專利名稱：基于碳納米管薄膜微納米電極的氣體在線檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體檢測領(lǐng)域，特別是一種基于碳納米管薄膜微納米電極、對任何氣 體都敏感的、具有單值氣敏特性，并能消除溫度及濕度干擾影響，不用分離混合氣體，可以 直接測量各組份濃度的氣體在線檢測裝置。
背景技術(shù)：
碳納米管自1991年發(fā)現(xiàn)以來，在氣體檢測領(lǐng)域展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。碳納米管 傳感器中的碳納米管薄膜兩電極電離式傳感器，基于氣體放電原理，克服了其它類型的碳 納米管氣敏傳感器在被測氣體中飽和中毒的缺點(diǎn)，以其檢測靈敏度高、檢測氣體范圍寬、響 應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，成為氣體檢測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，現(xiàn)階段基于碳納米管薄膜兩電極電離式氣體傳感器的氣體測量裝置，很難 解決氣體濃度在較大范圍的定量測量問題，也不能夠用于易燃、易爆氣體種類和濃度的準(zhǔn) 確識別。具體表現(xiàn)在1、傳感器工作條件要求高現(xiàn)階段碳納米管薄膜兩電極電離式氣體傳感器多工作在理想環(huán)境下，如高溫、高 真空環(huán)境中，不能應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場等復(fù)雜環(huán)境下。2、多值非線性敏感特性現(xiàn)階段基于碳納米管薄膜兩電極氣體傳感器的在線檢測裝置多采用陰陽極兩個(gè) 電極構(gòu)成氣體傳感器，氣敏特性及濕度敏感特性都具有多值非線性問題，不能構(gòu)成實(shí)用的 在線檢測裝置。3、不適用于易燃、易爆氣體的測量現(xiàn)階段碳納米管薄膜兩電極電離式氣體傳感器多工作在電暈放電、電弧放電等狀 態(tài)，放電過程有較大電流產(chǎn)生，并伴隨發(fā)光發(fā)熱現(xiàn)象，因此不適用于易燃、易爆氣體的測量。因此，目前對基于碳納米管薄膜微納米電極的氣體在線檢測裝置的研制，成為亟 待解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于碳納米管薄膜微納米電極的氣體檢測裝置，該裝置 通過將碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列、屏蔽電纜線、檢測儀及計(jì)算機(jī)有機(jī)地結(jié)合在 一起，能夠在線檢測不同濃度、溫度和濕度的氣體。其測量過程簡單，測量氣體種類多、濃度 范圍大，測量的分辨率高、誤差小，可用于易燃、易爆、有毒氣體的測量。并實(shí)現(xiàn)檢測條件設(shè) 置、數(shù)據(jù)存儲、分析、圖形化顯示、打印輸出能功能。本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。一種基于碳納米管薄膜微納米電極的氣體在線檢測裝置，其特征在于包括碳納 米管薄膜微納米電極傳感器陣列、通過屏蔽電纜線與碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列 中各傳感器輸出端相連接的檢測儀，以及與檢測儀連接的計(jì)算機(jī)；碳納米管薄膜微納米電
3極傳感器陣列實(shí)時(shí)在線檢測被測氣體的濃度、溫度和濕度，經(jīng)檢測儀數(shù)據(jù)處理后傳輸至計(jì) 算機(jī)，由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)融合輸出被測氣體濃度、溫度和濕度的測量值并打印輸出。本發(fā)明進(jìn)一步的特征在于所述在線檢測裝置包括微控制器及與微控制器相連接的IXD顯示器、鍵盤和檢測 儀系統(tǒng)電源；其中，碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列中各傳感器輸出信號通過屏蔽電 纜線經(jīng)信號調(diào)理電路與微控制器連接；微控制器通過傳感器電壓源與碳納米管薄膜微納米 電極傳感器陣列相連；微控制器通過通信接口與計(jì)算機(jī)連接。所述傳感器電壓源為碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列提供可變、穩(wěn)定、精確 的直流電源。所述碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列由1 100個(gè)不同極間距的碳納米管薄 膜微納米電極傳感器組成。所述碳納米管薄膜微納米電極傳感器包括三個(gè)依次自上而下相互疊加的電極，該 三個(gè)相互疊加電極分別設(shè)有第一電極、第二電極和第三電極，所述第一電極由內(nèi)表面附著 有分布著碳納米管薄膜的金屬膜基底以及設(shè)有透氣孔的電極構(gòu)成；第二電極由中心設(shè)有引 出孔的引出極極板構(gòu)成；第三電極由板面設(shè)有盲孔的收集極構(gòu)成；該三個(gè)電極分別通過絕 緣支柱相互隔離。