本實(shí)用新型屬于大氣環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及一種基于電化學(xué)傳感器的大氣NO₂探測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生產(chǎn)生活中廢氣排放逐漸增加，其中NO₂是一種重要大氣痕量氣體，主要來自化石燃料燃燒、機(jī)動車尾氣排放等，它參與光化學(xué)催化臭氧生成，會導(dǎo)致光化學(xué)煙霧與臭氧的增加甚至形成酸雨，嚴(yán)重危害大氣環(huán)境與人類健康。因此當(dāng)務(wù)之急是開展對大氣NO₂濃度的精準(zhǔn)監(jiān)測與及時預(yù)警。

傳統(tǒng)的NO₂檢測儀器大多基于光譜吸收原理，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、干擾因素多、操作要求嚴(yán)格、體積龐大，不能滿足簡潔、精準(zhǔn)、便攜的需要，因此為適應(yīng)大氣痕量NO₂探測設(shè)備的小型化、便攜式發(fā)展，設(shè)計(jì)了基于電化學(xué)傳感器能夠探測ppb量級(10^-9)NO₂的探測系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型目的是在滿足探測系統(tǒng)簡潔、小型、便攜需求的同時能夠?qū)崿F(xiàn)在ppb量級對大氣中痕量NO₂濃度的高精度測量。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案為：

一種基于電化學(xué)傳感器的大氣NO₂探測系統(tǒng)，其特征在于：所述系統(tǒng)包括傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、人機(jī)交互可視化模塊；所述傳感器模塊包括NO₂四電極電化學(xué)傳感器、溫濕度傳感器，2個傳感器信號輸出到數(shù)據(jù)采集與處理模塊；所述數(shù)據(jù)采集與處理模塊包括低噪聲信號調(diào)理電路、DSP主控單元，低噪聲信號調(diào)理電路與NO₂四電極電化學(xué)傳感器連接，DSP主控單元分別與低噪聲信號調(diào)理電路、溫濕度傳感器連接；所述人機(jī)交互可視化模塊包括LabVIEW2015平臺、聲光報(bào)警模塊，LabVIEW2015平臺通過RS485串口與DSP主控單元連接，聲光報(bào)警模塊與LabVIEW2015平臺連接。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電化學(xué)傳感器的大氣NO₂探測系統(tǒng)，其特征在于：所述傳感器模塊采用英國Alphasense公司的NO₂-B43F四電極電化學(xué)傳感器，包含工作電極、對電極、參考電極與輔助電極共四個電極，大氣中的NO₂擴(kuò)散進(jìn)入傳感器內(nèi)部并在工作電極發(fā)生還原反應(yīng)，工作電極輸出與NO₂濃度成正比的nA量級電流信號，輔助電極與工作電極有相同nA量級零點(diǎn)電流，但輔助電極接觸不到NO₂不會產(chǎn)生額外電流，所以用來補(bǔ)償工作電極零點(diǎn)電流，對電極用以完成電流回路，參考電極用以保證工作電極、輔助電極恒電位；溫濕度傳感器采用分辨率為16位、單總線通信方式的DHT22數(shù)字溫濕度傳感器，用以獲取環(huán)境溫度信息與濕度信息。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電化學(xué)傳感器的大氣NO₂探測系統(tǒng)，其特征在于：所述數(shù)據(jù)采集與處理模塊中低噪聲信號調(diào)理電路保證電化學(xué)傳感器正常工作的同時，對電化學(xué)傳感器輸出的電流信號進(jìn)行電流—電壓轉(zhuǎn)換、高增益放大及濾波；DSP主控單元采用TI公司32位浮點(diǎn)型TMS320F28335為主控芯片，利用芯片內(nèi)部12位的ADC模塊對低噪聲信號調(diào)理電路兩路輸出分別進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換獲取mV量級工作電極與輔助電極電壓值，并根據(jù)輔助電極電壓值和溫濕度傳感器輸出信號對工作電極電壓值予以補(bǔ)償修正。

根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電化學(xué)傳感器的大氣NO₂探測系統(tǒng)，其特征在于：所述人機(jī)交互可視化模塊基于LabVIEW2015平臺來對NO₂濃度實(shí)時顯示，它通過RS485串口與DSP主控單元通信，LabVIEW2015平臺對串口接收到的補(bǔ)償后的工作電極電壓數(shù)據(jù)反演得到大氣中ppb量級NO₂濃度值，再利用平臺內(nèi)部數(shù)值顯示控件與波形顯示控件在主界面上實(shí)時顯示濃度值并描繪出NO₂濃度實(shí)時變化曲線，同時與警戒濃度值對比，超過則啟動聲光報(bào)警。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果體現(xiàn)在：

