CN1165953A - 使用半导体气体传感器检测气体的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了可以通过使用半导体传感器有效地检测车辆内外的气体浓度的绝对值以便使新鲜空气流通的一种装置和一种方法。本发明的装置包括一个用于检测气体的性质和浓度的传感器元件；一个用于加热该传感器元件的加热单元；一个用于调节传感器元件的温度的加热调节单元；一个用于计算处理传感器元件的信号借此产生控制信号的中心控制调节单元和一条用于中心控制调节单元和加热调节单元之间的相互连接的数据电缆。

Description

使用半导体气体传感器检测气体的装置和方法

本发明涉及用在通风装置中、利用半导体传感器有效地检测车辆内外的气体以便使新鲜空气流通的装置和方法。

通常，通过使用一个检测装置(例如传感器)监测外部空气的质量可以对车辆或建筑物内的通风装置进行调节。在这样的通风装置中，当外部空气的等级高于一个预定的基准等级，即外部空气的质量比给定值差时，切断外部空气向室内的流动并开动通风设置。

为此目的习惯上常使用以锡氧化物为传感器活性膜的半导体传感器。然而，在将这样的传感器应用于汽车时，还要受到不能检测由柴油机和柴油机车辆排出的尾气和柴油气这样的缺点的困扰。为此，建议使用如下两种传感器来解决这个问题，其一用于检测在柴油机尾气中出现的典型的NO_X(可还原气体)，而这样的半导体传感器具有由三氧化钨或酞菁(Phthaloctanin)构成的活性膜，另一种主要是由氧化锡制成并且用于检测在汽油机尾气中出现的典型的碳氢化合物的混合物或一氧化碳(可氧化气体)。

此外，使用金属氧化物传感器，最好是由各种不同的金属氧化物的混合物构成的并且可以在不稳定的场中工作的传感器，可以同时检测汽油机尾气或柴油机尾气，并且可使用通过典型的受气体影响的传感器电阻的升高或降低而产生的电阻变化的绝对值。最好使用FFA(快速富里叶分析)技术分析该传感器信号的值。

上述方法的优点是只使用一个传感器就可以可靠地、低成本地检测两组气体。根据FFA技术，在存在清洁外部空气的时候，开动通风设备。因此，这种方法也有缺点，即，当高浓度的有害物质持久地并且以几乎相等的浓度作用于该传感器元件时，在某些环境中，例如在汽车停放在污染严重的地下停车场中，通风设备可能由于检测到错误信息而被启动。

因此，本发明首要的任务是提供可以利用一种半导体传感器有效地检测车辆内外气体浓度的绝对值。从而使新鲜空气流通的一种装置和一种方法。

根据本发明的一个实施例，提供一种用在通风装置中有效地检测车辆内外的气体从而使新鲜空气流通的装置，该装置包括：一个用于检测外部气体、带有用于检测的活性膜并根据该气体的性质和浓度变化的检测装置；一个用于加热检测装置的加热装置；一个用于通过将检测装置的温度提高或降低一预定的度数来交替地调节检测装置的温度从而控制检测装置的调节装置；以及一个用于根据检测装置的温度变化计算基于电阻变化的信号从而控制通风装置的控制装置。

进一步讲，用于检测气体的活性膜是由金属氧化物或各种金属氧化物的混合物构成的。

此外，本发明进一步包括一个用于检测检测装置的温度，并将温度信息传递给调节装置的温度传感器。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种用在通风装置中利用根据本发明的一个实施例的气体检测装置有效地检测车辆内外的气体从而使新鲜空气流通的方法，该方法包括以下步骤：(a)预先设定一个比检测装置的活性膜的正常温度低或高一预定度数的温度；(b)按照这样一种方式调节检测装置的温度，即首先设定一正常温度，接着调至所述较高温度和所述较低温度，而后调回正常温度并由正常温度调至所述较低温度和所述较高温度并且再调回正常温度；以及(c)在正常通风过程中，检测以上温度循环的传感器电阻滞后量值并将检测的值作为一个参比值加以存储，每一步骤以及各个步骤都将传感器电阻的滞后值与参比值相比较，以便得出它们之间的差，并根据这种差确定外部空气是否被污染，从而控制该通风装置。

