测***

技术领域

本发明涉及一种气体检测领域的气体检测***，具体涉及一种基于纳米复合材料的便携式气体检测***。

背景技术

气敏传感器是用来检测气体的成份和含量的传感器。随着纳米技术的发展，基于纳米复合材料的气敏传感器已获得长足进展。其中各种金属氧化物半导体纳米材料和碳纳米材料等都已经各自用来构建气敏传感器。然而单一的金属氧化物半导体纳米材料很难在室温下对气体产生响应，碳纳米材料在室温下对于气体的响应效果则不甚理想。气体检测***可有效检测气体的浓度和类别，防止误入环境中的有害有毒气体造成伤害。其主要利用气体传感器来检测环境中存在的气体种类。

发明内容

本发明针对现有技术上的不足，提供了一种基于纳米复合材料的便携式气体检测***，可在室温下对气体进行远程实时监测，具有高的响应值和低的检测限。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于纳米复合材料的便携式气体检测***，由气体传感器和***电路组成。

气体传感器包括基底、叉指电极和气敏涂层，叉指电极位于基底之上，气敏涂层是指覆盖在叉指电极表面并能与目标气体进行反应的纳米复合材料。

优选地，基底为硅基底、聚合物基底、陶瓷基底或蓝宝石基底之中的一种。

优选地，叉指电极由微机械加工工艺得到，叉指电极的正负电极间距为300～800μm，相邻两个叉指电极间距为100～500μm。

优选地，纳米复合材料由金属氧化物纳米材料与碳纳米材料复合而成，金属氧化物纳米材料为氧化锌、二氧化锡、氧化亚铜、氧化铁、二氧化铈之中的一种，碳纳米材料为碳纳米管、石墨烯、C60之中的一种。金属氧化物纳米材料与碳纳米材料的质量百分比为50:50、60:40、70:30、80:20或90:10中的一种。

***电路包括以下五个部分：

信号调理电路：对气体传感器受目标气体浓度影响而产生的阻值变化信号进行调理，使阻值变化信号转化为电压信号。

优选地，信号调理电路利用惠斯通电桥将气体传感器产生的阻值变化信号转化为微电压量信号，微电压量信号再经放大电路调理成电压信号。放大电路采用仪表放大器，参考电压由稳压芯片提供。

数模转换电路：将电压信号转化为数字信号，以便于后续的数据处理。

优选地，数模转换电路采用模拟数字转换器，模拟数字转换器的***时钟由微处理器控制单元提供。

上位机：安装了操作***的计算机,实现对检测***的实时监控。计算机的串口通过蓝牙收发装置与微处理器的串口相连接，遵循通用单片机通讯协议进行通信。

优选地，上位机利用监控***设计软件来设计监控画面。监控画面内含有历史趋势曲线图、气体浓度实时显示、睡眠模式按钮、断电按钮、报警灯、调节报警上限的游标等。

微处理器控制单元：负责数据采集、数据处理和人机交互，以及与上位机进行通信。数据采集主要指数模转换值的采集。所采用的微处理器需具有可编程时钟输出功能。

电源：分为模拟电路电源和数字电路电源两部分，模拟电路电源和数字电路电源分开供电，模拟电路电源用于信号调理电路和数模转换电路模拟部分的供电，数字电路电源用于数模转换电路数字部分和微处理器控制单元的供电。因为信号调理电路涉及弱小信号，所以对模拟电路的电源要求较高，电源的噪声干扰要尽可能的小。在此***的电源设计中，采用模拟电路和数字电路分开供电，以避免数字电路产生的噪声影响模拟电路。

电源由电池作能源，配合稳压器输出所需的电压。为了实现远程断电，开关部分采用了继电器自锁电路。

以下将结合附图对本发明的构思、具体实例及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明。提供这些说明的目的仅在于帮助解释本发明，不应当用来限制本发明的权利要求的范围。

