CN111796000A - 基于气敏半导体的小型化臭氧监测器及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于气敏半导体的小型化臭氧监测器及监测方法，涉及臭氧监测领域。监测器包括：外置泵、第一存储器、环境传感器、逻辑控制器和至少一个臭氧传感器，所述逻辑控制器分别与所述外置泵、所述第一存储器、所述环境传感器和每个所述臭氧传感器连接。本发明适用于近地面的臭氧监测，能够方便快捷地得到环境中的臭氧含量，可以在小型化的仪器上实现准确的臭氧监测，能够满足仪器在移动/固定的多变环境下正常工作的需求，具有测量准确的优点。
Description
技术领域
本发明涉及臭氧监测领域，尤其涉及基于气敏半导体的小型化臭氧监测器及监测方法。
背景技术
目前，对于常用臭氧的原位测量通常是基于紫外光度法和电化学法等。紫外光度法由专门的实验室观测仪器进行观测，通常固定在实验室中进行环境臭氧观测，由气泵从室外抽气至仪器中进行测量。紫外光度法需要有足够长的吸收光程才能达到较高的测量精度，小型化的仪器通常受光程长度的局限测量精度波动较大。此外，臭氧分子的吸收截面受温度和压力的影响，小型化的仪器通常很难进行控温，导致数值波动大。因此，紫外光度法难以在小型仪器上实现准确的臭氧监测。
电化学法需要有电解池，电解池空间有限，决定了该方法无法进行长时间的测量，一般只用于臭氧的一次性垂直廓线测量，持续时间一般不超过2小时，并且电解池内的溶液受温度影响明显，在低温下容易凝结，需要加热保温处理，导致也难以在小型仪器上实现准确的臭氧监测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于气敏半导体的小型化臭氧监测器及监测方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种基于气敏半导体的小型化臭氧监测器，包括：外置泵、第一存储器、环境传感器、逻辑控制器和至少一个臭氧传感器，所述逻辑控制器分别与所述外置泵、所述第一存储器、所述环境传感器和每个所述臭氧传感器连接，其中：
所述外置泵用于给所述臭氧传感器提供稳定的通过气流，所述臭氧传感器包括：气敏半导体材料和信号处理电路，所述气敏半导体材料用于在与不同浓度的臭氧分子接触时产生对应的电信号，所述信号处理电路用于对所述气敏半导体材料产生的电信号进行识别和处理，得到臭氧数据；所述逻辑控制器用于读取存储在所述第一存储器内的***程序，根据所述***程序获取所述臭氧传感器监测到的臭氧数据，以及所述环境传感器采集环境的环境信息。
本发明提供的臭氧监测器，通过外置泵向臭氧传感器提供稳定的通过气流，再通过包含气敏半导体材料的臭氧传感器对气流中的臭氧进行监测，通过气敏半导体材料对臭氧分子敏感的特性，生成相应的电信号，然后进行检测，能够方便快捷地得到环境中的臭氧含量。由于半导体传感器具有自身体积小、重量轻、结构简单、寿命长的优点，且测量精度受温度和压力变化的影响小，只需要简单的预热就可以正常工作。因此可以在小型化的仪器上实现准确的臭氧监测，能够满足仪器在移动/固定的多变环境下正常工作的需求，具有测量准确的优点，有助于在近地面上实现更广泛的观测，而且在边界层垂直廓线探测上具有广阔的应用前景。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：
一种臭氧监测方法，使用如上述技术方案所述的小型化臭氧监测器监测环境中的臭氧数据。
本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
图1为本发明小型化臭氧监测器的实施例提供的结构框架示意图；
图2为本发明小型化臭氧监测器的其他实施例提供的单臭氧传感器结构框架示意图；
图3为本发明小型化臭氧监测器的其他实施例提供的多臭氧传感器结构框架示意图；
图4为本发明小型化臭氧监测器的其他实施例提供的单臭氧传感器数据流程示意图；
图5为本发明小型化臭氧监测器的其他实施例提供的多臭氧传感器数据流程示意图