所述三個(gè)電極中相鄰兩個(gè)電極的極間距為30 250 μ m。所述第一電極的透氣孔、第二電極的引出孔和第三電極的盲孔數(shù)量為1 4個(gè)。所述屏蔽電纜線可屏蔽外界信號對碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列輸出微 弱信號的影響，保證檢測儀能檢測到傳感器的輸出信號。本發(fā)明檢測裝置通過設(shè)置不同極間距及不同電極電壓的碳納米管薄膜微納米電 極傳感器陣列檢測不同氣體，并將檢測值輸入至微弱電流檢測儀，經(jīng)計(jì)算機(jī)和檢測儀進(jìn)行 數(shù)據(jù)交換，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，可實(shí)現(xiàn)單一氣體及多組份混合氣體在溫度及濕度 干擾條件下的在線準(zhǔn)確檢測。其中，碳納米管薄膜微納米電極傳感器通過在三個(gè)電極上施 加不同的電壓，控制將氣體非自持暗放電產(chǎn)生的電子流與離子流進(jìn)行有效分離，獲得與氣 體濃度、溫度和濕度有單值關(guān)系的離子流的輸出，構(gòu)造成功三種新型碳納米管薄膜微納米 電極氣體、溫度、濕度傳感器。基于非自持暗放電效應(yīng)的氣體檢測裝置可以對不同濃度、溫 度和濕度的氣體進(jìn)行在線檢測，并實(shí)現(xiàn)檢測條件設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲、分析、圖形化顯示、打印輸 出等功能。該裝置可獲得單值的氣敏特性、溫度敏感特性及濕度敏感特性，檢測氣體的準(zhǔn)確 度達(dá)到1%，是一種有很高實(shí)用價(jià)值的氣體檢測裝置。


圖1是本發(fā)明基于碳納米管薄膜微納米電極的氣體在線檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明基于碳納米管薄膜微納米電極的氣體在線檢測裝置的原理示意圖；圖3是本發(fā)明碳納米管薄膜微納米電極傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明氣體在線檢測裝置在單一氣體二氧化硫中輸出的氣體放電離子流 與氣體濃度的單值關(guān)系；圖5是本發(fā)明氣體檢測裝置輸出的氣體放電離子流與空氣環(huán)境溫度的單值關(guān)系；圖6是本發(fā)明氣體檢測裝置輸出的氣體放電離子流與氮?dú)庵袧穸鹊膯沃店P(guān)系；
圖7是本發(fā)明氣體檢測裝置在二氧化硫與一氧化氮兩組份混合氣體中輸出的氣 體放電離子流與氣體濃度的單值關(guān)系。圖中1、碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列；2、屏蔽電纜線；3、檢測儀；4、計(jì)算 機(jī)；11、第一電極；12、第二電極；13、第三電極；14、有透氣孔的電極；15、金屬膜基底；16、 碳納米管薄膜；17、絕緣支柱；31、微控制器；32、信號調(diào)理電路；33、IXD顯示器；34、通信接 口 ；35、鍵盤；36、檢測儀系統(tǒng)電源；37、傳感器電壓源。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例及附圖對本發(fā)明氣體檢測裝置做進(jìn)一步說明。如圖1所示，該基于碳納米管薄膜微納米電極的氣體在線檢測裝置，包括碳納米 管薄膜微納米電極傳感器陣列1、通過屏蔽電纜線2與碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣 列1中各傳感器輸出端相連接的檢測儀3，以及與檢測儀3連接的計(jì)算機(jī)4 ；碳納米管薄膜 微納米電極傳感器陣列1實(shí)時(shí)在線檢測被測氣體的濃度、溫度和濕度，經(jīng)檢測儀3數(shù)據(jù)處理 后傳輸至計(jì)算機(jī)4，由計(jì)算機(jī)4數(shù)據(jù)融合輸出被測氣體濃度、溫度和濕度的測量值并打印輸 出ο如圖2所示，檢測儀3包括微控制器31及與微控制器31相連接的IXD顯示器33、 鍵盤35和檢測儀系統(tǒng)電源36 ；其中，碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列1中各傳感器的 輸出信號，通過屏蔽電纜線2經(jīng)信號調(diào)理電路32與微控制器31連接；微控制器31通過傳 感器電壓源37與碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列1相連；微控制器31通過通信接口 34與計(jì)算機(jī)4連接。傳感器電壓源37為碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列1提供直流 電源。