公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏元件及氣敏傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏元件及氣敏傳感器，氣敏元件包括絕緣基底和非金屬防塵罩，非金屬防塵罩內設有分別焊接在絕緣基底上的加熱元件和敏感材料件，加熱元件構成氣敏元件的一個回路，敏感材料件、匹配電阻串聯(lián)連接后構成氣敏元件的另一個回路；敏感材料件包括半導體氧化物層，且半導體氧化物層中通過修飾或摻雜的方式添加有金屬單質量子點或者金屬復合量子點；氣敏傳感器，包括殼體，殼體上設有進風口，殼體內設有前述的氣敏元件以及信號處理器和電源模塊，氣敏元件設于進風口處，殼體上設有顯示器，信號處理器的輸出端與顯示器相連。
【專利說明】公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏元件及氣敏傳感器

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及氣敏元件【技術領域】，具體涉及一種公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏元 件及氣敏傳感器。

【背景技術】
[0002] 近年來，隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)增長和城鎮(zhèn)化的大規(guī)模發(fā)展，像飛機，火車，輪渡，地 鐵，公共汽車等公共交通得到了飛速的發(fā)展。作為服務于大眾的公共交通，安全必然應被視 為重中之重。然而到目前為止，公共交通仍然存在很多的安全隱患問題，公共交通安全事件 在國內外范圍內頻頻發(fā)生。其中，由于有毒有害、易燃易爆等危險品而引發(fā)的事件最為引人 關注，像1995發(fā)生在東京地鐵內的一起震驚全世界的沙林毒氣事件，2004年莫斯科市地鐵 內發(fā)生的TNT炸藥爆炸事件，2009年、2013年分別發(fā)生在成都和廈門的公交車汽油爆炸事 件和2013年發(fā)生在北京的自制爆炸裝置的首都機場爆炸案。這些事件均表明城市的公共 交通系統(tǒng)面臨著嚴峻的安全風險。由于這類事故危害性大，涉及范圍廣，更容易引起社會恐 慌，安全保衛(wèi)以及各種有毒有害、易燃易爆等危險品的檢查和檢測引起了各國政府的關注 和重視。因此，為了切實維護社會公共安全秩序，保障廣大人民群眾生命財產(chǎn)安全，我們必 須提前對有毒有害、易燃易爆等危險品進行監(jiān)測和預警。
[0003] 目前，對有毒有害、易燃易爆等危險品進行檢測的主要方法有警犬，X射線成像技 術，氣相色譜，液相色譜，質譜，紅外輻射，傳統(tǒng)的氣敏元件等，然而，這些方法都具有一定的 局限性。像色譜、質譜等這些設備：一是選擇性及靈敏度較差，不能很好的對危險品進行檢 測和監(jiān)控；二是成本昂貴，不利于檢測設備的普及使用；三是檢測時間長，嚴重阻礙公共交 通的正常運行；四是設備體積較大，不利于實際應用。而傳統(tǒng)的氣敏元件主要是對氣體或易 揮發(fā)性液體進行檢測，而像固態(tài)或不易揮發(fā)的液態(tài)有毒有害、易燃易爆等危險品卻不能進 行有效的監(jiān)測。正是這些缺點嚴重地限制了這些產(chǎn)品在公共交通安全檢測方面的使用，不 能滿足實際需求。


【發(fā)明內容】

[0004] 針對上述現(xiàn)有設備存在的問題，本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種能對固態(tài)或 不易揮發(fā)的液態(tài)有毒有害、易燃易爆等危險品進行檢測，且具有靈敏度高，響應速率快，檢 測下限低，誤報率低，體積小，成本低等優(yōu)點的公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏元件及氣敏 傳感器。
[0005] 為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案為：
[0006] 本發(fā)明提供一種公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏元件，包括絕緣基底和設于絕緣 基底上的非金屬防塵罩，所述非金屬防塵罩內設有分別焊接在絕緣基底上的加熱元件和敏 感材料件，所述敏感材料件為通過修飾或摻雜的方式添加有金屬單質量子點或者金屬復合 量子點的半導體氧化物。