图6为本发明小型化臭氧监测器的实施例提供的校准流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
目前，常用臭氧的原位测量通常是基于紫外光度法。由于紫外光度法需要有足够长的吸收光程才能达到较高的测量精度，相关仪器体积与重量较大，对供电也又严格要求，而小型化的仪器通常受光程长度的局限测量精度波动较大，且很难进行控温，导致数值波动大，测量精度和准确性收到一定的影响。其它的如基于电化学传感器的测量方法容易受环境空气中的NOx和SO2的干扰，不适合在相对污染的大气边界层里进行观测。
为了解决便于移动的小型化臭氧监测需求，本发明设计并制作了一种小型化的基于气敏半导体传感器的臭氧监测仪，使其能够在近地面进行长时间、原位的臭氧测量，近地面通常是距地0-500m高度大气，并能够随身佩戴用于臭氧暴露的直接测量。
如图1所示，为本发明小型化臭氧监测器的实施例提供的结构框架示意图，该小型化臭氧监测器解决人体臭氧暴露直接测量以及垂直观测所要求的小型化和干扰小的问题，包括：外置泵1、第一存储器2、环境传感器3、逻辑控制器4和至少一个臭氧传感器5，逻辑控制器4分别与外置泵1、第一存储器2、环境传感器3和每个臭氧传感器5连接，其中：
外置泵1用于给臭氧传感器5提供稳定的通过气流，臭氧传感器5包括：气敏半导体材料和信号处理电路，气敏半导体材料用于在与不同浓度的臭氧分子接触时产生对应的电信号，信号处理电路用于对气敏半导体材料产生的电信号进行识别和处理，得到臭氧数据；逻辑控制器4用于读取存储在第一存储器2内的***程序，根据***程序获取臭氧传感器5监测到的臭氧数据，以及环境传感器3采集环境的环境信息。
应理解，存储在第一存储器2内的***程序可以由Python、C语言等预先编写，第一存储器2可以为存储卡，可以设置在逻辑控制器4上，可以替换。
下面对***程序的功能进行说明。
1.采集功能：程序在启动时，分别创建若干进程，每个进行分别创建相应的计划任务，这些计划任务用以获取各类信号，如臭氧传感器5信号、环境传感器3信号和卫星定位信号，或者4G、5G或射频数据发送，或者数据合并等。
2.处理功能：获取原始信号后，程序对信号进行处理与加工。从指令端的控制信号获取时间、经纬度、高度值；从臭氧传感器5信号获取臭氧值；从环境传感器3信号获取温度、湿度、气压值；从卫星定位获取详细地理位置信息。
通过计划任务将若干组原始数据进行合并处理，生成观测结果数据，并进行存储。
程序获得观测结果数据后，将其导入订正公式进行处理，得到质控与订正数据，并进行存储。
3.传输功能：通过控制外部通信模块8将各类数据通过4G、5G或射频等方式发送至指定服务器。
4.显示功能：将所需显示的内容推送到显示屏上进行显示，或者显示操作***界面。
具体地，臭氧传感器5可以为Aeroqual SM50系列的传感器，环境传感器3可以为I2C BME680型号的传感器，臭氧传感器5和环境传感器3可以主动将采集到的臭氧数据和环境数据以预设的频率发送给逻辑控制器4，也可以接收逻辑控制器4发送的指令，根据指令被动地将采集到的臭氧数据和环境数据返回给逻辑控制器4。应理解，传感器的数量至少为一个，可以根据实际需求设置多个传感器，以提高臭氧监测的准确度。
如图2所示，提供了一种示例性的单臭氧传感器5结构示意图，该臭氧传感器5由12V电源稳压模块14供电，由外置泵1提供稳定的气流，通过对气流中的臭氧进行监测，得到臭氧数据，通过内部通信模块9发送给逻辑控制器4，进行后续的存储和转发处理。
如图3所示，提供了一种示例性的多臭氧传感器5结构示意图，多个臭氧传感器均由12V电源稳压模块14分别供电，由外置泵1提供稳定的气流，多个臭氧传感器5通过对气流中的臭氧进行监测，得到多份臭氧数据，分别通过独立的内部通信模块9发送给逻辑控制器4，逻辑控制器4对多份臭氧数据进行分别存储和转发处理。
应理解，在使用本发明提供的臭氧监测器进行臭氧监测时，还需要预先对仪器进行校准，校准流程如图6所示，通过臭氧发生器产生不同浓度的臭氧，然后通过臭氧检测器分别进行多次测量，将得到的测量结果进行拟合度计算，从而进行质控与订正。