本發(fā)明的碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列1由1 100個(gè)不同極間距的碳納 米管薄膜微納米電極傳感器組成。如圖3所示，碳納米管薄膜微納米電極傳感器包括三個(gè)依次自上而下相互疊加的 電極，該三個(gè)相互疊加電極分別設(shè)有第一電極11、第二電極12和第三電極13，所述第一電 極11由內(nèi)表面附著有分布著碳納米管薄膜16的金屬膜基底15以及設(shè)有透氣孔的電極14 構(gòu)成；第二電極12由中心設(shè)有引出孔的引出極極板構(gòu)成；第三電極13由板面設(shè)有盲孔的 收集極構(gòu)成；該三個(gè)電極分別通過絕緣支柱17相互隔離。三個(gè)電極中相鄰的兩個(gè)電極的極間距為30 250 μ m。第一電極11的透氣孔、第 二電極12的引出孔和第三電極13的盲孔數(shù)量為1 4個(gè)。本發(fā)明氣體檢測裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，分為4大部分碳納米管薄膜微納米電極傳 感器陣列、屏蔽電纜線、檢測儀、計(jì)算機(jī)。碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列1由1 100 個(gè)不同極間距的碳納米管薄膜微納米電極傳感器組成。不同極間距的碳納米管傳感器工作 在非自持暗放電狀態(tài)，在不同種類、不同濃度氣體中輸出信號為從皮安級到微安級的離子 流；屏蔽電纜線2可屏蔽外界信號對碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列1輸出信號的干 擾，保證檢測儀3能檢測到傳感器的輸出信號；檢測儀3包括微控制器31以及外圍LCD顯 示器33、鍵盤35、通信接口 34以及給微控制器31供電的系統(tǒng)電源36 ；其中，微控制器31與 傳感器電壓源37的連接端口為雙向口，微控制器31通過傳感器電壓源37給碳納米管薄膜 微納米電極傳感器陣列1提供可變、穩(wěn)定、精確的直流電壓，微控制器31也可以根據(jù)不同傳感器獲得單值敏感特性的需要，執(zhí)行計(jì)算機(jī)傳來的設(shè)置好的相應(yīng)的電壓值，調(diào)整傳感器電 壓源輸出的電壓值；計(jì)算機(jī)4通過通信接口 34和微控制器31進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本發(fā)明氣體檢測裝置的工作原理是將碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列1置 于待測氣體中，待測氣體可為單一氣體或多組分混合氣體；傳感器電壓源37給碳納米管薄 膜微納米電極傳感器陣列1施加一定的直流電壓；由于碳納米管薄膜微納米電極傳感器使 用的碳納米管薄膜具有納米級的曲率半徑尖端，因此第一電極11和第二電極12間可產(chǎn)生 較強(qiáng)電場，使得在該區(qū)域的氣體分子或原子電離生成帶電離子，通過控制加在第二電極12 及第三電極13上的電壓，可將第一電極11與第二電極12間產(chǎn)生的電子與離子分離開。離 子形成的PA級微弱離子流由第三電極13引出；離子流通過屏蔽電纜線，再經(jīng)過信號調(diào)理 電路，被微控制器31讀入，計(jì)算機(jī)4通過通信接口 34和檢測儀3進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。微控制器 31將讀入的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)4，由計(jì)算機(jī)4進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，從而顯示、輸出被測氣體 濃度、氣體溫度和濕度測量值。下面通過檢測不同氣體濃度、溫度和濕度的實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。實(shí)施例1 氣體在線檢測裝置的碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列1由一個(gè)三個(gè)電極中 相鄰兩個(gè)電極的極間距固定且數(shù)值不同的碳納米管傳感器組成，第一電極11的透氣孔為2 個(gè)、第二電極12的引出孔為1個(gè)，第三電極13的盲孔為1個(gè)。碳納米管薄膜微納米電極傳 感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用上述極間距固定的碳納米管薄膜微納米電極傳感器，實(shí)驗(yàn)獲得了單一氣體二 氧化硫的單值氣敏特性(圖4所示)，傳感器輸出的離子流數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)融合建立的單一氣 體二氧化硫濃度測量模型，獲得了準(zhǔn)確度小于1 %的單一氣體二氧化硫濃度測量值。圖4所示的氣體在線檢測裝置檢測氮?dú)獗尘爸卸趸驓怏w濃度的實(shí)施例中，實(shí) 驗(yàn)環(huán)境條件為溫度20. 