本實(shí)用新型采用四電極電化學(xué)傳感器，其相比于普通三電極電化學(xué)傳感器增加了一個輔助電極用于補(bǔ)償零點(diǎn)電流，因?yàn)樵跈z測氣體濃度很低時零點(diǎn)電流會嚴(yán)重影響測量值，傳感器內(nèi)部工作電極與輔助電極所處環(huán)境情況相同，由于溫度變化工作電極產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移等于輔助電極產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移，唯一區(qū)別在于工作電極與目標(biāo)氣體反應(yīng)輸出與氣體濃度成正比的電流，而輔助電極接觸不到氣體所以信號不變。所以檢測時即使零點(diǎn)相對校準(zhǔn)時產(chǎn)生了漂移，只需從工作電極信號中減去當(dāng)前零點(diǎn)漂移即輔助電極信號就能獲取補(bǔ)償零點(diǎn)漂移后的有效電流信號，再配合設(shè)計(jì)的低噪聲信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，在系統(tǒng)標(biāo)定與測量時就能完全扣除傳感器零點(diǎn)隨機(jī)漂移的影響，這種零點(diǎn)補(bǔ)償對于高精度檢測大氣中ppb量級的NO₂是必要的；采用32位浮點(diǎn)型28335DSP作為主控芯片，指令周期短處理速度快，且基于芯片內(nèi)部12位ADC資源完成A/D轉(zhuǎn)換，避免了外接轉(zhuǎn)換電路的噪聲干擾，一次轉(zhuǎn)換只需80ns；采用LabVIEW2015平臺作為上位機(jī)來實(shí)時顯示濃度變化，該平臺提供便捷的圖形化編程環(huán)境，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、顯示與存儲，人機(jī)交互性優(yōu)良，對于探測系統(tǒng)的結(jié)果展示有很大的優(yōu)勢，本實(shí)用新型相比傳統(tǒng)NO₂檢測系統(tǒng)更加簡潔、小型、便攜，能夠?qū)崿F(xiàn)在ppb量級對大氣中NO₂濃度的高分辨率測量。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的總體框圖；

圖2為本實(shí)用新型的低噪聲信號調(diào)理電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做詳細(xì)的說明：

如圖1所示，一種基于電化學(xué)傳感器的大氣NO₂探測系統(tǒng)，包括傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、人機(jī)交互可視化模塊，其中傳感器模塊與數(shù)據(jù)采集與處理模塊相連，數(shù)據(jù)采集與處理模塊與人機(jī)交互可視化模塊相連；所述傳感器模塊采用英國Alphasense公司的NO₂-B43F型號四電極電化學(xué)傳感器，包含工作電極、對電極、參考電極與輔助電極共四個電極，大氣中的NO₂擴(kuò)散進(jìn)入傳感器內(nèi)部并在工作電極發(fā)生還原反應(yīng)，工作電極輸出與NO₂濃度成正比的nA量級電流信號，輔助電極與工作電極有相同nA量級零點(diǎn)電流，但輔助電極接觸不到NO₂不會產(chǎn)生額外電流，所以用來補(bǔ)償工作電極零點(diǎn)電流，對電極用以完成電流回路，參考電極用以保證工作電極、輔助電極恒電位；溫濕度傳感器采用分辨率為16位、單總線通信方式的DHT22數(shù)字溫濕度傳感器，用以獲取環(huán)境溫度信息與濕度信息；所述數(shù)據(jù)采集與處理模塊中低噪聲信號調(diào)理電路保證電化學(xué)傳感器正常工作的同時，對電化學(xué)傳感器輸出的電流信號進(jìn)行電流—電壓轉(zhuǎn)換、高增益放大及濾波；DSP主控單元采用TI公司32位浮點(diǎn)型TMS320F28335為主控芯片，利用芯片內(nèi)部12位的ADC模塊對低噪聲信號調(diào)理電路兩路輸出分別進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換獲取mV量級工作電極與輔助電極電壓值，并根據(jù)輔助電極電壓值和溫濕度傳感器輸出信號對工作電極電壓值予以補(bǔ)償修正；所述人機(jī)交互可視化模塊基于LabVIEW2015平臺來對NO₂濃度實(shí)時顯示，它通過RS485串口與DSP主控單元通信，LabVIEW2015平臺對串口接收到的補(bǔ)償后的工作電極電壓數(shù)據(jù)反演得到大氣中ppb量級NO₂濃度值，再利用平臺內(nèi)部數(shù)值顯示控件與波形顯示控件在主界面上實(shí)時顯示濃度值并描繪出NO₂濃度實(shí)時變化曲線，同時與警戒濃度值對比，超過則啟動聲光報(bào)警。

如圖2所示，低噪聲信號調(diào)理電路一方面保證電化學(xué)傳感器正常工作，一方面對工作電極與輔助電極輸出電流分別進(jìn)行電流—電壓轉(zhuǎn)換、高增益放大及濾波；U1代表電化學(xué)傳感器，對電極與參考電極連接電路是控制電路，其中運(yùn)算放大器U2A采用單通道具備超低噪聲零漂移的AD8551，單電源5V供電如圖中U2B，工作電極與輔助電極所連電路完全一樣，每一路都放置2個運(yùn)算放大器共4個，圖上即為U3A、U3B、U3C、U3D，因此采用四通道具備超低噪聲與長期穩(wěn)定性的LT6012，單電源5V供電如圖中U3E，電路中運(yùn)算放大器周圍的數(shù)字標(biāo)號代表器件引腳；以工作電極一路為例，前一個運(yùn)算放大器起跨阻放大作用，將電流轉(zhuǎn)化為電壓，后一個起差分放大作用，抑制電路自身零點(diǎn)漂移和穩(wěn)定增益，同時將輸出電壓調(diào)整到后續(xù)DSP主控單元ADC模塊的允許輸入電壓范圍之內(nèi)，本電路最終輸出兩路mV量級模擬電壓。