[0007] 優(yōu)選地，所述金屬單質量子點和金屬復合量子點的金屬為金、銀、鉬、鈀、銅、鎳、 鉆、依、鐵、銘、釘之一。
[0008] 優(yōu)選地，所述半導體氧化物為二氧化錫、氧化鐵、氧化鋅、氧化銦、氧化鎢、氧化銅、 氧化鈦、氧化fL之一。
[0009] 本發(fā)明還提供一種公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏傳感器，包括殼體，所述殼體 上設有進風口，所述殼體內設有氣敏元件、匹配電阻、信號處理器和電源模塊，所述氣敏元 件設于進風口處，所述殼體上設有顯示器，所述信號處理器的輸出端與顯示器相連，所述氣 敏元件為前述的公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏元件，所述加熱元件、信號處理器、顯示器 分別與電源模塊相連，所述敏感材料件、匹配電阻串聯(lián)連接，所述匹配電阻與信號處理器的 輸入端相連。
[0010] 優(yōu)選地，所述殼體的進風口處連接有氣體管道，所述氣體管道的端部設有氣體吸 入鼻，所述氣體吸入鼻包括把手和固定于把手上的加熱管，所述加熱管的一端與氣體管道 連通、另一端設有開口，所述加熱管內裝設有吸氣泵，所述開口的外側設有廣口罩殼。
[0011] 優(yōu)選地，所述加熱管外壁上設有用于控制加熱管功率的加熱溫控器。
[0012] 優(yōu)選地，所述加熱管外壁上設有用于控制吸氣泵功率的吸風功率控制器。
[0013] 優(yōu)選地，所述殼體上還設有報警器，所述報警器的控制端與信號處理器相連。
[0014] 優(yōu)選地，所述殼體上還設有上位接口，所述上位接口與信號處理器相連。
[0015] 優(yōu)選地，所述氣體管道為采用橡膠或樹脂制成的柔性中空管道，且所述氣體管道 的長度不長于2m，外直徑不大于100mm。
[0016] 本發(fā)明公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏元件具有下述優(yōu)點：本發(fā)明公共交通安全 危險品監(jiān)測用氣敏元件包括絕緣基底和設于絕緣基底上的非金屬防塵罩，所述非金屬防塵 罩內設有分別焊接在絕緣基底上的加熱元件和敏感材料件，所述敏感材料件為通過修飾或 摻雜的方式添加有金屬單質量子點或者金屬復合量子點的半導體氧化物，當被檢測的氣體 傳輸?shù)揭越饘倭孔狱c修飾或摻雜的半導體氧化物層的表面上，當環(huán)境氣氛中目標氣體濃度 發(fā)生變化時，敏感材料件的電導率發(fā)生變化，從而能夠通過信號處理器對電導率信號的讀 取和處理分析，可間接反映出氣體的濃度，從而將結果傳輸顯示到報警器和顯示器上，并且 還可以通過物聯(lián)網(wǎng)內的多臺氣敏傳感器達到對整個區(qū)域內任一位置上有毒有害、易燃易爆 等危險品的痕量、實時監(jiān)測。當過往車輛、流動人員攜帶或環(huán)境中出現(xiàn)極其微量的危險品 時，本氣敏傳感器快速有效地檢測到并進行報警，從而可以采取有效措施防止危險的發(fā)生， 能對固態(tài)或不易揮發(fā)的液態(tài)有毒有害、易燃易爆等危險品進行檢測，具有靈敏度高，響應速 率快，檢測下限低，誤報率低，體積小，成本低等優(yōu)點。
[0017] 本發(fā)明公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏傳感器為包含本發(fā)明公共交通安全危險 品監(jiān)測用氣敏元件的整機產(chǎn)品，能夠基于本發(fā)明公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏元件對固 態(tài)或不易揮發(fā)的液態(tài)有毒有害、易燃易爆等危險品進行檢測，因此同樣也能夠達到本發(fā)明 公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏元件的技術效果，在此不再贅述。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0019] 圖1為本發(fā)明實施例氣敏傳感器的結構示意圖。
[0020] 圖2為本發(fā)明實施例氣敏元件的俯視結構示意圖。
[0021] 圖3為本發(fā)明實施例氣敏元件的側視結構示意圖。
[0022] 圖例說明：1、殼體；11、進風口；2、氣敏元件；21、絕緣基底；22、非金屬防塵罩； 23、加熱兀件；24、敏感材料件；25、匹配電阻；3、信號處理器；4、電源模塊；5、顯不器；6、氣 體管道；7、氣體吸入鼻；70、把手；71、加熱管；72、開口；73、吸氣泵；74、廣口罩殼；75、加熱 溫控器；76、吸風功率控制器；8、報警器；9、上位接口。

