專利名稱：一種快速響應(yīng)的雙氣體傳感器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種快速響應(yīng)的雙氣體傳感器裝置。
背景技術(shù)：
氣體傳感器是氣體檢測系統(tǒng)的核心，是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電信 號的器件。氣體傳感器是依靠與氣體相互作用時(shí)產(chǎn)生表面吸附或反應(yīng)，引起傳感器電導(dǎo)率、 自身質(zhì)量或其他特性的改變，從而檢測出被測氣體的濃度。但是氣體傳感器在吸附氣體后， 由于材料性質(zhì)的限制，氣體的解吸附卻非常緩慢。當(dāng)改變被測氣體濃度或種類時(shí)，氣體傳感 器無法立即作出響應(yīng)，導(dǎo)致傳感器測量慣性較大，響應(yīng)時(shí)間較長，輸出響應(yīng)相對于輸入信號 存在著嚴(yán)重的時(shí)間滯后問題，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測量。另一方面，氣體傳感器對某些氣體存 在著一定的交叉敏感性，傳感器表面未被解吸附的氣體分子也會(huì)產(chǎn)生一定的響應(yīng)信號，從 而給被測氣體的輸出響應(yīng)信號造成一定的干擾，影響了傳感器件的靈敏度，也降低了測量 的重復(fù)性和可靠性。因此，如何加快氣體傳感器表面氣體分子解吸附，并提高氣體傳感器的 響應(yīng)速度稱為影響氣體檢測系統(tǒng)性能的重要環(huán)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是如何提供一種快速響應(yīng)的雙氣體傳感器裝置，該裝置 能克服單一氣體傳感器響應(yīng)速度慢的缺陷。本發(fā)明所提出的技術(shù)問題是這樣解決的提供一種快速響應(yīng)的雙氣體傳感器裝 置，其特征在于，包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的氣體傳感器，還包括以下模塊數(shù)字可調(diào)定時(shí)器設(shè)定和調(diào)節(jié)兩個(gè)氣體傳感器交換工作狀態(tài)的時(shí)間；繼電器模塊控制兩個(gè)氣體傳感器轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)；加熱電路模塊在繼電器模塊的控制下對氣體傳感器提供加熱電壓；雙氣體傳感器測量電路模塊使氣體傳感器工作完成氣體測量工作；電源電路模塊為雙氣體傳感器測量電路模塊以及數(shù)字可調(diào)定時(shí)器提供工作電 壓；其中，電源電路模塊連接數(shù)字可調(diào)定時(shí)器模塊和繼電器模塊，加熱電路模塊經(jīng)繼 電器模塊連接雙氣體傳感器測量電路模塊，兩個(gè)氣體傳感器交替工作和加熱當(dāng)一只氣體 傳感器工作時(shí)，對另一只氣體傳感器同時(shí)進(jìn)行加熱解吸附，達(dá)到一定時(shí)間后，兩只氣體傳感 器交換工作狀態(tài)。按照本發(fā)明所提供的快速響應(yīng)的雙氣體傳感器裝置，其特征在于，所述繼電器模 塊選用雙刀雙擲型繼電器，其包括兩副動(dòng)觸接點(diǎn)J2、J3和J5、J6 ；一副靜觸接點(diǎn)Jl、J4，Jl 分別在J2、J3之間吸合和釋放，J4分別在J5、J6之間吸合和斷開，以實(shí)現(xiàn)不同工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。按照本發(fā)明所提供的快速響應(yīng)的雙氣體傳感器裝置，其特征在于，所述數(shù)字可調(diào) 定時(shí)器電路模塊由14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器芯片⑶4060、雙D觸發(fā)器芯片74LS74、12位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器芯片CC4040、定時(shí)時(shí)間設(shè)置開關(guān)、吸斷時(shí)間比調(diào)檔開關(guān)以及外圍的電阻、電容、晶 振元件構(gòu)成，吸斷時(shí)間比調(diào)檔開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)繼電器吸合和斷開時(shí)間具有不同的比值，定時(shí) 時(shí)間設(shè)置開關(guān)完成具體的定時(shí)時(shí)間設(shè)置，附加電路包括一開關(guān)按鈕，按下按鈕定時(shí)器開始 定時(shí)。按照本發(fā)明所提供的快速響應(yīng)的雙氣體傳感器裝置，其特征在于，數(shù)字可調(diào)定時(shí) 器的輸出端通過一個(gè)三極管與繼電器控制端相連接，定時(shí)時(shí)間未到時(shí)，定時(shí)器輸出低電平， 三極管截止，繼電器動(dòng)觸接點(diǎn)Jl、J4不發(fā)生斷開和吸合；定時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)，定時(shí)器輸出高電 平，三極管導(dǎo)通，繼電器動(dòng)觸接點(diǎn)Jl、J4在靜觸接點(diǎn)J2、J3和J5、J6之間發(fā)生斷開和吸合。