5°C、相對濕度25. 8% RH、大氣壓力93. 4KPa。測量二氧化硫氣體濃度 的碳納米管薄膜微納米電極傳感器第一電極11與第二電極12極間距為200 μ m、第二電極 12與第三電極13極間距為220 μ m ；監(jiān)測溫度用的碳納米管薄膜微納米電極傳感器相鄰電 極的極間距均為170μπι ；監(jiān)測濕度用的碳納米管薄膜微納米電極傳感器相鄰電極的極間 距分別為200 μ m、100 μ m。上述三個(gè)碳納米管薄膜微納米電極傳感器的第一電極11與第二 電極12極板正對面積為170mm2，第二電極12與第三電極13極板正對面積為190mm2。單一 氣體二氧化硫傳感器第一電極陰極電壓為0V，第二電極引出極加載電壓100V，第三電極收 集極加載電壓IOV ；溫度傳感器第一、第二、第三電極電壓分別為0V、70V、10V ；濕度傳感器 第一、第二、第三電極電壓分別為0V、90V、10V。隨著二氧化硫濃度的增加，單一氣體二氧化 硫傳感器收集極收集到的離子流減小，離子流與二氧化硫濃度之間呈現(xiàn)單值下降關(guān)系；溫 度、濕度傳感器敏感特性與單一氣體二氧化硫傳感器類似。在0 739ppm 二氧化硫氣體濃 度范圍內(nèi)，獲得了 10組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)。三個(gè)傳感器離子流值作為輸入樣本，二氧化硫氣體 濃度標(biāo)定值作為期望輸出樣本數(shù)據(jù)。采用線性插值對10組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定樣本數(shù)據(jù)插值，在0 739ppm 二氧化硫氣體濃度范圍內(nèi)以20ppm為間距進(jìn)行等間距插值，并在濃度注意值(即二 氧化硫氣體濃度臨界值)附近進(jìn)行密集插值，共獲得67組插值數(shù)據(jù)，并與10組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù) 據(jù)組成數(shù)據(jù)庫；選用67組插值數(shù)據(jù)和2組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)共69組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，剩余的 不同于訓(xùn)練樣本的8組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)樣本，輸入數(shù)據(jù)融合儀，通過訓(xùn)練檢驗(yàn)，獲得單一氣體二氧化硫濃度測量模型。二氧化硫濃度測量模型的線性度為0. 31%，8組檢驗(yàn)樣 本的檢驗(yàn)結(jié)果引用誤差最大值為0. 32%，達(dá)到了 的濃度測量準(zhǔn)確度。實(shí)施例2 氣體在線檢測裝置的碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列1由一個(gè)三個(gè)電極中 相鄰兩個(gè)電極的極間距固定為170 μ m的碳納米管傳感器組成，第一電極11的透氣孔為2 個(gè)、第二電極12的引出孔為1個(gè)，第三電極13的盲孔為1個(gè)。采用上述極間距固定的碳納米管傳感器，實(shí)驗(yàn)獲得了空氣中的單值溫度特性(圖 5所示)，傳感器輸出的離子流輸入數(shù)據(jù)融合建立的溫度測量模型，獲得了準(zhǔn)確度小于1 % 的空氣中的溫度測量值。圖5所示的氣體在線檢測裝置檢測空氣環(huán)境溫度的實(shí)施例中，實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件為相 對濕度25. 7% RH、大氣壓力94. IKPa0碳納米管薄膜微納米電極傳感器第一電極11與第二 電極12極間距、第二電極12與第三電極13極間距均為170 μ m，傳感器的第一電極11與 第二電極12極板正對面積為17mm2，第二電極12與第三電極13極板正對面積為190mm2。 傳感器第一電極陰極電壓為0V，第二電極引出極加載電壓70V，第三電極收集極加載電壓 IOV0隨著溫度的升高，收集極收集到的離子流增大，離子流與溫度之間呈現(xiàn)單值上升關(guān)系。 在20 110°C溫度范圍內(nèi)，獲得了 19組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)。氣體溫度傳感器離子流值作為輸入 樣本，氣體溫度標(biāo)定值作為期望輸出樣本數(shù)據(jù)。