本发明的上述的及其他的任务和特性结合附图由以下对所给出的那些最佳实施例的说明将变得更加清楚。在这些附图中：

图1给出一幅显示使用NO_X和碳氢化合物时金属氧化物的反应信号的曲线；

图2(A)和图2(B)给出于本发明的传感器温度起伏变化导致的电阻值的变化的曲线；

图3(A)至图3(c)分别示出描绘基于本发明的传感器的温度起伏变化的电阻值的变化的曲线；

图4(A)至图4(C)分别显示基于本发明的传感器的温度起伏变化的电阻值的变化的曲线；

图5至图7分别示出本发明的传感器的温度起伏变化的曲线；

图8提供的一幅说明根据本发明的气体检测装置的图解方框图；

图9示出根据本发明的气体检测装置的操作过程的流程图；以及

图10说明基于本发明的传感器的温度起伏变化的电阻值的变化的曲线。

以下将参考附图用例子对本发明作进一步的详细说明。

在本发明中，正常温度表示根据传感器元件的反应程度和通常的外部温度自由设定的一个温度，较低的或较高的温度表示比上述正常温度低或高出一预定温度(被称为预定温度)的温度。

根据本发明的气体检测装置是基于这样的结果：金属氧化物传感器对可氧化和/或可还原的气体的反应与气体敏感金属氧化物膜的温度密切相关。就所有的金属氧化物的特征而言，对于具有较高温度的可氧化气体的反应高于对于具有较低温度的气体，而对于具有较低温度的可还原气体的反应高于对于具有较高温度的气体。参看图1，图中示出一条使用NO_X1和碳氢化合物2的金属氧化物的反应曲线，其中垂直轴表示金属氧化物的反应，而水平轴表示温度。此外还知道传感器对于各种气体的比敏感度响应于传感器的温度变化。

根据本发明的一个优选实施例，利用在金属氧化物和其他半导体气体传感器上与其活性膜的温度变化相关出现的效应来测定气体的存在。

在图2(A)中示出了一条说明根据本发明的传感器的温度起伏的曲线，其中该传感器元件的工作温度频繁地按恒定的时间间隔重复。具体地讲，工作温度是按照这样一种方式起伏，这种方式即首先设定一正常温度6，然后温度变为较高的温度7，在经过一段预定的时间以后温度又变回到正常温度8，接下去降低至一较低温度9。确定该时间长度，例如1分钟，使得可以按照空气与活性膜的关系建立起平衡。

参见图2(B)，图中示出了一条说明电阻值根据本发明的传感器的活性膜的温度起伏所出现的变化的曲线。如图所示，电阻值随传感器活性膜温度的起伏而起伏。更具体讲，当在正常温度下供给正常的空气时，电阻值为正常值5，而后，在传感器元件的活性膜的温度升高并处于下落边缘部分时，电阻值变成为较高值1，而当温度又变回正常温度8时，电阻值逐渐地下降至正常值2。其次，当温度变成为较低温度9并处于上升边缘部分时，电阻值逐渐下降至较低值3。

而后，当传感器元件的活性膜的温度变为正常温度时，电阻值变为接近正常值的一个值4。如从以上所看到的那样，传感器元件灵敏地对活性膜的温度急剧变化作出反应。在温度出现这样的变化之后，要达到稳定状态要花很长的时间。

参看图3(A)至3(C)，在图中分别示出了若干描绘基于本发明的传感器温度变化起伏的电阻值的变化的曲线。

在图3(B)中，在过热周期的终点时传感器元件的电阻值变为一个峰值。而后，在第二个正常温度期间，电阻值R_S逐渐下降至接近初始值5的一个值2。其次，传感器元件的温度下降使电阻值逐渐下降至一个较低值3。同样，当传感器元件的温度返回正常温度并处于上升边缘部分时，电阻值是接近初始值(即正常值)的一个值4。此外，在传感器温度过热过程中，电阻值变为峰值。这样可能在值2和值4之间产生细微的差别12。

