CN108802150A - 一种基于四电极***的新型气态污染物浓度传感器 - Google Patents
一种基于四电极***的新型气态污染物浓度传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一利基于四电极***的新型气态污染物浓度传感器，该传感器包括防护安装壳体(1)、电化学敏感元件(2)、信号放大电路板(3)、主控电路反(4)和接口电路板(5)，电化学敏感元件(2)、信号放大电路板(3)、主控电路板(4)和接口电路板(5)依次安装在防护安装壳体(1)的内部，本发明结构简单新颖，外形体积小巧精致，可接入不同电化学反应类型的敏感元件，适用于多种气态污染物特征指标的参数采集，可抵消因环境变化引起的测量误差，监测精确度高，整体运行稳定性好，具有功能选择引脚，使应用更加灵活，设有温湿度传感器，使出厂校准和定期校准更加方便快捷。
Description
技术领域
本发明涉及空气检测技术领域，具体涉及一种基于四电极***的新型气态污染物浓度传感器。
背景技术
随着工业化发展进程的加快，在区域污染源与本地污染源的共同作用下导致某些地区出现复合型空气污染，城市化加速与交通需求快速增长导致机动车数量持续保持上升趋势，机动车尾气污染较为严重。2012年初我国发布的《环境空气质量指数AQI技术规定(试行)》中，科学定义描述了空气质量状况的无量纲指数AQI，即空气质量指数(Air QualityIndex)，空气污染物监测项为6项：PM2.5、PM10、一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮和地面臭氧。2016年，新的《环境空气质量标准》(GB3095-2012)在我国全面实施，标准中更加强调了颗粒物浓度(PM2.5、PM10)和气态污染物浓度(一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮和臭氧)是作为计算空气质量指数的重要参数。
在实际的空气质量监测中，气态污染物浓度的测定方法大多为吸收光谱测定法，这种测定方法具有检测精度高的优势，但是，这种测定方法所依赖的点式采样装置中的开放式光程分析仪器和校准设备价格昂贵，布设方式复杂，不适宜大范围、高密集度的点位布设。随着国务院办公厅《关于加强环境监管执法的通知》的颁布，各地政府纷纷走上了网格化空气质量监测及治理之路，通过科学的密集布点和趋势分析，有效提升了大气污染监测及治理的工作效率。在网格化空气质量监测***中，电化学传感器因其具有体积小、测量精度高、生产成本相对较低等特点，很快成为了网格化大气污染监测***中测量气态污染物传感器的首选。现有的电化学传感器为二电极式，在实际使用中存在测量分辨率较低，监测精确度较差的缺点
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的不足，提供一种基于四电极***的新型气态污染物浓度传感器，结构简单新颖，外形体积小巧精致，可接入不同电化学反应类型的敏感元件，适用于多种气态污染物特征指标的参数采集，可抵消因环境变化引起的测量误差，监测精确度高，整体运行稳定性好，具有功能选择引脚，使应用更加灵活，设有温湿度传感器，使出厂校准和定期校准更加方便快捷。
本发明采用的技术方案是：一种基于四电极***的新型气态污染物浓度传感器，包括防护安装壳体1、电化学敏感元件2、信号放大电路板3、主控电路板4和接口电路板5，电化学敏感元件2、信号放大电路板3、主控电路板4和接口电路板5依次安装在防护安装壳体1的内部，防护安装壳体1的外形呈圆柱体形状，包括上壳体11和下壳体12，上壳体11的中间设置有上安装腔13，上壳体11的顶端设置有通风进气口14，通风进气口14与上安装腔13连通，通风进气口14的内径尺寸小于上安装腔13的内径尺寸，其之间有上定位平面15，上定位平面15上设置有金属防护过滤网16，下壳体12的中间设置有下安装腔17，下壳体12的底端设置有安装过孔18，安装过孔18与下安装腔17连通，安装过孔18的内径尺寸小于下安装腔17的内径尺寸，其之间有下定位平面19，上壳体11和下壳体12螺纹连接，上安装腔13与下安装腔17相连通，电化学敏感元件2的顶部设置有密封环21，其底部设置有工作电极插针22、对电极插针23、参考电极插针24和辅助电极插针25，信号放大电路板3上设置有一级信号放大电路31、二级信号放大电路32和四个电极插孔33，主控电路板4上设置有模拟数字转换器41、低压差线性稳压器42、单片机43和温湿度传感器44，接口电路板5上设置有电源正极引脚