按照本發(fā)明所提供的快速響應(yīng)的雙氣體傳感器裝置，其特征在于，繼電器的動(dòng)觸 接點(diǎn)Jl與加熱電路的輸出端相連接，動(dòng)觸接點(diǎn)J4與電源電路的輸出端相連接，靜觸接點(diǎn) J2、J6分別與雙氣體傳感器測量電路中Sl測量電路的加熱電壓和電源電壓的正極相連接， 靜觸接點(diǎn)J3、J5分別與雙氣體傳感器測量電路S2測量電路的加熱電壓和電源電壓的正極 相連接。本發(fā)明所提供的提高響應(yīng)速度的雙氣體傳感器裝置的有益效果是1、本發(fā)明裝置電路簡單，元器件少，成本低，體積小，實(shí)用性強(qiáng)。2、本發(fā)明裝置能顯著提高氣體檢測系統(tǒng)的響應(yīng)速度，縮短氣體檢測系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí) 間。3、可以在具體實(shí)例中根據(jù)氣體傳感器性能及具體情況下氣體解吸附所需時(shí)間的 長短，設(shè)置不同的定時(shí)時(shí)間，可重復(fù)度高。


圖1是本發(fā)明的邏輯框圖；圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例(典型電路)的電路圖。圖3是實(shí)施實(shí)例1中所使用的單個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器的測量電路原理 圖。圖4是實(shí)施實(shí)例3中所得到的QCM氣體傳感器的頻率響應(yīng)曲線圖。其中，1.定時(shí)與間隔比設(shè)置，2. CD4060芯片，3. 74LS74芯片，4. CC4040芯片、5.定 時(shí)時(shí)間設(shè)置開關(guān)，6.繼電器，7.電源電路，8.加熱電路，9.氣體傳感器Sl測量電路，10.氣 體傳感器S2測量電路，11.啟動(dòng)按鈕。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述如圖1所示，本發(fā)明為一種提高響應(yīng)速度的雙氣體傳感器裝置，其包括兩只相同 的氣體傳感器及它們的測量電路、電源電路、加熱電路、數(shù)字可調(diào)定時(shí)器及繼電器。將所述 的雙氣體傳感器測量電路、電源電路、加熱電路、數(shù)字可調(diào)定時(shí)器及繼電器封裝在一張印刷 電路板上。本發(fā)明雙氣體傳感器裝置的進(jìn)一步技術(shù)方案是采用兩只性能型號完全相同的氣 體傳感器Sl和S2。本發(fā)明雙氣體傳感器裝置的進(jìn)一步技術(shù)方案是設(shè)計(jì)電源電路提供一定的直流電壓，分別為雙氣體傳感器測量電路及數(shù)字可調(diào)定時(shí)器提供工作電源；設(shè)計(jì)加熱電路提供一定的直流電壓，分別為氣體傳感器Sl和氣體傳感器S2加熱，以加快氣體傳感器Sl和氣體 傳感器S2對氣體的解吸附，縮短響應(yīng)時(shí)間。本發(fā)明雙氣體傳感器裝置的進(jìn)一步技術(shù)方案是選用雙刀雙擲型繼電器，其包括 兩副動(dòng)觸接點(diǎn)J2、J3和J5、J6 ；—副靜觸接點(diǎn)Jl、J4，Jl分別在J2、J3之間吸合和釋放，J4 分別在J5、J6之間吸合和斷開，以實(shí)現(xiàn)不同工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明雙氣體傳感器裝置的進(jìn)一步技術(shù)方案是，如圖2所示，設(shè)計(jì)數(shù)字型可調(diào)定 時(shí)器電路，采用14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器芯片⑶4060、雙D觸發(fā)器芯片74LS74、12位二進(jìn)制 計(jì)數(shù)器芯片CC4040、定時(shí)時(shí)間設(shè)置開關(guān)、吸斷時(shí)間比調(diào)檔開關(guān)以及外圍的電阻、電容、晶振 元件構(gòu)成。