采用分段線性插值對19組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定樣本數(shù) 據(jù)插值，在20 110°C溫度范圍內(nèi)以1°C為間距進(jìn)行等間距插值，并在溫度注意值(即氣體 溫度臨界值)附近進(jìn)行密集插值，共獲得119組插值數(shù)據(jù)，并與19組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)組成數(shù) 據(jù)庫；選用119組插值數(shù)據(jù)與1組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)共120組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，剩余的不同于 訓(xùn)練樣本的18組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)樣本，輸入數(shù)據(jù)融合儀，通過訓(xùn)練檢驗(yàn)，獲得空氣 中溫度測量模型。該溫度測量模型的線性度為0. 33%,18組檢驗(yàn)樣本的檢驗(yàn)結(jié)果引用誤差 最大值為0. 36%，達(dá)到了 的溫度測量準(zhǔn)確度。實(shí)施例3 氣體在線檢測裝置的碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列1由一個(gè)三個(gè)電極中 相鄰兩個(gè)電極的極間距固定且數(shù)值不同的碳納米管傳感器組成，第一電極11的透氣孔為2 個(gè)、第二電極12的引出孔為1個(gè)，第三電極13的盲孔為1個(gè)。采用極間距固定的碳納米管傳感器，實(shí)驗(yàn)獲得了氮?dú)庵械膯沃禎穸忍匦?圖6所 示)，傳感器輸出的離子流輸入數(shù)據(jù)融合建立的濕度測量模型，獲得了準(zhǔn)確度小于1 %的氮 氣中的濕度測量值。圖6所示的氣體在線檢測裝置檢測氮?dú)猸h(huán)境濕度的實(shí)施例中，實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件為溫 度20. 8 21. 8°C、大氣壓力93. 6 lOOKPa。傳感器第一電極11與第二電極12極間距為 200 μ m、第二電極12與第三電極13極間距為IOOym ；第一電極11與第二電極12極板正 對面積為170mm2，第二電極12與第三電極13極板正對面積為190mm2 ；第一電極陰極電壓為 0V，第二電極引出極加載電壓90V，第三電極收集極加載電壓IOV0隨著濕度的升高，收集極 收集到的離子流增大，離子流與濕度之間呈現(xiàn)單值上升關(guān)系。在25. 8 100% RH濕度范圍 內(nèi)，獲得了 25組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)。濕度傳感器離子流值作為輸入樣本，濕度標(biāo)定值作為期望 輸出樣本數(shù)據(jù)。采用線性插值，在25. 8 100% RH濕度范圍內(nèi)以0. 5% RH為步長進(jìn)行等 間距插值，獲得150組插值數(shù)據(jù)，并與25組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)庫。選用45組插值數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，25組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)樣本，輸入數(shù)據(jù)融合儀，通過訓(xùn)練檢驗(yàn)，獲得氮 氣中濕度測量模型。該濕度測量模型的線性度為0. 15%，25組檢驗(yàn)樣本的檢驗(yàn)結(jié)果引用誤 差最大值為0.2%，達(dá)到了 的濕度測量準(zhǔn)確度。實(shí)施例4 氣體在線檢測裝置的碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列1由三個(gè)電極的相鄰 兩個(gè)電極的極間距固定且數(shù)值不同的4個(gè)碳納米管薄膜微納米電極傳感器組成，第一電極 11的透氣孔為2個(gè)、第二電極12的引出孔為1個(gè)，第三電極13的盲孔為1個(gè)。采用兩個(gè)不同極間距碳納米管薄膜微納米電極氣體濃度傳感器、兩個(gè)不同極間距 的碳納米管薄膜微納米電極溫度、濕度傳感器組成傳感器陣列，實(shí)驗(yàn)獲得了二氧化硫與 一氧化氮NO兩組份混合氣體的單值氣敏特性(圖7所示)，傳感器輸出的離子流數(shù)據(jù)輸 入數(shù)據(jù)融合建立的二氧化硫與一氧化氮兩組份混合氣體濃度測量模型，獲得了準(zhǔn)確度小于 1 %的二氧化硫與一氧化氮兩組份混合氣體濃度測量值。圖7所示的氣體在線檢測裝置檢測二氧化硫與一氧化氮兩組份混合氣體濃度的 實(shí)施例中，實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件為溫度20. 5°C、相對濕度25. 2% RH、大氣壓力93. 7KPa。圖7中上 曲面是一氧化氮傳感器的單值特性，下曲面是二氧化硫傳感器的單值特性。