参看图3(C)，在图中示出了一条用了描绘基于本发明的传感器的温度起伏的电阻值的变化曲线。在图中，另外还用NO_X浓度大约为300ppb的空气向传感器元件吹气，电阻值8和电阻值10在与图3(B)相同的温度下明显地进一步偏离正常值。也就是说，电阻值8和电阻值10之间的差别11大体上大于图3(B)所示的差12。这个差提供了有关传感器元件周围的空气中可还原气体浓度的信息。

前述滞后现象可以利用以下事实来解释，这个事实就是实现空气中的氧气和可氧化气体之间的稳定平衡所需要的时间长度取决于温度变化的高度，取决于在各个温度停留的时间的长度以及取决于在空气中可氧化或可还原的气体的存在。更具体地讲，如果没有这些气体，则时间就长，结果导致以上讨论的滞后现象。滞后的程度表示对在周围空气中化学活性气体的存在的一种度量。

参看图4(A)至4(C)，在图中分别示出了若干描述基于本发明的传感器的温度的起伏的电阻值变化的曲线。在图4(A)中所示的温度起伏变化中，虽然温度降低幅度小于升高幅度，但是该降低幅度还是大于图5中的升高幅度。

当如图4(A)所示那样升高的温度保持大于降低的温度时，通过吸收可氧化的气体，图4(B)所示的最大值和一个指定平均值之间的差(41)大于图4(C)所示最小值和指定平均值之间的差(43)。在用可还原气体吹气的过程中，情况正好相反。

在本发明中，图5显示出升高的温度的变化小于降低的温度的变化；图6显示出升高和降低温度的变化幅度以非对称的形式交替地重复；图7说明传感器元件的温度常常升高和降低，因此，温度变化的时间周期分配得彼此不同。

另外，根据金属氧化物的类型，最小和最大值之间的差和所指定的平均值随温度变化量、温度变化的时间周期、正变化或负变化的比例幅度和气源的类型和浓度而变化。根据本发明，温度变化的频率被设定为大约比90秒(这90秒是在温度变化后信号达到端值的90％所经过的时间)快2至4倍。具体讲，所产生的传感器信号类似于一条正弦曲线，具有大体上较大的非线性分布。

根据本发明的一个实施例，这样的非线性分布部分可以通过使用富里叶分析加以计算。业已证实分析到温度变化频率的20次谐波是有利的。此外，所产生的波谱对于正常空气和受污染的空气这两者来说都是典型的，借此可以显示向其中提供的气体的类型和浓度。

正如从对图3的观察中所看到的那样，使用本发明的方法可以很容易地确定可还原的气体和可氧化的气体之间的差别，这是由于当用这两组气体之一的一种气体吹气或这两组气体两者的混合物吹气时得到显著的和清楚的差别。

更进一步讲，传感器元件的温度最好按照对称的形式或非对称形式变化。传感器的温度依赖于该传感器的敏感材料，该温度可以导致差别极大的结论。

此外，根据本发明，微处理器将所得到的波谱与预先输入的波谱样品比较，借此可以对有关气体的类型及其浓度的情况进行检测。

同样，在图10中示出了一条显示基于本发明的传感器的温度起伏的电阻值的变化的曲线。如图所说明的那样，在每次温度上升或下降的起点相位测定电阻变化的梯度。在这个相位的终端重新测定电阻值变化的梯度。这两个梯度彼此之间的相互关系提供了关于气体存在的信息。在通过检验温度变化的上升或下降之一可以得到的需要信息的同时，本发明还可以在温度循环上升和下降的情况下通过使用图10所示的方法检测气体的存在。

因此，在本发明中，首先按照这样的方式设定一个预定温度，使该温度比传感器元件的活性膜的正常温度低或高一预定水平。传感器元件的温度可以通过重复地完成一种温度循环，例如以下所描述的，加以调节：