繼電器吸斷時(shí)間比調(diào)檔開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)繼電器吸合和斷開時(shí)間具有不同的比值， 定時(shí)時(shí)間設(shè)置開關(guān)完成具體的定時(shí)時(shí)間設(shè)置，附加電路包括一開關(guān)按鈕，按下按鈕定時(shí)器 開始定時(shí)。可調(diào)定時(shí)器的工作原理為⑶4060為一個(gè)14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器、分頻器，其 內(nèi)部置有振蕩器，在外加晶振電路的情況下，能夠產(chǎn)生一定的頻率，該頻率并能夠在內(nèi)部分 頻器的作用下進(jìn)行14級的分頻，則10個(gè)輸出端中，每個(gè)輸出端輸出不同頻率的信號，以Q14 端口為例，其輸出信號頻率為f = fo/214，其中&為外部石英晶體振蕩器的頻率。⑶4060輸 出的頻率信號在雙D觸發(fā)器74LS74的再一次1/2分頻后成為精確的時(shí)鐘頻率，并被送入計(jì) 數(shù)器芯片CC4040中，CC4040的12個(gè)輸出端口在時(shí)鐘頻率的精確控制下，分別輸出12個(gè)等 級的信號，如若時(shí)鐘頻率為0. 1Hz，則輸出端分別輸出周期分別為10s、20s、40s...的信號， 將CC4040的12個(gè)輸出端口與12個(gè)開關(guān)相連接，通過不同數(shù)目開關(guān)的閉合與斷開即可實(shí)現(xiàn) 相應(yīng)的數(shù)字定時(shí)時(shí)間的設(shè)置。進(jìn)一步將⑶4060的輸出端Q12、Q13、Q14分別與開關(guān)KK3、 KK2、KKl相連，控制三個(gè)開關(guān)不同情況的斷開與閉合，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)時(shí)間與定時(shí)間隔的不同 以及精確控制兩者的比值，例如若閉合開關(guān)KK3，則當(dāng)脈沖到達(dá)Q12時(shí)，Q12與74LS74之間 導(dǎo)通，Q12輸出頻率為&/212的頻率信號，此時(shí)時(shí)鐘頻率為&/213，設(shè)置定時(shí)時(shí)間開關(guān)開始定 時(shí)，達(dá)到定時(shí)時(shí)間后，若閉合開關(guān)KK1，進(jìn)入定時(shí)時(shí)間間隔階段，此時(shí)時(shí)鐘頻率為V215，與定 時(shí)時(shí)間相比，定時(shí)間隔發(fā)生改變，且可知定時(shí)時(shí)間與定時(shí)間隔的比值為1 4。本發(fā)明雙氣體傳感器裝置的進(jìn)一步技術(shù)方案是將可調(diào)定時(shí)器的輸出端通過一個(gè) 三極管與繼電器控制端相連接，定時(shí)時(shí)間未到時(shí)，定時(shí)器輸出低電平，三極管截止，繼電器 動(dòng)觸接點(diǎn)Jl、J4不發(fā)生斷開和吸合；定時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)，定時(shí)器輸出高電平，三極管導(dǎo)通，繼 電器動(dòng)觸接點(diǎn)Jl、J4在靜觸接點(diǎn)J2、J3和J5、J6之間發(fā)生斷開和吸合。本發(fā)明雙氣體傳感器裝置的進(jìn)一步技術(shù)方案是將繼電器的動(dòng)觸接點(diǎn)Jl與加熱 電路的輸出端相連接，動(dòng)觸接點(diǎn)J4與電源電路的輸出端相連接，靜觸接點(diǎn)J2、J6分別與氣 體傳感器Sl測量電路的加熱電壓和電源電壓的正極相連接，靜觸接點(diǎn)J3、J5分別與氣體傳 感器S2測量電路的加熱電壓和電源電壓的正極相連接。本發(fā)明雙氣體傳感器裝置的進(jìn)一步技術(shù)方案是通過可調(diào)定時(shí)器的定時(shí)控制繼電 器的動(dòng)觸接點(diǎn)與靜觸接點(diǎn)的吸合與斷開在定時(shí)時(shí)間間隔內(nèi)，定時(shí)器未達(dá)到定時(shí)時(shí)間時(shí)，定 時(shí)器輸出低電平信號，繼電器中沒有電流通過，繼電器動(dòng)觸接點(diǎn)Jl與靜觸接點(diǎn)J2(J3)吸 合，動(dòng)觸接點(diǎn)J4與靜觸接點(diǎn)J5 (J6)吸合，氣體傳感器Sl與電源電路導(dǎo)通，氣體傳感器Sl處 于工作狀態(tài)，輸出響應(yīng)信號，氣體傳感器S2與加熱電路導(dǎo)通，氣體傳感器S2處于加熱狀態(tài)， 對氣體進(jìn)行解吸附；當(dāng)定時(shí)器達(dá)到定時(shí)時(shí)間時(shí)，定時(shí)器輸出高電平信號，繼電器中有電流通過，繼電器的動(dòng)觸點(diǎn)Jl與靜觸接點(diǎn)J2(J3)斷開，與靜觸接點(diǎn)J3(J2)吸合，動(dòng)觸點(diǎn)J4與靜觸接點(diǎn)J5(J6)斷開，與靜觸接點(diǎn)J6(J5)吸合，氣體傳感器Sl與加熱電路導(dǎo)通，氣體傳感器 Sl處于加熱狀態(tài)，對氣體進(jìn)行解吸附，氣體傳感器S2與電源電路導(dǎo)通，氣體傳感器S2處于 工作狀態(tài)，輸出響應(yīng)信號。