一氧化氮傳感 器的第一電極11與第二電極12、第二電極12與第三電極13極間距均為100 μ m, 二氧化硫 傳感器第一電極11與第二電極12、第二電極12與第三電極13極間距均為150 μ m ；監(jiān)測 溫度用的碳納米管薄膜微納米電極傳感器相鄰電極的極間距均為170 μ m;監(jiān)測濕度用的 碳納米管薄膜微納米電極傳感器相鄰電極的極間距分別為200μπι、100μπι。上述碳納米管 薄膜微納米電極傳感器的第一電極11與第二電極12極板正對面積為170mm2，第二電極12 與第三電極13極板正對面積為190mm2。兩個(gè)測量兩組份混合氣體濃度傳感器的第一電極 陰極電壓均為0V，第二電極引出極均加載電壓100V，第三電極收集極均加載電壓IOV ；溫度 傳感器第一、第二、第三電極電壓分別為0V、70V、10V ；濕度傳感器第一、第二、第三電極電 壓分別為0V、90V、10V。隨著與NO氣體濃度的升高，兩個(gè)測量兩組份氣體濃度傳感器的 收集極收集到的離子流均減小，離子流隨兩組份氣體濃度增加呈現(xiàn)單值下降的關(guān)系；溫度、 濕度傳感器敏感特性與氣體傳感器類似。在SA氣體0 737. 884ppm濃度范圍內(nèi)以及NO 氣體0 1127.976ppm的濃度范圍內(nèi)，獲得了 36組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)。四個(gè)傳感器離子流值作 為輸入樣本，兩組份氣體濃度標(biāo)定值作為期望輸出樣本數(shù)據(jù)。采用二維曲面分段線性插值， 在SO2氣體0 737. 884ppm濃度范圍內(nèi)以及NO氣體0 1127. 976ppm的濃度范圍內(nèi)，對 36組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，共獲得1352組插值數(shù)據(jù)，并與36組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)組成數(shù) 據(jù)庫；選用1332組插值數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，剩余20組不同于訓(xùn)練樣本的插值數(shù)據(jù)與30組 實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)共50組濃度注意值(即氣體濃度臨界值)數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)樣本，輸入數(shù)據(jù)融合 儀，通過訓(xùn)練檢驗(yàn)，獲得S02、NO兩組份混合氣體濃度測量模型。該模型組份濃度測量 結(jié)果的線性度為0. 49%，50組檢驗(yàn)樣本的檢驗(yàn)結(jié)果引用誤差最大值為0. 49%;N0組份濃度 測量結(jié)果的線性度為0. 23%,50組檢驗(yàn)樣本的檢驗(yàn)結(jié)果引用誤差最大值為0.對％，達(dá)到了
的濃度測量準(zhǔn)確度。實(shí)施例5 氣體在線檢測裝置的碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列1由三個(gè)電極的相鄰 兩個(gè)電極的極間距固定且數(shù)值不同的10個(gè)碳納米管薄膜微納米電極傳感器組成，第一電極11的透氣孔為1個(gè)、第二電極12的引出孔為4個(gè)，第三電極13的盲孔為4個(gè)。10個(gè)傳 感器每個(gè)傳感器的相鄰極間距范圍是30 250 μ m,每個(gè)電極施加電壓的范圍是0 200V。 該實(shí)施例可消除溫度和濕度的干擾影響，可進(jìn)行NO、NO2, SO2, 02、H2, C2H2, C2H4及CO等八種 單一氣體濃度的準(zhǔn)確測量，以及八種組份混合氣體濃度的準(zhǔn)確測量。實(shí)施例6 氣體在線檢測裝置的碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列1由三個(gè)電極的相鄰 兩個(gè)電極的極間距固定且數(shù)值不同的100個(gè)碳納米管薄膜微納米電極傳感器組成，第一電 極11的透氣孔為4個(gè)、第二電極12的引出孔為2個(gè)，第三電極13的盲孔為2個(gè)。100個(gè)傳 感器每個(gè)傳感器的相鄰極間距范圍是30 250 μ m,每個(gè)電極施加電壓的范圍是0 200V。 該實(shí)施例可消除溫度和濕度的干擾影響，可進(jìn)行NO、NO2, SO2, 02、H2, C2H2, C2H4, CO等近百種 單一氣體濃度的準(zhǔn)確測量，以及近百種組份混合氣體濃度的準(zhǔn)確測量。雖然本發(fā)明以上述較佳的實(shí)施例對本發(fā)明做出了詳細(xì)的描述，但上述實(shí)施例并不 用于限定本發(fā)明。