在设定正常温度后首先使温度升至较高温度(该温度是一个上升至预定温度的温度)，然后再返回正常温度，并且再由正常温度变为较低温度，然后再回到正常温度。这样，通过在预定的循环中调节传感器元件的温度，传感器元件的电阻值导至了滞后变化。本发明的方法检测每个阶段以及各个阶段传感器电阻的滞后量，以便将检测值存储起来作为参比值，并将传感器电阻的滞后量与参比值比较，得出它们之间的差，接着根据这个差确定外部空气是否被污染，从而控制通风装置。在这种情况下，传感器元件的温度是在一个稳定周期中交替重复的，反之亦然。

参看图8，图中给出了说明根据本发明的气体检测装置的图解框图，该装置包括一个中心控制和调解单元101、一个传感器元件102、一个加热器103、一个气体敏感活性膜104、一个加热调节器106和一条数据电缆107。

传感器元件102包括一个例如用金属氧化物或几种金属氧化物的混合物制成的气体敏感活性膜104和加热单元103，加热单元103与加热调节器106电连接并且最好是用铂一类材料制作的，其电阻显示出高温度系数，可以用于调节。当在其中应用一个不同的加热器时，可以将一个温度传感器安装在传感器元件102中。该温度传感器用于确定该传感器的温度并将包含在该温度中的信息提供给加热调节器106。

更进一步讲，传感器元件102、温度传感器和加热单元103被装入一个壳体中以便使它受到保护，防止湿气的影响和受到撞击。在本发明的装置中，只有传感器元件102的活性膜被暴露而与外部空气接触，以便使它可以检测气体。

加热调节器106通过数据电缆107由中心控制和调节单元101接收所需要的温度信息。在本发明中，较为可取的是可以使用一台微处理机作为中心控制和调节单元101。中心控制和调节单元101包括一个输出端108和起数字型接口作用的标准型RS232 109，用于控制通风装置。

进一步讲，微处理器101的程序可以严格地设定通风装置的最大关闭时间并用于防止通风装置内部的氧气浓度下降得太低。

此外，微处理器101预测正常空气中的温度周期并全部或部分地存储关于电阻值起伏的信息。

图9示出用于说明根据本发明的气体检测装置的操作的流程图。

在步骤S1，将传感器元件102预热并置于初始状态。这个过程持续约30至60秒钟时间并需要关闭接口。因为车辆例如可能处在废气的烟雾中，开动通风装置会有问题。而后，该过程继续进行到步骤S2，在该步骤通风装置被启动，在随后的步骤3中计算传感器信号。在这种情况下，使用上述FFA方法完成传感器信号的计算，按照该方法计算在出现传感器温度变化的相位时的差值和前述的滞后值。

接下去，在步骤S4确定空气污染程度是否超过一个预定水平。如果确定周围空气为受污染的空气，则该过程进行至步骤S5，在该步骤外部空气流被阻断，而如果不是这样，该过程返回步骤2，在该步骤重复以上程序。

在以上步骤之后，借助于循环改变传感器元件的温度确定空气污染是否接近一预定值，这个值可以被描述为“外部空气仅仅被轻微污染”。如果空气污染程度低于该预定值，该过程继续进行至步骤S2；而如果不是这样，该过程返回步骤S5，在该步骤顺序地重复以上程序。

根据本发明，当存在可还原的气体和可氧化的气体时，可以迅速而准确地检测这些气体，以便可以打开和关闭通风装置。更进一步讲，本发明测定气体浓度的绝对值，以便控制通风装置的启动，借此不让高浓度的气体进入车辆。

当单独一个传感器元件成本经济地提供各种气体，特别是同时存在在恒温运行过程中彼此相互影响或者甚至完全相互掩盖的可氧化的气体和可还原的气体的气体含量绝对值时，应用本发明总是最为成功。此外，由于在温度变化的相当短的时间内给出了一个与空气湿度相关的平均值并因此湿度可以不再影响本发明的评价方法这样一个事实，在应用本发明的程序时空气湿度的影响几乎完全被抑制。

