CN111812160A - 用于高分辨率气体感测的集成、小型化、无线感测电子平台 - Google Patents
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Abstract
本发明的主题是“用于高分辨率气体感测的集成、小型化、无线感测电子平台”。提供一种位于印刷电路板上的电子感测***。该电子感测***包括：目标气体传感器，该目标气体传感器配置成检测目标气体传感器的电阻；参考传感器，该参考传感器配置成检测参考传感器的电阻；电阻比较器，该电阻比较器包括数字电位计，该电阻比较器电连接到目标气体传感器和参考传感器，其中数字电位计配置成被调整以响应于目标气体传感器的电阻来确定第一电阻并且响应于参考传感器的电阻来确定第二电阻；以及与电阻比较器电子通信的片上***，该片上***配置成响应于第一电阻和第二电阻来确定目标气体浓度。
Description
背景技术
本文公开的主题一般涉及气体感测，并且更特定地涉及用于感测气体的设备和方法。
检测目标气体（例如，乙烯）在存在诸如例如二氧化碳和一氧化碳之类的污染物的情况下通常是困难的。
发明内容
根据一个实施例，提供位于印刷电路板上的电子感测***。该电子感测***包括：目标气体传感器，所述目标气体传感器配置成检测目标气体传感器的电阻；参考传感器，所述参考传感器配置成检测参考传感器的电阻；电阻比较器，所述电阻比较器包括数字电位计，电阻比较器电连接到目标气体传感器和参考传感器，其中数字电位计配置成被调整以响应于目标气体传感器的电阻来确定第一电阻并且响应于参考传感器的电阻来确定第二电阻；以及与电阻比较器电子通信的片上***，所述片上***配置成响应于第一电阻和第二电阻来确定目标气体浓度。
除上文描述的特征中的一个或多个特征外，或作为备选方案，另外的实施例可以包括：使电阻比较器电连接到目标气体传感器和参考传感器的多路复用器，其中所述多路复用器包括：电连接到目标气体传感器的第一端口、电连接到参考传感器的第二端口以及电连接到电阻比较器的输出端口。
除上文描述的特征中的一个或多个特征外，或作为备选方案，另外的实施例可以包括：片上***进一步包括与多路复用器电子通信的通用输入输出。
除上文描述的特征中的一个或多个特征外，或作为备选方案，另外的实施例可以包括：湿度传感器，所述湿度传感器配置成检测电子感测***的板上（on-board）湿度。
除上文描述的特征中的一个或多个特征外，或作为备选方案，另外的实施例可以包括：温度传感器，所述温度传感器配置成检测电子感测***的板上温度。
除上文描述的特征中的一个或多个特征外，或作为备选方案，另外的实施例可以包括：片上***进一步包括与湿度传感器电子通信的I2C。
除上文描述的特征中的一个或多个特征外，或作为备选方案，另外的实施例可以包括：片上***进一步包括与温度传感器电子通信的I2C。
除上文描述的特征中的一个或多个特征外，或作为备选方案，另外的实施例可以包括：片上***配置成调整第一电阻和第二电阻来补偿板上湿度。
除上文描述的特征中的一个或多个特征外，或作为备选方案，另外的实施例可以包括：片上***配置成调整第一电阻和第二电阻来补偿板上温度。
除上文描述的特征中的一个或多个特征外，或作为备选方案，另外的实施例可以包括：片上***进一步包括与电阻比较器电子通信的I2C。
除上文描述的特征中的一个或多个特征外，或作为备选方案，另外的实施例可以包括：低通滤波器；放大器；和模数转换器，其中I2C通过低通滤波器、放大器和模数转换器与电阻比较器电子通信。
除上文描述的特征中的一个或多个特征外，或作为备选方案，另外的实施例可以包括：片上***进一步包括：通信装置，所述通信装置配置成通告无线信号。
除上文描述的特征中的一个或多个特征外，或作为备选方案，另外的实施例可以包括：无线信号是蓝牙。
除上文描述的特征中的一个或多个特征外，或作为备选方案，另外的实施例可以包括：通信装置配置成经由无线信号向外部装置传送目标气体浓度。
除上文描述的特征中的一个或多个特征外，或作为备选方案，另外的实施例可以包括：热敏电阻，所述热敏电阻配置成测量板外（off-board）温度，其中片上***配置成响应于板外温度来调整板上温度。