以下是本發(fā)明的具體實(shí)施例實(shí)施例1選用日本費(fèi)加羅公司生產(chǎn)的金屬氧化物半導(dǎo)體型瓦斯傳感器TGS2611作為本發(fā) 明裝置中的雙氣體傳感器，按附圖3所示的測量電路，將兩只傳感器并聯(lián)連接在裝置電路 中。調(diào)節(jié)定時(shí)器的開關(guān)，設(shè)置定時(shí)時(shí)間為1分鐘，將該裝置放在氣室中。另一方面，將本發(fā) 明雙傳感器裝置的輸出端與KEITHLEY2700數(shù)據(jù)采集儀相連接，并將該檢測儀連接到PC機(jī) 上。緊接著，向氣室中通入純凈的氮?dú)?N2),持續(xù)5分鐘，以排出氣室中的空氣和其它干擾 氣體。然后，通入一定濃度的甲烷氣體，并按下定時(shí)器按鈕，啟動(dòng)定時(shí)器。若此時(shí)傳感器Sl 工作，傳感器S2不工作，Sl在吸附甲烷氣體后，電阻下降，裝置輸出一定的電壓信號。1分 鐘后傳感器Sl達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)定時(shí)時(shí)間到，繼電器控制傳感器交換工作狀態(tài)，傳感器 Sl進(jìn)入加熱狀態(tài)進(jìn)行解吸附，傳感器S2開始工作，吸附氣體，輸出相應(yīng)的電壓信號。實(shí)施例2瓦斯檢測儀選用一定的瓦斯傳感器后，本實(shí)施例的裝置可與一單片機(jī)系統(tǒng)相連。該單片機(jī)系 統(tǒng)包括信號放大、濾波電路模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模塊，液晶顯示模塊，聲光報(bào)警模塊。并用C 語言編寫系統(tǒng)控制程序，燒寫到單片機(jī)中，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。本實(shí)施例所設(shè)計(jì)的瓦斯檢測儀的 工作過程為系統(tǒng)上電并初始化；瓦斯傳感器預(yù)熱半小時(shí)后，開始吸附通入的瓦斯氣體，測 量電路輸出一定的電壓信號，該模擬電壓信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路后變?yōu)閿?shù)字電壓信號，且該 信號被單片機(jī)的I/O端口接收并進(jìn)行處理，以判斷出此時(shí)所通瓦斯氣體濃度；單片機(jī)根據(jù) 相應(yīng)的程序?qū)z測結(jié)果顯示在LCD上，并與所設(shè)濃度報(bào)警值相比較，若超過閾值，則進(jìn)行聲 光報(bào)警，否則，聲光報(bào)警模塊不工作。實(shí)施例3選用涂有NH3敏感材料的QCM傳感器，其中心頻率為8MHz。將QCM傳感器放入氣 室，并將其輸出端與頻率計(jì)相連。當(dāng)晶片吸附一定的NH3氣體后，其振動(dòng)頻率增加，再通入 純凈的N2后，其頻率會(huì)急劇下降。采用本實(shí)例新型裝置，在改變通入氣體濃度時(shí)，啟動(dòng)定時(shí) 器，則已經(jīng)吸附了 NH3氣體的QCM傳感器進(jìn)入解吸附狀態(tài)，沒有吸附NH3氣體的QCM傳感器 開始吸附氣體，產(chǎn)生一定的頻率響應(yīng)。所得到的該裝置輸出的頻率響應(yīng)曲線如圖4所示。
權(quán)利要求
一種快速響應(yīng)的雙氣體傳感器裝置，其特征在于，包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的氣體傳感器，還包括以下模塊數(shù)字可調(diào)定時(shí)器設(shè)定和調(diào)節(jié)兩個(gè)氣體傳感器交換工作狀態(tài)的時(shí)間；繼電器模塊控制兩個(gè)氣體傳感器轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)；加熱電路模塊在繼電器模塊的控制下對氣體傳感器提供加熱電壓；雙氣體傳感器測量電路模塊使氣體傳感器工作完成氣體測量工作；電源電路模塊為雙氣體傳感器測量電路模塊以及數(shù)字可調(diào)定時(shí)器提供工作電壓；其中，電源電路模塊連接數(shù)字可調(diào)定時(shí)器模塊和繼電器模塊，加熱電路模塊經(jīng)繼電器模塊連接雙氣體傳感器測量電路模塊，兩個(gè)氣體傳感器交替工作和加熱當(dāng)一只氣體傳感器工作時(shí)，另一只氣體傳感器同時(shí)進(jìn)行加熱解吸附，達(dá)到一定時(shí)間后，兩只氣體傳感器交換工作狀態(tài)。