在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案所給出的技術(shù)特征和結(jié)構(gòu)范圍的情況下，對技 術(shù)特征所作的增加、變形或以本領(lǐng)域同樣內(nèi)容的替換，均應(yīng)屬本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于碳納米管薄膜微納米電極的氣體在線檢測裝置，其特征在于包括碳納米 管薄膜微納米電極傳感器陣列(1)、通過屏蔽電纜線(2)與碳納米管薄膜微納米電極傳感 器陣列⑴中各傳感器輸出端相連接的檢測儀(3)，以及與檢測儀(3)連接的計(jì)算機(jī)⑷； 碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列(1)實(shí)時(shí)在線檢測被測氣體的濃度、溫度和濕度，經(jīng) 檢測儀(3)數(shù)據(jù)處理后傳輸至計(jì)算機(jī)(4)，由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)融合輸出被測氣體濃度、溫度和濕 度的測量值并打印輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體在線檢測裝置，其特征在于所述檢測儀(3)包括微 控制器(31)及與微控制器(31)相連接的LCD顯示器(33)、鍵盤(35)和檢測儀系統(tǒng)電源 (36)；其中，碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列(1)輸出信號通過屏蔽電纜線(2)經(jīng)信號 調(diào)理電路(32)與微控制器(31)連接；微控制器(31)通過傳感器電壓源(37)與碳納米管 薄膜微納米電極傳感器陣列(1)相連；微控制器(31)通過通信接口(34)與計(jì)算機(jī)(4)連 接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體在線檢測裝置，其特征在于所述傳感器電壓源(37)為 碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列(1)提供直流電源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體在線檢測裝置，其特征在于所述碳納米管薄膜微納米 電極傳感器陣列(1)由1 100個(gè)不同極間距的碳納米管薄膜微納米電極傳感器組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氣體在線檢測裝置，其特征在于所述碳納米管薄膜微納米 電極傳感器包括三個(gè)依次自上而下相互疊加的電極，該三個(gè)相互疊加電極分別設(shè)有第一電 極(11)、第二電極(12)和第三電極(13)，所述第一電極(11)由內(nèi)表面附著有分布著碳納 米管薄膜(16)的金屬膜基底(15)以及設(shè)有透氣孔的電極(14)構(gòu)成；第二電極(12)由中 心設(shè)有引出孔的引出極極板構(gòu)成；第三電極(13)由板面設(shè)有盲孔的收集極構(gòu)成；該三個(gè)電 極分別通過絕緣支柱(17)相互隔離。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣體在線檢測裝置，其特征在于所述三個(gè)電極中相鄰兩個(gè) 電極的極間距為30 250 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣體在線檢測裝置，其特征在于所述第一電極(11)的透氣 孔、第二電極(12)的引出孔和第三電極(13)的盲孔數(shù)量為1 4個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于碳納米管薄膜微納米電極的氣體在線檢測裝置，包括碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列、通過屏蔽電纜線與碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列中各傳感器輸出端相連接的基于微控制器的檢測儀，以及與檢測儀連接的計(jì)算機(jī)，檢測儀中包含給傳感器陣列供電的傳感器電壓源。碳納米管薄膜微納米電極傳感器陣列實(shí)時(shí)在線檢測被測氣體的濃度、溫度和濕度，經(jīng)檢測儀數(shù)據(jù)處理后傳輸給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)融合輸出被測氣體濃度、溫度和濕度的測量值并打印輸出。該裝置不需要分離混合氣體，可在線準(zhǔn)確檢測單一氣體以及混合氣體濃度、氣體溫度和濕度。其測量過程簡單，測量氣體種類多、濃度范圍大，測量誤差小，可用于各種氣體的檢測。
文檔編號G01N27/64GK102095792SQ201110039989
公開日2011年6月15日 申請日期2011年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月16日
發(fā)明者劉君華, 唐建文, 姜為華, 宋曉慧, 張勇, 張建業(yè), 張晶園, 方靜, 李昕, 牛國平, 王影花, 王曉冰, 王進(jìn), 肖丹 申請人:西安交通大學(xué)