除上文描述的特征中的一个或多个特征外，或作为备选方案，另外的实施例可以包括：目标气体是乙烯。
根据另一个实施例，提供检测目标气体的方法。该方法包括：检测目标气体传感器的电阻；检测数字电位计的电阻；将数字电位计的电阻调整为第一电阻使得数字电位计的第一电阻与目标气体传感器的电阻匹配；检测参考传感器的电阻；将数字电位计的电阻调整为第二电阻使得数字电位计的第二电阻与目标气体传感器的电阻匹配；以及响应于第一电阻和第二电阻来确定目标气体浓度。
除上文描述的特征中的一个或多个特征外，或作为备选方案，另外的实施例可以包括：在所述确定之前，所述方法进一步包括：使用湿度传感器检测板上湿度；以及响应于板上湿度来调整第一电阻和第二电阻，以补偿板上湿度。
除上文描述的特征中的一个或多个特征外，或作为备选方案，另外的实施例可以包括：在所述确定之前，所述方法进一步包括：使用温度传感器检测板上温度；以及响应于板上温度来调整第一电阻和第二电阻，以补偿板上温度。
除上文描述的特征中的一个或多个特征外，或作为备选方案，另外的实施例可以包括：在所述确定之前，所述方法进一步包括：使用湿度传感器检测板上湿度；使用温度传感器检测板上温度；以及响应于板上湿度和板上温度来调整第一电阻和第二电阻，以补偿板上湿度和板上温度。
前述特征和元素可以在各种组合中被组合而没有排他性，除非另外明确指示。这些特征和元素及其操作将鉴于下面的描述和附图而变得更加显而易见。然而，应理解下面的描述和附图意在本质上是说明性和解释性的并且是非限制性的。
附图说明
下面的描述不应以任何方式视为限制性的。参考附图，类似的元件被类似地编号。
图1图示了根据本公开的实施例的电子感测***的一般示意***图；
图2图示了根据本公开的实施例的电子感测***的一般示意***图；以及
图3是图示根据本公开的实施例的使用图1-2的电子感测***来检测目标气体的方法的流程图。
具体实施方式
所公开的设备和方法的一个或多个实施例的详细描述在本文通过例示而非限制的方式参考附图来被呈现。
柔性衬底上的印刷化学-电阻式气体传感器的电阻响应可能受到污染物（例如，诸如CO2和CO之类的其他气体）以及环境条件（例如，湿度）的影响。因此，需要仔细校准出现实世界环境条件，因为它们可能显著影响传感器的读数。本文公开的实施例试图提供能够校准出污染物来提供准确目标气体读数的电子感测***。
图1-2示意图示了电子感测***100，所述电子感测***100配置成在针对气体中的可能污染物进行调整的同时检测目标气体。应意识到，尽管在示意框图中单独定义特定***，但这些***中的每个***或任何***可以经由硬件和/或软件而以另外方式组合或分离。可以与诸如例如冷藏卡车、冷藏拖车或冷藏集装箱之类的运输制冷***操作关联地利用电子感测***100。也可以与诸如例如冷藏柜（例如，有门和无门的自助式冷藏杂货柜）之类的商用制冷***操作关联地利用电子感测***100。在运输制冷***或商用制冷***中，电子感测***100可以用作制冷控制***的部分，以调整易腐商品（例如，货物/存货/库存）的环境条件，以便控制通风、湿度、气体温度和/或污染物洗涤***或影响对上述各项的控制。在一个实施例中，电子感测***100可以用于启动通风来降低电子感测***100周围的目标气体浓度，或警告工作人员易腐商品的潜在损坏。
在另一个实施例中，可以独立于对应的制冷***或商用制冷***而利用电子感测***100来警告工作人员易腐商品的潜在损坏或者增加或减少通风率。
电子感测***100包括印刷电路板110，所述印刷电路板110具有第一侧112和与该第一侧112相对的第二侧114。在非限制性实施例中，印刷电路板110可以由多层纤维玻璃和铜组成。电子感测***100的大部分组件120可以位于印刷电路板110的第一侧112上并且能量源116可以位于印刷电路板110的第二侧114上。能量源116可以电连接到印刷电路板110的第一侧112上的组件120并且向印刷电路板110的第一侧112上的组件120提供电能。