【具體實施方式】
[0023] 下面結合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能 更易于被本領域技術人員理解，從而對本發(fā)明的保護范圍做出更為清楚明確的界定。
[0024] 如圖1所示，本實施例的公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏傳感器包括殼體1，殼體 1上設有進風口 11，殼體1內設有氣敏元件2、匹配電阻25、信號處理器3和電源模塊4,氣 敏兀件2設于進風口 11處，殼體1上設有顯不器5,信號處理器3的輸出端與顯不器5相 連，加熱元件23、信號處理器3、顯示器5分別與電源模塊4相連，敏感材料件24、匹配電阻 25串聯(lián)連接，匹配電阻25與信號處理器3的輸入端相連。
[0025] 本實施例中，殼體1的外型尺寸為200mm(長）*150mm(寬）*50mm(高）。
[0026] 如圖1所示，殼體1的進風口 11處連接有氣體管道6,氣體管道6的端部設有氣體 吸入鼻7,氣體吸入鼻7包括把手70和固定于把手70上的加熱管71，加熱管71的一端與 氣體管道6連通、另一端設有開口 72,加熱管71內裝設有吸氣泵73,開口 72的外側設有廣 口罩殼74。由于氣體吸入鼻7包括把手70和固定于把手70上的加熱管71，因此能夠對進 入氣體管道6的氣體中的固態(tài)、液態(tài)檢測物起到氣化的目的，而且通過吸氣泵73的強力驅 動，從而能夠使得被檢測氣體被充分擴散，進而能夠提高氣敏元件2的檢測靈敏度。
[0027] 如圖1所示，殼體1上還設有報警器8,報警器8的控制端與信號處理器3相連。
[0028] 如圖1所示，殼體1上還設有上位接口 9,上位接口 9與信號處理器3相連。
[0029] 如圖2和圖3所示,本實施例的氣敏元件2包括絕緣基底21和設于絕緣基底21 上的非金屬防塵罩22,非金屬防塵罩22內設有分別焊接在絕緣基底21上的加熱元件23和 敏感材料件24,敏感材料件24為通過修飾或摻雜的方式添加有金屬單質量子點或者金屬 復合量子點的半導體氧化物。
[0030] 本實施例中，加熱元件23可以根據(jù)需要采用鉬絲等耐高溫穩(wěn)定的金屬絲，加熱的 溫度范圍為20-500°C，加熱功率精度問題，保證溫度精度在0. 5°C以下，加熱的方式可以根 據(jù)需要選擇快速、慢速、脈沖、或階梯式等。加熱元件23用于給敏感材料件24提供加熱，以 達到半導體材料正常工作所需的工作溫度，它們通過基底以直接或間接的方式連結。
[0031] 本實施例中，金屬單質量子點和金屬復合量子點的金屬為金、銀、鉬、鈀、銅、鎳、 鈷、銥、鐵、銘、釕之一，金、銀、鉬、鈕、銅、鎳、鈷、銥、鐵、銘、釕均具有高活性的特點，這些金 屬可以是金屬單質以及金屬單質和其他材料構成的金屬復合量子點，通過修飾或摻雜的方 式添加到半導體氧化物中。本實施例中，半導體氧化物為二氧化錫、氧化鐵、氧化鋅、氧化 銦、氧化鎢、氧化銅、氧化鈦、氧化釩之一。半導體氧化物的形成結構可以采用微納有序陣列 薄膜或其他結構，承載金屬量子點和半導體敏感材料的基底可以是絕緣陶瓷管、MEMS或其 他結構和材質的基底，形狀可以是彎曲的也可以是平面的，敏感材料件24的電阻變化范圍 為10K?1000M歐姆。
[0032] 本實施例中，匹配電阻25的電阻范圍可選在10K - 1000M歐姆之間，它和敏感材料 件24串聯(lián)在工作電路中，通過測量匹配電阻上的電流或電壓等電信號來反映氣敏元件的 特性。
[0033] 氣敏元件2在工作狀態(tài)下，加熱元件23通過加熱為敏感材料件24提供最佳的工 作溫度，同時傳輸?shù)綒んw1內的被檢測氣體穿過非金屬防塵罩22在敏感材料件24的表面 發(fā)生反應，引起敏感材料件24的電阻變化，進而導致和敏感材料件24串聯(lián)連接的匹配電阻 25的電壓發(fā)生變化，信號處理器3讀取匹配電阻25的電導率變化，并將結果傳輸?shù)斤@示器 5上和選擇性傳輸?shù)綀缶? ;同時上位接口 9上可以連接信號發(fā)射器將檢測結果發(fā)送到網(wǎng) 絡顯示控制終端，這樣在檢測區(qū)域內多臺氣敏傳感器形成一個物聯(lián)網(wǎng)，以達到對整個區(qū)域 內任一位置上有毒有害、易燃易爆等危險品的實時監(jiān)測的目的。
[0034] 本實施例中，信號處理器3通過讀取匹配電阻的電導率變化，并將結果傳輸顯示 到顯示器5和報警器8上，顯示器5上可以顯示危險品的濃度和成分。