2 根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速響應(yīng)的雙氣體傳感器裝置，其特征在于，所述繼電器模 塊選用雙刀雙擲型繼電器，其包括兩副動(dòng)觸接點(diǎn)(J2)、(J3)和(J5)、(J6)；一副靜觸接點(diǎn) (Jl)、(J4)，(Jl)分別在(J2)、(J3)之間吸合和釋放，(J4)分別在(J5)、(J6)之間吸合和 斷開，以實(shí)現(xiàn)不同工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速響應(yīng)的雙氣體傳感器裝置，其特征在于，所述數(shù)字可調(diào) 定時(shí)器電路模塊由14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器芯片⑶4060、雙D觸發(fā)器芯片74LS74、12位二進(jìn) 制計(jì)數(shù)器芯片CC4040、定時(shí)時(shí)間設(shè)置開關(guān)、吸斷時(shí)間比調(diào)檔開關(guān)以及外圍的電阻、電容、晶 振元件構(gòu)成，吸斷時(shí)間比調(diào)檔開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)繼電器吸合和斷開時(shí)間具有不同的比值，定時(shí) 時(shí)間設(shè)置開關(guān)完成具體的定時(shí)時(shí)間設(shè)置，附加電路包括一開關(guān)按鈕，按下按鈕定時(shí)器開始 定時(shí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速響應(yīng)的雙氣體傳感器裝置，其特征在于，數(shù)字可調(diào)定時(shí) 器的輸出端通過一個(gè)三極管與繼電器控制端相連接，定時(shí)時(shí)間未到時(shí)，定時(shí)器輸出低電平， 三極管截止，繼電器動(dòng)觸接點(diǎn)(Jl)、(J4)不發(fā)生斷開和吸合；定時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)，定時(shí)器輸出 高電平，三極管導(dǎo)通，繼電器動(dòng)觸接點(diǎn)(Jl)、(J4)在靜觸接點(diǎn)(J2)、(J3)和(J5)、(J6)之 間發(fā)生斷開和吸合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速響應(yīng)的雙氣體傳感器裝置，其特征在于，繼電器的動(dòng)觸 接點(diǎn)(Jl)與加熱電路的輸出端相連接，動(dòng)觸接點(diǎn)(J4)與電源電路的輸出端相連接，靜觸接 點(diǎn)(J2)、(J6)分別與雙氣體傳感器測量電路中Sl測量電路的加熱電壓和電源電壓的正極 相連接，靜觸接點(diǎn)(J3)、(J5)分別與雙氣體傳感器測量電路S2測量電路的加熱電壓和電源 電壓的正極相連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種快速響應(yīng)的雙氣體傳感器裝置，其特征在于，包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的氣體傳感器，還包括以下模塊數(shù)字可調(diào)定時(shí)器、繼電器模塊、加熱電路模塊、雙氣體傳感器測量電路模塊和電源電路模塊，其中，電源電路模塊連接數(shù)字可調(diào)定時(shí)器模塊和繼電器模塊，加熱電路模塊經(jīng)繼電器模塊連接雙氣體傳感器測量電路模塊，兩個(gè)氣體傳感器交替工作和加熱當(dāng)一只氣體傳感器工作時(shí)，另一只氣體傳感器同時(shí)進(jìn)行加熱解吸附，達(dá)到一定時(shí)間后，兩只氣體傳感器交換工作狀態(tài)。
文檔編號G01N27/12GK101825595SQ20101016173
公開日2010年9月8日 申請日期2010年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月4日
發(fā)明者孫萍, 杜曉松, 王然, 蔣亞東, 謝光忠 申請人:電子科技大學(xué)