附图说明

图1为本发明一个较佳实施例制备的氧化锌纳米线-石墨烯复合材料的低倍扫描电镜照片。

图2为本发明一个较佳实施例制备的氧化锌纳米线-石墨烯复合材料的高倍扫描电镜照片；

图3为本发明一个较佳实施例制备的便携式气体检测***的气体传感器元器件结构示意图；

图4为本发明一个较佳实施例制备的便携式气体检测***的电路原理图；

图5为本发明一个较佳实施例制备的便携式气体检测***的微处理器读写ADS1210程序流程图；

图6为本发明一个较佳实施例制备的便携式气体检测***的微处理器程序流程图；

图7为本发明一个较佳实施例制备的便携式气体检测***的***框图；

图8为本发明一个较佳实施例制备的便携式气体检测***在室温下对50ppm浓度氨气的响应曲线图；

图9为本发明一个较佳实施例制备的便携式气体检测***在室温下对不同浓度氨气的响应曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

分别将质量分数为0.5g氧化锌纳米线，0.1g聚乙烯吡咯烷酮与0.5g的氧化石墨烯溶解于50ml的去离子水中，混合搅拌1h，离心3次后置于真空烘箱内50℃干燥24h，得到氧化锌纳米线-氧化石墨烯复合材料。将得到的复合材料进行氩气保护下的退火热处理，退火温度为300℃，退火时间为30min，得到氧化锌纳米线-石墨烯复合材料。以1mg/L的浓度将此复合材料的粉末加入到去离子水中，以40KHz超声处理10min，使得复合材料均匀分散在溶剂中，从而得到氧化锌纳米线-石墨烯复合材料的分散液。取1μL复合材料分散液滴到叉指电极表面，真空干燥1h，从而得到气体传感器元器件。图1和图2为氧化锌纳米线-石墨烯复合材料的扫描电镜照片，图3为本发明的便携式气体检测***的气体传感器元器件示意图。

图4为电路原理图，因传感器的理想工作电压在0.05～0.1V附近，R7、R8分压电阻均取100K。RW为5K电位器，用来调节平衡点。电桥由REF1004稳压得到的2.5V参考电压驱动，使电桥两检测点电位钳在2.5V附近。放大电路采用仪表放大器AD620。AD620的参考电压由REF1112稳压得到的1.25V提供。信号调理电路将传感器的信号调理成1.25～3.75V的电压信号，来匹配模拟数字转换器的输入。AD620由高精度2K电位器RG来调节增益，由它可调节整个传感器的量程。

数模转换电路采用ADS1210转换器。ADS1210为单一+5V供电，有内/外参考电压和内部自校准***。因使用ADS1210内部参考电压效果不理想，采用外部2.5V参考电压，由REF1004稳压提供。将ADS1210反相输入端连接至2.5V参考电压，且将它的程控放大器放大倍数设为4，将转化器输入电压范围设置成1.25～3.75V，与信号调理电路的输出电压相匹配。ADS1210的***时钟由微处理器输出时钟提供。图5为微处理器读写ADS1210程序流程图。

微处理器控制单元STC10F08XE作为传感器***的控制核心，负责AD转换值的采集、数据处理，以及与上位机进行通信。STC10F08XE具有可编程时钟输出功能，如图3，时钟输出CLKOUT1(T1/P3.4)为ADS1210提供***时钟。图6为微处理器程序流程图。

按照图7的***框图设计检测***的***电路，模拟电路的供电采用MAX666芯片，5V可编程微功率稳压器，输出5V电压。MAX666的shutdown引脚可以由CMOS逻辑电平来控制开启(<0.3V)/关闭(>1.4V)电压输出V_out。利用此功能可在睡眠模式中编程控制MAX666的电压输出以降低功耗。MAX666还具有低电压监测功能，当引脚LBI的电位低于内部参考电压1.3V时，引脚LBO电平变低。通过对输入电压进行电阻分压可以设置任意参考电压以上的电压为阈值，设置的电压阈值通过下式可以计算得出：