[0035] 本實施例中，氣體管道6為采用橡膠或樹脂制成的柔性中空管道，且氣體管道6的 長度不長于2m，外直徑不大于100mm，橡膠或樹脂具有耐腐蝕、耐高溫、阻燃、保溫、柔韌性 較好的優(yōu)點，此外也可以根據(jù)需要采用其它具有耐腐蝕、耐高溫、阻燃、保溫、柔韌性較好的 有機聚合物材料，確保被檢測氣體能毫無阻礙順暢地傳輸?shù)綒んw1內。氣體管道6由耐腐 蝕、耐高溫、阻燃、保溫、柔韌性較好的橡膠或樹脂等有機聚合物材料制成，能夠彎曲，被檢 測氣體能毫無阻礙順暢地傳輸?shù)綒んw1，氣體管道6的形狀為中間空的圓柱形，長度尺寸不 長于2m，外直徑不大于100mm，過粗過長都不利于檢測氣體的傳輸，氣體管道6兩端與氣體 吸入鼻7、殼體1之間均是無縫密封連接，這可以確保氣體最高效的傳輸和檢測。
[0036] 本實施例中，氣體吸入鼻7的整體尺寸不大于 500mm(長）*3〇Omm(寬）* 3〇Omm(高），把手7〇尺寸大小不大于 150mm(長）*100mm(寬）*100mm(高）以便于手握。廣口罩殼74為開口橢圓錐形，最外圓 的直徑不大于300mm，深度不長于300mm，材質采用耐腐蝕、耐高溫、阻燃的橡膠或樹脂等有 機聚合物材料制成。如圖1所示，加熱管71外壁上設有用于控制加熱管71功率的加熱溫 控器75 ;加熱管71外壁上設有用于控制吸氣泵73功率的吸風功率控制器76。在工作狀態(tài) 下，環(huán)境中的氣體分子或液態(tài)、固態(tài)小微粒通過廣口罩殼74中的開口 72進入加熱管71，力口 熱管71可以通過加熱溫控器75來調節(jié)其加熱的溫度，溫度調節(jié)范圍在20?300°C之間， 通過溫度調節(jié)達到對固態(tài)、液態(tài)檢測物氣化的目的；同時吸氣泵73的功率調節(jié)范圍為10? 60w之間，從而能夠控制加熱管71、吸氣泵73的功率大小，調節(jié)更加方便靈活，而且提高了 檢測氣體傳感器內的傳輸速率，加大了被檢測氣體的檢測幾率，達到被檢測氣體能充分擴 散的目的。
[0037] 本實施例中，報警器8可以根據(jù)需要采用聲音，也可以采用發(fā)光的方式進行報警。 [0038] 本實施例中，上位接口 9可連接上位機，通過讀寫對傳感器進行程序修改和添加， 對傳感器隨時進行程序設計，從而達到智能化的應用；上位接口 9還可以連接信號發(fā)射器 將檢測結果發(fā)送到網(wǎng)絡顯示控制終端，這樣在檢測區(qū)域內多臺氣敏傳感器形成一個物聯(lián) 網(wǎng)，以達到對整個區(qū)域內任一位置上有毒有害、易燃易爆等危險品的實時監(jiān)測的目的。
[0039] 本實施例公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏傳感器的工作原理如下：本實施例公共 交通安全危險品監(jiān)測用氣敏傳感器在工作時，通過氣體吸入鼻7中的加熱管71和吸氣泵73 可以將不易揮發(fā)的液態(tài)和固態(tài)檢危險品氣化，同時氣體吸入鼻7中吸氣泵73轉動帶動風葉 高速旋轉形成負壓，外側環(huán)境中氣體即使是以液態(tài)或固態(tài)方式存在的有毒有害、易燃易爆 物，只要存在極其微量的揮發(fā)，它們的微顆粒也能被吸入到吸入鼻中；并在加熱管71的加 熱下發(fā)生氣化和其他檢測氣體一起被傳送到氣敏元件2 ;它們在以金屬量子點修飾或摻雜 的半導體氧化物表面發(fā)生氧化還原反應，在發(fā)生氧化還原反應時，半導體氧化物中的載流 子發(fā)生傳輸從而引起敏感材料件24的電阻（即電導率）的變化，同時信號處理器3通過讀 取和敏感材料件24串聯(lián)連接的匹配電阻25的電流或電壓等物理量的變化，從而能夠間接 達到了對有毒有害、易燃易爆物危險品的檢測。本實施例的公共交通安全危險品監(jiān)測用氣 敏傳感器基于氣敏元件2實現(xiàn)，在利用氣敏元件2實現(xiàn)氣體檢測的基礎上，結合其它部件， 不僅僅是對氣體，對同樣有毒有害、易燃易爆的不易揮發(fā)性液體或固體危險品都能有效的 進行檢測，且可以通過無線傳感網(wǎng)絡實現(xiàn)對公共安全區(qū)域內危險品的實時、快速、準確的監(jiān) 測和報警，并且該設備系統(tǒng)具有靈敏度高、響應速率快、檢測下限低、誤報率低、體積小、成 本低等優(yōu)點。