电子感测***100的能量源116配置成向电子感测***100供应电能。电子感测***100的能量源116配置成向电子感测***100的第一侧112上的至少一个组件120供应电能。电子感测***100的能量源116还可以配置成将电能存储在能量存储***118中，该能量存储***118诸如例如电池***、电容器或本领域技术人员已知的其他能量存储***。能量源116还可以包括能量生成***119来为电子感测***100生成电能。能量生成***119可以是能量生成或电力采集***，诸如例如太阳能面板、射频能量采集装置或本领域技术人员已知的其他类型的发电机。在另一个实施例中，能量源116还可以位于印刷电路板110的第一侧112上。
电子感测***100可以包括片上***130、传感器集线器150、数字电位计160和热敏电阻180。片上***130可以包括处理器132、存储器134、通信装置136、模数转换器（ADC）137、I2C 138和通用输入输出（GPIO）。在实施例中，处理器132可以是32位精简指令集计算机处理器。在实施例中，存储器134是512 kB闪速存储器。ADC 137可以是12位ADC。在实施例中，通信装置136可以是2.4 GHZ无线电设备。通信装置136可以能够向外部装置200传送无线信号202。无线信号202可以是长程无线（例如，LORA）或短程无线（例如，蓝牙）。通信装置136可以配置成经由无线信号202向外部装置200传送目标气体浓度。
外部装置200可以是能够进行实时分析的计算装置，诸如例如台式计算机、膝上式计算机、平板计算机、智能电话、智能手表或本领域技术人员已知的相似计算装置。尽管为了简化而未示出，但外部装置200可以包括处理器和相关联的存储器，该存储器包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被处理器执行时促使处理器执行各种操作。处理器可以是但不限于广泛的可能架构中的任何架构的单处理器或多处理器***，包括同构或异构布置的现场可编程门阵列（FPGA）、中央处理单元（CPU）、专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器（DSP）或者图形处理单元（GPU）硬件。存储器可以是但不限于随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）或者其他电子、光、磁或任何其他计算机可读介质。
ADC 137可以使片上***130电连接到热敏电阻180。热敏电阻180配置成测量电子感测***100的外部温度。热敏电阻180可以是板外（经由线材连接到实际的印刷化学-电阻式气体传感器）的负温度系数（NTC）温度感测元件，其用来测量传感器的温度以供校准。热敏电阻180可以配置成测量板外温度。而温度传感器154可以安装在印刷电路板110上并且可以用于测量印刷电路板110的温度以便补偿板上电组件的热漂移。
I2C 138可以使片上***130电连接到板上传感器集线器150。板上传感器集线器150可以包括湿度传感器152和温度传感器154。湿度传感器152配置成检测电子感测***100附近和/或电子感测***100内的板上气体湿度。温度传感器154配置成检测电子感测***100附近和/或电子感测***100内的板上气体温度。
GPIO 139可以使片上***130电连接到多路复用器170，该多路复用器170具有两个输入172、174和一个输出176。多路复用器170的两个输入可以是目标气体传感器192和参考传感器194。目标气体传感器192配置成检测目标气体。目标气体可以是有机气体分子或无机气体分子。有机气体分子可以包括但不限于乙烯、甲醛、甲烷、丙烯、任何特定或总挥发性有机化合物（VOC）计数、任何特定或总醇计数、任何特定或总芳香族化合物计数…等。无机气体分子可以包括但不限于O2、CO、CO2、氨（NH3）、SH2…等。在实施例中，目标气体可以是乙烯。目标气体传感器192和参考传感器194可以是相似的。例如，参考传感器194是与目标气体传感器192相似的印刷化学-电阻式传感器，但没有包括在目标气体传感器192中的气体感测化学物质。参考传感器194可以对污染物（例如，CO和CO2）具有与目标气体传感器192相似的响应，但参考传感器194对目标气体将没有响应。因此，来自参考传感器192的读数可用于消除由污染物（CO和CO2）造成的影响。