51、电源负极引脚52、数据接收引脚53、数据发送引脚54、方向控制引脚55、功能选择引脚56和预留引脚57，主控电路板4设置在信号放大电路板3和接口电路板5之间，信号放大电路板3和主控电路板4之间设置有电源插针6和模拟信号插针7，主控电路板4和接口电路板5之间设置有电源插针6和数字信号插针8，密封环21与金属防护过滤网16相接触，工作电极插针22、对电极插针23、参考电极插针24和辅助电极插针25分别***在四个电极插孔33内，接口电路板5与下定位平面19相接触，电源正极引脚51、电源负极引脚52、数据接收引脚53、数据发送引脚54、方向控制引脚55、功能选择引脚56和预留引脚57穿过安装过孔18延伸至下壳体12外部。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：结构简单新颖，外形体积小巧精致，可接入不同电化学反应类型的敏感元件，适用于多种气态污染物特征指标的参数采集，可抵消因环境变化引起的测量误差，监测精确度高，整体运行稳定性好，具有功能选择引脚，使应用更加灵活，设有温湿度传感器，使出厂校准和定期校准更加方便快捷。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，
图2为本发明中防护安装壳体的结构示意图，
图3为本发明中电化学敏感元件的结构示意图，
图4为本发明中信号放大电路板的结构示意图，
图5为本发明中主控电路板的结构示意图，
图6为本发明中接口电路板的结构示意图。
具体实施方式
如图1、冬2、图3、图4、图5和图6所示，一种基于四电极***的新型气态污染物浓度传感器，包括防护安装壳体1、电化学敏感元件2、信号放大电路板3、主控电路板4和接口电路板5，电化学敏感元件2、信号放大电路板3、主控电路板4和接口电路板5依次安装在防护安装壳体1的内部，防护安装壳体1的外形呈圆柱体形状，包括上壳体11和下壳体12，上壳体11的中间设置有上安装腔13，上壳体11的顶端设置有通风进气口14，通风进气口14与上安装腔13连通，通风进气口14的内径尺寸小于上安装腔13的内径尺寸，其之间有上定位平面15，上定位平面15上设置有金属防护过滤网16，下壳体12的中间设置有下安装腔17，下壳体12的底端设置有安装过孔18，安装过孔18与下安装腔17连通，安装过孔18的内径尺寸小于下安装腔17的内径尺寸，其之间有下定位平面19，上壳体11和下壳体12螺纹连接，上安装腔13与下安装腔17相连通，电化学敏感元件2的顶部设置有密封环21，其底部设置有工作电极插针22、对电极插针23、参考电极插针24和辅助电极插针25，信号放大电路板3上设置有一级信号放大电路31、二级信号放大电路32和四个电极插孔33，主控电路板4上设置有模拟数字转换器41、低压差线性稳压器42、单片机43和温湿度传感器44，接口电路板5上设置有电源正极引脚51、电源负极引脚52、数据接收引脚53、数据发送引脚54、方向控制引脚55、功能选择引脚56和预留引脚57，主控电路板4设置在信号放大电路板3和接口电路板5之间，信号放大电路板3和主控电路板4之间设置有电源插针6和模拟信号插针7，主控电路板4和接口电路板5之间设置有电源插针6和数字信号插针8，密封环21与金属防护过滤网16相接触，工作电极插针22、对电极插针23、参考电极插针24和辅助电极插针25分别***在四个电极插孔33内，接口电路板5与下定位平面19相接触，电源正极引脚51、电源负极引脚52、数据接收引脚53、数据发送引脚54、方向控制引脚55、功能选择引脚56和预留引脚57穿过安装过孔18延伸至下壳体12外部。
该新型气态污染物浓度传感器采用层次化组装设计，从上至下依次为金属防护过滤网、电化学敏感元件、信号放大电路板、主控电路板和接口电路板，其外部设置有防护安装壳体，用于保护内部的敏感元件和电路板。
电化学敏感元件设置有工作电极、对电极、参考电极和辅助电极四个电极，其工作电极和对电极由一薄层电解液隔开并经由一个很小的电阻连通外部电路，当气体扩散进入传感器后，在工作电极表面进行氧化或还原反应，产生电流并通过外部电路流经两个电极。气体的浓度与该电流的大小成比例关系，可通过测量外部电流测得；参考电极接通外部的一个恒电位电路，使工作电极与参考电极之间保持一个固定电压值，由于参考电极中无电流流过，因此参考电极和工作电极均维持在一个恒定的点位，避免工作电极产生极化。辅助电极与工作电极存在于同一个环境中，但辅助电极不参与电化学反应，因此将工作电极和辅助电极的差值作为气体浓度的参考值，抵消了因环境变化引起的测量误差。