[0040] 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅限于上述實施方 式，凡是屬于本發(fā)明原理的技術方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。對于本領域的技術人員而 言，在不脫離本發(fā)明的原理的前提下進行的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本 發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏元件，其特征在于：包括絕緣基底（21)和設于 絕緣基底（21)上的非金屬防塵罩（22)，所述非金屬防塵罩（22)內設有分別焊接在絕緣基 底（21)上的加熱元件（23)和敏感材料件（24)，所述敏感材料件（24)為通過修飾或摻雜的 方式添加有金屬單質量子點或者金屬復合量子點的半導體氧化物。
2. 根據(jù)權利要求1所述的公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏元件，其特征在于：所述金 屬單質量子點和金屬復合量子點的金屬為金、銀、鉬、鈀、銅、鎳、鈷、銥、鐵、銠、釕之一。
3. 根據(jù)權利要求2所述的公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏元件，其特征在于：所述半 導體氧化物為二氧化錫、氧化鐵、氧化鋅、氧化銦、氧化鎢、氧化銅、氧化鈦、氧化釩之一。
4. 一種公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏傳感器，其特征在于：包括殼體（1)，所述殼體 (1)上設有進風口（11)，所述殼體（1)內設有氣敏元件（2)、匹配電阻（25)、信號處理器（3) 和電源模塊（4)，所述氣敏元件（2)設于進風口（11)處，所述殼體（1)上設有顯示器（5)，所 述信號處理器（3)的輸出端與顯示器（5)相連，所述氣敏元件（2)為權利要求1?3中任 意一項所述的公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏元件，所述加熱元件（23)、信號處理器（3)、 顯示器（5)分別與電源模塊（4)相連，所述敏感材料件（24)、匹配電阻（25)串聯(lián)連接，所述 匹配電阻（25)與信號處理器（3)的輸入端相連。
5. 根據(jù)權利要求4所述的公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏傳感器，其特征在于：所述 殼體（1)的進風口（11)處連接有氣體管道（6)，所述氣體管道（6)的端部設有氣體吸入鼻 (7)，所述氣體吸入鼻（7)包括把手（70)和固定于把手（70)上的加熱管（71)，所述加熱管 (71)的一端與氣體管道（6)連通、另一端設有開口（72)，所述加熱管（71)內裝設有吸氣泵 (73)，所述開口（72)的外側設有廣口罩殼（74)。
6. 根據(jù)權利要求5所述的公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏傳感器，其特征在于：所述 加熱管（71)外壁上設有用于控制加熱管（71)功率的加熱溫控器（75)。
7. 根據(jù)權利要求6所述的公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏傳感器，其特征在于：所述 加熱管（71)外壁上設有用于控制吸氣泵（73)功率的吸風功率控制器（76)。
8. 根據(jù)權利要求7所述的公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏傳感器，其特征在于：所述 殼體（1)上還設有報警器（8)，所述報警器（8)的控制端與信號處理器（3)相連。
9. 根據(jù)權利要求8所述的公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏傳感器，其特征在于：所述 殼體（1)上還設有上位接口（9)，所述上位接口（9)與信號處理器（3)相連。
10. 根據(jù)權利要求9所述的公共交通安全危險品監(jiān)測用氣敏傳感器，其特征在于：所述 氣體管道（6)為采用橡膠或樹脂制成的柔性中空管道，且所述氣體管道（6)的長度不長于 2m，外直徑不大于100mm。
【文檔編號】G01N27/04GK104122298SQ201410300496
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年6月25日 優(yōu)先權日:2014年6月25日
【發(fā)明者】郭玉坤, 段國韜, 李東風, 許小霞, 葛磊 申請人:安徽芯核防務裝備技術股份有限公司