目标气体传感器192通过第一端口172电连接到多路复用器170并且参考传感器194通过第二端口174电连接到多路复用器170。多路复用器170的输出176电连接到数字电位计160并且数字电位计160可以通过低通滤波器162、放大器164和模数转换器166电连接到I2C 138。
数字电位计160可以是电阻比较器400内的第二电阻器412。该电阻比较器可以是惠斯通电桥（Wheatstone bridge）、开尔文电桥（Kelvin bridge）、欧姆计或本领域技术人员已知的任何相似装置。在实施例中，电阻比较器400可以是惠斯通电桥。电阻比较器可以包括电源310、第一结（junction）A1、第二结C1、第一中间结B1、第二中间结D1、第一电阻器411、第二电阻器412、第三电阻器413、第四电阻器414和检流计420。第一电阻器411可以具有已知电阻R1。第二电阻器412可以具有已知电阻R2。第三电阻器413可以具有已知电阻R3。第四电阻器414可以具有未知电阻Rx。目标气体传感器192可以是电阻比较器400的第四电阻器414。电阻比较器400可以用于调整第二电阻器412（即，数字电位计160）的电阻R2使得第二电阻器412（即，数字电位计160）的电阻R2与第四电阻器（即，目标气体传感器192）的电阻Rx尽可能接近地匹配。直到第二电阻器412（即，数字电位计160）的电阻R2与第四电阻器（即，目标气体传感器192）的电阻Rx匹配，检流计420可以产生电压VG，所述电压VG可以被放大器164放大以更精确地调整第二电阻器412（即，数字电位计160）的电阻R2。在继续参考图1-2的情况下，现在参考图3，根据本公开的实施例，图示一种方法、检测目标气体的方法300的流程图。在实施例中，目标气体可以是乙烯。在实施例中，方法300由电子感测***100执行。在框304，处理器132被初始化并且发起方法300。
在框306，通信装置136发起无线信号202的通告。通信装置136可以配置成一旦在框306被发起就持续通告无线信号202。通告是通信装置136向任何附近的监听外部装置200声明它的存在并且如果该通告是可连接通告，则这对于外部装置200来说是连接到通信装置136的机会。例如，通信装置136的无线信号202可以是蓝牙信号。外部装置200配置成检测无线信号202并且连接到通信装置136。在框308，确定通信装置136是否已经经由无线信号202连接到外部装置200。如果在框308，确定通信装置136还未经由无线信号202连接到外部装置200，则方法300移到框310，并且处理器132、ADC 137、传感器集线器150和热敏电阻180进入休眠。如果在框308，确定通信装置136已经经由无线信号202连接到外部装置200，则方法300移到框312并且多路复用器170被设置到第一端口172，所述第一端口172与目标气体传感器192电通信。
在框314，使用目标气体传感器192通过ADC 166获得目标气体测量。该目标气体测量由目标气体传感器192通过目标气体传感器192进行的电阻测量来检测。如果目标气体浓度已改变，则目标气体传感器192的电阻测量将改变。
在框320，确定在目标气体测量期间捕获的目标气体传感器192的电阻与数字电位计160的电阻是否匹配。如果在框320，在目标气体测量期间捕获的目标气体传感器192的电阻匹配，则方法300移到框324。如果在框320，在目标气体测量期间捕获的目标气体传感器192的电阻不匹配，则如果电阻太低则方法300移到框316，或如果电阻太高则方法300移到框318。在框318，如果电阻太高，则使数字电位计160增加。在框316，如果电阻太低，则使数字电位计160减小。
一旦在框320在目标气体测量期间捕获的目标气体传感器192的电阻匹配，则方法300移到框324上来检查参考传感器194与数字电位计160的电阻是否匹配。在框322，多路复用器170被设置到第二端口174，所述第二端口174与参考传感器194电通信。
在框314，使用ADC 166和参考传感器194获得测量。由参考传感器194通过参考传感器194进行的电阻测量来检测测量。