信号放大电路板上设置有两级放大电路，一级信号放大电路的作用是将工作电极和辅助电极的微电流信号进行放大，其放大倍数可根据不同敏感元件的特征曲线调节相应的电阻阻值进行调整。二级信号放大电路用作电流电压转换器，针对接入的电化学敏感元件化学反应类型不同，有些产生的是氧化反应，其工作和辅助电极上产生的输出电流为正(如CO、SO2)，有些产生的是还原反应，其工作和辅助电极上产生的输出电流为负(如NO2、03)。对应这一特性，在一级和二级信号放大电路之间设置有电阻网络，通过对焊接位置的选择，使得最终输出的电压信号为正。此外针对需要偏压操作的其它所有敏感元件(如NO)，也可以通过选择焊接不同位置的电阻，进行偏压设置。
主控电路板上设置有模拟数字转换器、低压差线性稳压器、单片机和温湿度传感器，单片机控制模拟数字转换器将模拟电压信号转化为数字信号将数据采集进入单片机，同时单片机通过温湿度传感器实时采集环境温湿度，作为校准时的温湿度数据参考，单片机和温湿度传感器通过低压差线性稳压器转化的电源进行供电。
接口电路板负责与传感器外部的设备进行通讯和外部取电，其板上设置有七个引脚，分别为电源正极引脚、电源负极引脚、数据接收引脚、数据发送引脚、方向控制引脚、功能选择引脚和预留引脚。
三层电路板之间通过插针进行电源连接和数据通信。三层电路板连接在一起和电化学敏感元件组合成一个整体，并设置于防护安装壳体内部。电化学敏感元件和防护安装壳体之间设置有金属防护过滤网，用于滤除干扰物质，避免大颗粒物质堵塞通风进气通道。
该新型气态污染物浓度传感器采用工作电极和辅助电极两路输出取差值作为结果，可抵消因环境变化引起的测量误差，提高了传感器整体稳定性；通过调整信号放大电路板上的电阻位置和阻值，可接入不同电化学反应类型的四电极敏感元件，适用于多种气态污染物特征指标的参数采集；主控电路板上设置的温湿度传感器，配合单片机内部的校准程序方便出厂校准和用户定期校准；接口电路板上具有功能选择引脚，用户可根据配置该引脚的电平高低，选择不同的传输协议，使传感器应用更加灵活。
Claims (1)
1.一种基于四电极***的新型气态污染物浓度传感器，其特征在于，包括防护安装壳体(1)、电化学敏感元件(2)、信号放大电路板(3)、主控电路板(4)和接口电路板(5)，电化学敏感元件(2)、信号放大电路板(3)、主控电路板(4)和接口电路板(5)依次安装在防护安装壳体(1)的内部，防护安装壳体(1)的外形呈圆柱体形状，包括上壳体(11)和下壳体(12)，上壳体(11)的中间设置有上安装腔(13)，上壳体(11)的顶端设置有通风进气口(14)，通风进气口(14)与上安装腔(13)连通，通风进气口(14)的内径尺寸小于上安装腔(13)的内径尺寸，其之间有上定位平面(15)，上定位平面(15)上设置有金属防护过滤网(16)，下壳体(12)的中间设置有下安装腔(17)，下壳体(12)的底端设置有安装过孔(18)，安装过孔(18)与下安装腔(17)连通，安装过孔(18)的内径尺寸小于下安装腔(17)的内径尺寸，其之间有下定位平面(19)，上壳体(11)和下壳体(12)螺纹连接，上安装腔(13)与下安装腔(17)相连通，电化学敏感元件(2)的顶部设置有密封环(21)，其底部设置有工作电极插针(22)、对电极插针(23)、参考电极插针(24)和辅助电极插针(25)，信号放大电路板(3)上设置有一级信号放大电路(31)、二级信号放大电路(32)和四个电极插孔(33)，主控电路板(4)上设置有模拟数字转换器(41)、低压差线性稳压器(42)、单片机(43)和温湿度传感器(44)，接口电路板(5)上设置有电源正极引脚(51)、电源负极引脚(52)、数据接收引脚(53)、数据发送引脚(54)、方向控制引脚(55)、功能选择引脚(56)和预留引脚(57)，主控电路板(4)设置在信号放大电路板(3)和接口电路板(5)之间，信号放大电路板(3)和主控电路板(4)之间设置有电源插针(6)和模拟信号插针(7)，主控电路板(4)和接口电路板(5)之间设置有电源插针(6)和数字信号插针(8)，密封环(21)与金属防护过滤网(16)相接触，工作电极插针(22)、对电极插针(23)、参考电极插针(21)和辅助电极插针(25)分别***在四个电极插孔(33)内，接口电路板(5)与下定位平面(19)相接触，电源正极引脚(51)、电源负极引脚(52)、数据接收引脚(53)、数据发送引脚(54)、方向控制引脚(55)、功能选择引脚(56)和预留引脚(57)穿过安装过孔(18)延伸至下壳体(12)外部。
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