本实施例提供的臭氧监测器，通过外置泵1向臭氧传感器5提供稳定的通过气流，再通过包含气敏半导体材料的臭氧传感器5对气流中的臭氧进行监测，通过气敏半导体材料对臭氧分子敏感的特性，生成相应的电信号，然后进行检测，能够方便快捷地得到环境中的臭氧含量。由于半导体传感器具有自身体积小、重量轻、结构简单、寿命长的优点，且测量精度受温度和压力变化的影响小，只需要简单的预热就可以正常工作。因此可以在小型化的仪器上实现准确的臭氧监测，能够满足仪器在移动/固定的多变环境下正常工作的需求，具有测量准确的优点，有助于在近地面上实现更广泛的观测，而且在边界层垂直廓线探测上具有广阔的应用前景。
下面结合图2和图3，对本发明提供的臭氧监测器进行进一步说明。
可选地，在一些实施例中，还包括：卫星定位模块6，卫星定位模块6与逻辑控制器4连接，用于根据逻辑控制器4的控制指令采集地理位置信息。
可选地，在一些实施例中，还包括：第二存储器7，第二存储器7与逻辑控制器4连接，用于根据逻辑控制器4的控制指令存储臭氧数据、环境信息和地理位置信息。
可选地，在一些实施例中，还包括：外部通信模块8，外部通信模块8与逻辑控制器4连接，用于根据逻辑控制器4的控制指令将臭氧数据、环境信息和地理位置信息发送至预设终端。
可选地，还包括内部通信模块9，内部通信模块9支持TTL、RS232、RS485协议，外部通信模块8支持TTL、RS232、RS485、RS422协议。
如图2、图3所示，环境传感器3、臭氧传感器5、卫星定位模块6、外部通信模块8、显示器10、操作键盘11等都通过内部通信模块9与逻辑控制器4连接。
可选地，在一些实施例中，还包括：仪器外壳，外置泵1设置在仪器外壳的表面，卫星定位模块6、第一存储器2、第二存储器7、外部通信模块8、环境传感器3、逻辑控制器4和全部臭氧传感器5设置在仪器外壳的内部。
需要说明的是，仪器外壳可以根据不同环境使用不同材质制作，例如，要求高强度耐冲击时，可以选用航空铝材料，通过CNC、氧化等工艺制作；要求重量轻时，可以选用亚克力等可塑材料，通过激光切割或注塑工艺制作。
可选地，在一些实施例中，还包括：显示器10，显示器10与逻辑控制器4连接，用于显示臭氧数据、环境信息和地理位置信息，显示器10设置在仪器外壳的表面。
可选地，在一些实施例中，还包括：操作键盘11，操作键盘11与逻辑控制器4连接，用于获取用户输入的操作指令，并发送给逻辑控制器4进行处理，操作键盘11设置在仪器外壳的表面。
可选地，在一些实施例中，还包括：供电模块，供电模块分别与逻辑控制器4和每个臭氧传感器5连接，用于为逻辑控制器4和每个臭氧传感器5供电。
如图2、图3所示，供电模块可以包括内部电池12、开关13、12V电源稳压模块14和5V电源稳压模块15，其中，12V电源稳压模块14为臭氧传感器5供电，5V电源稳压模块15为逻辑控制器4供电，卫星定位模块6、外部通信模块8、显示器10和操作键盘11等可以通过逻辑控制器4供电。
可选地，在一些实施例中，还包括：充电接口16，充电接口16设置在仪器外壳的表面，与供电模块连接，用于连接外部电源为供电模块充电，支持12-48V直流电。
应理解，本发明提供的通信接口和电源接口等，可以使用安全度更高的航空插头，也可以根据要求更换不同型号、种类插头。
在其他实施例中，如图4所示，为单臭氧传感器时的数据流程图，下面结合图4，对单臭氧传感器的数据处理流程进行说明。
首先，对臭氧监测器进行上电，臭氧传感器监测到臭氧信号，发送给逻辑控制器，经逻辑控制器处理后得到臭氧数据，环境传感器监测到环境信号，发送给逻辑控制器，经逻辑控制器处理后得到环境数据，卫星定位模块监测到定位信号，经逻辑控制器处理后得到定位数据，然后逻辑控制器将臭氧数据、环境数据和定位数据打包作为观测结果数据进行存储，并经过质控与订正后存储。然后逻辑控制器将观测结果数据和质控与订正数据进行显示或者通过4G、5G或射频等数据传输方式发送给指定服务器。
其中，环境信息包括温度、湿度、气压等。