在框320，确定在参考测量期间捕获的参考传感器194的电阻与数字电位计160的电阻是否匹配。如果在框320，在参考测量期间捕获的参考传感器194的电阻匹配，则方法300移到框324。如果在框320，在参考测量期间捕获的参考传感器194的电阻不匹配，则如果电阻太低则方法300移到框316，或如果电阻太高则方法300移到框318。在框318，如果电阻太高，则使数字电位计160增加。在框316，如果电阻太低，则使数字电位计160减小。
一旦在框320在参考测量期间捕获的参考传感器194的电阻匹配，则方法300移到框324上，其中参考传感器194的电阻和目标气体传感器192的电阻两者现在都应匹配。在框326，由湿度传感器152测量板上湿度并且由温度传感器154测量板上温度。参考传感器194和目标气体传感器192应当对湿度和温度变化响应相同。
在框328，由热敏电阻180测量外部温度。
在框330，向由目标气体传感器192捕获的电阻和由参考传感器194捕获的电阻应用补偿。基于由湿度传感器152测量的板上湿度、由温度传感器154测量的板上温度和由热敏电阻180测量的外部温度来预先校准目标气体传感器192和参考传感器194两者。理想地，参考传感器194和目标气体传感器192应当对湿度和温度具有相同的响应，但在现实生活中可能不同，这是由于感测化学物质的影响以及印刷衬底可能不完全相同的事实。从测试来看，参考传感器194和目标气体传感器192对湿度和温度的电阻响应可通常比参考传感器194和目标气体传感器192对目标气体的电阻响应高得多。因此，可以有必要通过由湿度传感器152检测的湿度和由温度传感器154检测的温度来补偿参考传感器194和目标气体传感器192的读数。
在框332，经补偿的电阻然后被传送回到外部装置200并且方法可以移回到框312来捕获更多的电阻测量。
在框334，响应于目标气体传感器192的电阻和参考传感器194的电阻来确定目标气体浓度。例如，因为参考传感器194检测污染物而不是目标气体，尽管目标气体传感器192检测目标气体和污染物，目标气体传感器192的电阻和参考传感器194的电阻的组合可以用于确定电阻。在确定目标气体浓度中使用的目标气体传感器192的电阻可以是经补偿的电阻，如在框330中描述的。在确定目标气体浓度中使用的参考传感器194的电阻可以是经补偿的电阻，如在框330中描述的。
尽管上面的描述已经按特定顺序描述了图3的流程，但应意识到除非所附权利要求中另外特别要求，否则步骤的排序可以变化。
如上文描述的，实施例可采用处理器实现的过程和用于实践那些过程的装置（诸如处理器）的形式。实施例还可以采用计算机程序代码的形式，该计算机程序代码包含有形介质中体现的指令，该有形介质诸如网络云存储设备、SD卡、闪速驱动器、软盘、CD ROM、硬盘驱动器或任何其他计算机可读存储介质，其中当计算机程序代码被加载到计算机中并且由计算机执行时，计算机变成用于实践实施例的装置。实施例还可采用计算机程序代码的形式，例如不论是存储在存储介质中、加载到计算机中和/或由计算机执行、或通过某一传输介质传送、加载到计算机中和/或由计算机执行、或通过某一传输介质（诸如通过电布线或电缆、通过光纤或经由电磁辐射）传送，其中当计算机程序代码被加载到计算机中并且由计算机执行时，该计算机变成用于实践实施例的装置。当在通用微处理器上实现时，计算机程序代码段配置微处理器来创建特定逻辑电路。
术语“大约”意在包括与基于提交申请时可用的设备的特定量的测量相关联的误差程度。
本文使用的术语只是为了描述特定实施例的目的并且不意在限制本公开。如本文使用的，单数形式“一（a、an）”和“该”意在也包括复数形式，除非上下文另外清楚指示。将进一步理解术语“包括（comprises和/或comprising）”在本说明书中使用时，规定存在叙述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。
尽管已经参考示例性实施例或多个实施例描述本公开，本领域技术人员将理解可以做出各种改变并且等同物可以代替其元件而不偏离本公开的范围。另外，可以做出许多修改以使特定情况或材料适应于本公开的教导而不偏离其本质范围。因此，意图是本公开不限于作为预期用于执行本公开的最佳模式而公开的特定实施例，而是本公开将包括落在权利要求的范围内的所有实施例。