此外，可以依靠传感器元件的数目和气体敏感膜的组成增强气体分析的敏锐性。因此，利用本发明的方法可以成功地评价由氧化锡和各种附加材料(例如铂或钯)构成的传感器元件。这些传感器元件可以包括用氧化锡、氧化镓、三氧化钨或各种不同金属氧化物的混合物制成的活性膜。由每一个传感器引入的频谱总是由于不同的气体和它们的混合物而不同，例如将单独的频谱计算连接成一个矩阵可以提供有关供给该传感器的气体的特性和浓度的比较经济的、快捷的和可靠的信息。

尽管业已根据若干具体的实施例对本发明作了说明，对本专业的普通技术人员来说，显然在不脱离如以下权利要求书所限定的本发明的精髓和范围的前提下还可以作出各种不同的变化和改进。

Claims (14)

1、一种用于通风设备中有效地检测车辆内外的气体以便使新鲜空气流通的装置，该装置包括：

一个用于检测外部气体的传感装置，其中，该传感装置带有一个用于传感并随气体的性质和浓度而变化的活性膜。

一个用于加热传感装置的加热装置；

一个用于通过将传感装置的温度升高或降低一预定值交替地调节传感装置的温度以控制加热装置的调节装置；以及

一个用于根据传感装置的温度变化分析基于电阻变化的信号，借此控制通风设备的控制装置。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于传感装置和加热装置被安装在一个壳体内，其中传感装置的活性膜是暴露的。

3、根据权利要求1所述的装置，其特征在于用于检测气体的活性膜是由金属氧化物或不同金属氧化物的混合物构成的。

4、根据权利要求1所述的装置，其特征在于该装置还包括一个用于检测传感装置的温度并将温度信息传递给调节装置的温度传感器。

5、根据权利要求1所述的装置，其特征在于加热装置是用铂制成的。

6、根据权利要求1所述的装置，其特征在于控制装置是微处理机。

7、一种用于通风设备利用一个气体检测装置有效地检测车辆内外的气体从而使新鲜空气流通的方法，所述气体检测装置包括一个用于检测外部气体的传感装置，其中该传感装置带有一个用于传感并随气体的性质和浓度而变化的活性膜；一个用于加热传感装置的加热装置；一个用于通过将传感装置的温度升高或降低一预定值交替地调节传感装置的温度以控制加热装置的调节装置；以及一个用于根据传感装置的温度变化分析基于电阻变化的信号，借此控制通风设备的控制装置，所述方法包括如下步骤：

(a)预先设定一个温度，该温度比传感装置的活性膜的正常温度低或高出一个预定值；

(b)按照这样一种方式调节传感装置的温度，使得在正常温度之后首先将温度置于较高温度和较低温度，而后再将温度置于正常温度，接下去将温度由正常温度置于较低温度和较高温度，接下去又回过来置于正常温度；以及

(c)在正常空气过程中，检测传感器电阻对以上温度循环的滞后量并将检测到的值存储起来作为参比值，而后每一步骤都将传感器的滞后量与该参比值比较，借此得出它们之间的差，根据该差确定外部空气是否被污染。

8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于该方法还包括以下步骤：在温度循环中确定按较高、正常和较低的温度的顺序变化时传感器的电阻值和按较低、正常和较高温度的顺序变化时传感器的电阻值之间的一个第一差，根据第一差得出滞后量，并将第一差同正常空气的第二差比较，借此确定外部空气是否被污染。

9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于该方法还包括如下步骤：根据第一和第二差计算当前的气体浓度，并且如果当前的气体浓度超过一预定值则禁止开动通风机。

10、根据权利要求7所述的方法，其特征在于传感装置的温度变化按照一个恒定的时间周期交替地重复。

11、根据权利要求7所述的方法，其特征在于规定传感装置的温度变化在上升和下降时彼此不同。

12、根据权利要求7所述的方法，其特征在于传感装置的温度变化在不同的时间周期中交替地重复。

13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于规定传感装置的温度变化在上升和下降时彼此不同

14、根据权利要求7所述的方法，其特征在于该方法还包括如下步骤：严格设定通风设置的最大关闭时间，借此使它可以避免车辆内部的氧气浓度下降太低。

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