如图5所示，为多臭氧传感器时的数据流程图，区别仅在于多个臭氧传感器采集到了臭氧信号，逻辑控制器将这些臭氧数据作为多份监测结果，与环境数据和定位数据打包作为观测结果数据。
可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施例中的部分或全部可选实施方式。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：
一种臭氧监测方法，使用如上述任意实施方式所述的小型化臭氧监测器监测环境中的臭氧数据。
读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，例如，步骤的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个步骤可以结合或者可以集成到另一个步骤，或一些特征可以忽略，或不执行。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于气敏半导体的小型化臭氧监测器，其特征在于，包括：外置泵、第一存储器、环境传感器、逻辑控制器和至少一个臭氧传感器，所述逻辑控制器分别与所述外置泵、所述第一存储器、所述环境传感器和每个所述臭氧传感器连接，其中：
所述外置泵用于给所述臭氧传感器提供稳定的通过气流，所述臭氧传感器包括：气敏半导体材料和信号处理电路，所述气敏半导体材料用于在与不同浓度的臭氧分子接触时产生对应的电信号，所述信号处理电路用于对所述气敏半导体材料产生的电信号进行识别和处理，得到臭氧数据；所述逻辑控制器用于读取存储在所述第一存储器内的***程序，根据所述***程序获取所述臭氧传感器监测到的臭氧数据，以及所述环境传感器采集环境的环境信息。
2.根据权利要求1所述的基于气敏半导体的小型化臭氧监测器，其特征在于，还包括：卫星定位模块，所述卫星定位模块与所述逻辑控制器连接，用于根据所述逻辑控制器的控制指令采集地理位置信息。
3.根据权利要求2所述的基于气敏半导体的小型化臭氧监测器，其特征在于，还包括：第二存储器，所述第二存储器与所述逻辑控制器连接，用于根据所述逻辑控制器的控制指令存储所述臭氧数据、所述环境信息和所述地理位置信息。
4.根据权利要求3所述的基于气敏半导体的小型化臭氧监测器，其特征在于，还包括：外部通信模块，所述外部通信模块与所述逻辑控制器连接，用于根据所述逻辑控制器的控制指令将所述臭氧数据、所述环境信息和所述地理位置信息发送至预设终端。
5.根据权利要求4所述的基于气敏半导体的小型化臭氧监测器，其特征在于，还包括：仪器外壳，所述外置泵设置在所述仪器外壳的表面，所述卫星定位模块、所述第一存储器、所述第二存储器、所述外部通信模块、所述环境传感器、所述逻辑控制器和全部所述臭氧传感器设置在所述仪器外壳的内部。
6.根据权利要求5所述的基于气敏半导体的小型化臭氧监测器，其特征在于，还包括：显示器，所述显示器与所述逻辑控制器连接，用于显示所述臭氧数据、所述环境信息和所述地理位置信息，所述显示器设置在所述仪器外壳的表面。
7.根据权利要求6所述的基于气敏半导体的小型化臭氧监测器，其特征在于，还包括：操作键盘，所述操作键盘与所述逻辑控制器连接，用于获取用户输入的操作指令，并发送给所述逻辑控制器进行处理，所述操作键盘设置在所述仪器外壳的表面。
8.根据权利要求7所述的基于气敏半导体的小型化臭氧监测器，其特征在于，还包括：供电模块，所述供电模块分别与所述逻辑控制器和每个所述臭氧传感器连接，用于为所述逻辑控制器和每个所述臭氧传感器供电。
9.根据权利要求8所述的基于气敏半导体的小型化臭氧监测器，其特征在于，还包括：充电接口，所述充电接口设置在所述仪器外壳的表面，与所述供电模块连接，用于连接外部电源为所述供电模块充电。
10.一种臭氧监测方法，其特征在于，使用如权利要求1至9中任一项所述的小型化臭氧监测器监测环境中的臭氧数据。
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