Claims (20)
1.一种位于印刷电路板上的用于检测目标气体的电子感测***，所述电子感测***包括：
目标气体传感器，所述目标气体传感器配置成检测所述目标气体传感器的电阻；
参考传感器，所述参考传感器配置成检测所述参考传感器的电阻；
电阻比较器，所述电阻比较器包括数字电位计，所述电阻比较器电连接到所述目标气体传感器和所述参考传感器，其中所述数字电位计配置成被调整以响应于所述目标气体传感器的所述电阻来确定第一电阻并且响应于所述参考传感器的所述电阻来确定第二电阻；以及
与所述电阻比较器电子通信的片上***，所述片上***配置成响应于所述第一电阻和所述第二电阻来确定目标气体浓度。
2.如权利要求1所述的电子感测***，进一步包括：
使所述电阻比较器电连接到所述目标气体传感器和所述参考传感器的多路复用器，其中所述多路复用器包括：电连接到所述目标气体传感器的第一端口、电连接到所述参考传感器的第二端口以及电连接到所述电阻比较器的输出端口。
3.如权利要求2所述的电子感测***，其中所述片上***进一步包括与所述多路复用器电子通信的通用输入输出。
4.如权利要求1所述的电子感测***，进一步包括：
湿度传感器，所述湿度传感器配置成检测所述电子感测***的板上湿度。
5.如权利要求1所述的电子感测***，进一步包括：
温度传感器，所述温度传感器配置成检测所述电子感测***的板上温度。
6.如权利要求4所述的电子感测***，其中所述片上***进一步包括与所述湿度传感器电子通信的I2C。
7.如权利要求5所述的电子感测***，其中所述片上***进一步包括与所述温度传感器电子通信的I2C。
8.如权利要求4所述的电子感测***，其中所述片上***配置成调整所述第一电阻和所述第二电阻来补偿所述板上湿度。
9.如权利要求5所述的电子感测***，其中所述片上***配置成调整所述第一电阻和所述第二电阻来补偿所述板上温度。
10.如权利要求1所述的电子感测***，其中所述片上***进一步包括与所述电阻比较器电子通信的I2C。
11.如权利要求10所述的电子感测***，进一步包括：
低通滤波器；
放大器；以及
模数转换器，
其中所述I2C通过所述低通滤波器、所述放大器和所述模数转换器与所述电阻比较器电子通信。
12.如权利要求1所述的电子感测***，其中所述片上***进一步包括：
通信装置，所述通信装置配置成通告无线信号。
13.如权利要求12所述的电子感测***，其中所述无线信号是蓝牙。
14.如权利要求12所述的电子感测***，其中所述通信装置配置成经由所述无线信号向外部装置传送所述目标气体浓度。
15.如权利要求5所述的电子感测***，进一步包括：
热敏电阻，所述热敏电阻配置成测量板外温度，其中所述片上***配置成响应于所述板外温度来调整所述板上温度。
16.如权利要求1所述的电子感测***，其中所述目标气体是乙烯。
17.一种检测目标气体的方法，所述方法包括：
检测目标气体传感器的电阻；
检测数字电位计的电阻；
将所述数字电位计的所述电阻调整为第一电阻使得所述数字电位计的所述第一电阻与所述目标气体传感器的所述电阻匹配；
检测参考传感器的电阻；
将所述数字电位计的所述电阻调整为第二电阻使得所述数字电位计的所述第二电阻与所述目标气体传感器的所述电阻匹配；以及
响应于所述第一电阻和所述第二电阻来确定目标气体浓度。
18. 如权利要求17所述的方法，其中在所述确定之前，所述方法进一步包括：
使用湿度传感器检测板上湿度；以及
响应于所述板上湿度来调整所述第一电阻和所述第二电阻，以补偿所述板上湿度。
19. 如权利要求17所述的方法，其中在所述确定之前，所述方法进一步包括：
使用温度传感器检测板上温度；以及
响应于所述板上温度来调整所述第一电阻和所述第二电阻，以补偿所述板上温度。
20.如权利要求17所述的方法，其中在所述确定之前，所述方法进一步包括：
使用湿度传感器检测板上湿度；
使用温度传感器检测板上温度；以及
响应于所述板上湿度和所述板上温度来调整所述第一电阻和所述第二电阻，以补偿所述板上湿度和所述板上温度。
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