$V_{BATT}=\left(\frac{R9}{R10}+1\right)\&times;1.3\&ap;6V$

其中V_BATT为期望的电压阈值，R9和R10为输入电压的分压电阻。数字电路中均为逻辑电平，容错能力强，故电源要求低，所以采用最常用LM7805三端稳压器件输出5V。因***设置睡眠模式以降低功耗，故用IRLML6401，P型金属-氧化物-半导体场效应晶体管，作为可控开关通过编程控制数模转换电路数字电源的通断。

图8为便携式气体检测***对50ppm浓度氨气的响应曲线图，可以发现传感器对50ppm浓度氨气的响应值达到了7.2％，响应时间小于50s，恢复时间小于200s。

图9为便携式气体检测***对不同浓度氨气的响应曲线图，随着氨气分子浓度的增加，传感器的响应值逐渐增强，最低检测浓度可低至500ppb。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于纳米复合材料的便携式气体检测***，其特征在于，所述检测***由气体传感器和***电路组成；

所述气体传感器包括基底、叉指电极和气敏涂层，所述叉指电极位于所述基底之上，所述气敏涂层是指覆盖在所述叉指电极表面并能与目标气体进行反应的纳米复合材料；

所述***电路包括：

信号调理电路：对所述气体传感器受所述目标气体浓度影响而产生的阻值变化信号进行调理，使所述阻值变化信号转化为电压信号；

数模转换电路：将所述电压信号转化为数字信号，以便于后续的数据处理；

上位机：安装了操作***的计算机,实现对所述检测***的实时监控；

微处理器控制单元：负责数据采集、数据处理和人机交互，以及与所述上位机进行通信；

电源：分为模拟电路电源和数字电路电源两部分，所述模拟电路电源和所述数字电路电源分开供电，所述模拟电路电源用于所述信号调理电路和所述数模转换电路模拟部分的供电，所述数字电路电源用于所述数模转换电路数字部分和所述微处理器控制单元的供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于纳米复合材料的便携式气体检测***，其特征在于，所述基底为硅基底、聚合物基底、陶瓷基底或蓝宝石基底之中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种基于纳米复合材料的便携式气体检测***，其特征在于，所述叉指电极由微机械加工工艺得到，所述叉指电极的正负电极间距为300～800μm，相邻两个所述叉指电极间距为100～500μm。

4.根据权利要求1所述的一种基于纳米复合材料的便携式气体检测***，其特征在于，所述纳米复合材料由金属氧化物纳米材料与碳纳米材料复合而成，所述金属氧化物纳米材料为氧化锌、二氧化锡、氧化亚铜、氧化铁、二氧化铈之中的一种，所述碳纳米材料为碳纳米管、石墨烯、C60之中的一种。

5.根据权利要求4所述的一种基于纳米复合材料的便携式气体检测***，其特征在于，所述金属氧化物纳米材料与所述碳纳米材料的质量百分比为50:50、60:40、70:30、80:20或90:10中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种基于纳米复合材料的便携式气体检测***，其特征在于，所述信号调理电路利用惠斯通电桥将所述气体传感器产生的所述阻值变化信号转化为微电压量信号，所述微电压量信号再经放大电路调理成所述电压信号。

7.根据权利要求6所述的一种基于纳米复合材料的便携式气体检测***，其特征在于，所述放大电路采用仪表放大器，参考电压由稳压芯片提供。

8.根据权利要求1所述的一种基于纳米复合材料的便携式气体检测***，其特征在于，所述数模转换电路采用模拟数字转换器，所述模拟数字转换器的***时钟由所述微处理器控制单元提供。

9.根据权利要求1所述的一种基于纳米复合材料的便携式气体检测***，其特征在于，所述上位机利用监控***设计软件来设计监控画面，所述监控画面内含有历史趋势曲线图、气体浓度实时显示、睡眠模式按钮、断电按钮、报警灯、调节报警上限的游标。