一种基于电化学传感器的大气NO2探测系统的制作方法

本实用新型属于大气环境监测领域，具体涉及一种基于电化学传感器的大气NO₂探测系统。

背景技术：

近年来随着经济的发展，生产生活中废气排放逐渐增加，其中NO₂是一种重要大气痕量气体，主要来自化石燃料燃烧、机动车尾气排放等，它参与光化学催化臭氧生成，会导致光化学烟雾与臭氧的增加甚至形成酸雨，严重危害大气环境与人类健康。因此当务之急是开展对大气NO₂浓度的精准监测与及时预警。

传统的NO₂检测仪器大多基于光谱吸收原理，结构复杂、干扰因素多、操作要求严格、体积庞大，不能满足简洁、精准、便携的需要，因此为适应大气痕量NO₂探测设备的小型化、便携式发展，设计了基于电化学传感器能够探测ppb量级(10^-9)NO₂的探测系统。

技术实现要素：

本实用新型目的是在满足探测系统简洁、小型、便携需求的同时能够实现在ppb量级对大气中痕量NO₂浓度的高精度测量。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：

一种基于电化学传感器的大气NO₂探测系统，其特征在于：所述系统包括传感器模块、数据采集与处理模块、人机交互可视化模块；所述传感器模块包括NO₂四电极电化学传感器、温湿度传感器，2个传感器信号输出到数据采集与处理模块；所述数据采集与处理模块包括低噪声信号调理电路、DSP主控单元，低噪声信号调理电路与NO₂四电极电化学传感器连接，DSP主控单元分别与低噪声信号调理电路、温湿度传感器连接；所述人机交互可视化模块包括LabVIEW2015平台、声光报警模块，LabVIEW2015平台通过RS485串口与DSP主控单元连接，声光报警模块与LabVIEW2015平台连接。

根据权利要求1所述的一种基于电化学传感器的大气NO₂探测系统，其特征在于：所述传感器模块采用英国Alphasense公司的NO₂-B43F四电极电化学传感器，包含工作电极、对电极、参考电极与辅助电极共四个电极，大气中的NO₂扩散进入传感器内部并在工作电极发生还原反应，工作电极输出与NO₂浓度成正比的nA量级电流信号，辅助电极与工作电极有相同nA量级零点电流，但辅助电极接触不到NO₂不会产生额外电流，所以用来补偿工作电极零点电流，对电极用以完成电流回路，参考电极用以保证工作电极、辅助电极恒电位；温湿度传感器采用分辨率为16位、单总线通信方式的DHT22数字温湿度传感器，用以获取环境温度信息与湿度信息。

根据权利要求1所述的一种基于电化学传感器的大气NO₂探测系统，其特征在于：所述数据采集与处理模块中低噪声信号调理电路保证电化学传感器正常工作的同时，对电化学传感器输出的电流信号进行电流—电压转换、高增益放大及滤波；DSP主控单元采用TI公司32位浮点型TMS320F28335为主控芯片，利用芯片内部12位的ADC模块对低噪声信号调理电路两路输出分别进行A/D转换获取mV量级工作电极与辅助电极电压值，并根据辅助电极电压值和温湿度传感器输出信号对工作电极电压值予以补偿修正。

根据权利要求1所述的一种基于电化学传感器的大气NO₂探测系统，其特征在于：所述人机交互可视化模块基于LabVIEW2015平台来对NO₂浓度实时显示，它通过RS485串口与DSP主控单元通信，LabVIEW2015平台对串口接收到的补偿后的工作电极电压数据反演得到大气中ppb量级NO₂浓度值，再利用平台内部数值显示控件与波形显示控件在主界面上实时显示浓度值并描绘出NO₂浓度实时变化曲线，同时与警戒浓度值对比，超过则启动声光报警。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果体现在：

本实用新型采用四电极电化学传感器，其相比于普通三电极电化学传感器增加了一个辅助电极用于补偿零点电流，因为在检测气体浓度很低时零点电流会严重影响测量值，传感器内部工作电极与辅助电极所处环境情况相同，由于温度变化工作电极产生的零点漂移等于辅助电极产生的零点漂移，唯一区别在于工作电极与目标气体反应输出与气体浓度成正比的电流，而辅助电极接触不到气体所以信号不变。所以检测时即使零点相对校准时产生了漂移，只需从工作电极信号中减去当前零点漂移即辅助电极信号就能获取补偿零点漂移后的有效电流信号，再配合设计的低噪声信号调理电路转换成电压信号，在系统标定与测量时就能完全扣除传感器零点随机漂移的影响，这种零点补偿对于高精度检测大气中ppb量级的NO₂是必要的；采用32位浮点型28335DSP作为主控芯片，指令周期短处理速度快，且基于芯片内部12位ADC资源完成A/D转换，避免了外接转换电路的噪声干扰，一次转换只需80ns；采用LabVIEW2015平台作为上位机来实时显示浓度变化，该平台提供便捷的图形化编程环境，能实现数据采集、分析、显示与存储，人机交互性优良，对于探测系统的结果展示有很大的优势，本实用新型相比传统NO₂检测系统更加简洁、小型、便携，能够实现在ppb量级对大气中NO₂浓度的高分辨率测量。

附图说明

图1为本实用新型的总体框图；

图2为本实用新型的低噪声信号调理电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做详细的说明：

如图1所示，一种基于电化学传感器的大气NO₂探测系统，包括传感器模块、数据采集与处理模块、人机交互可视化模块，其中传感器模块与数据采集与处理模块相连，数据采集与处理模块与人机交互可视化模块相连；所述传感器模块采用英国Alphasense公司的NO₂-B43F型号四电极电化学传感器，包含工作电极、对电极、参考电极与辅助电极共四个电极，大气中的NO₂扩散进入传感器内部并在工作电极发生还原反应，工作电极输出与NO₂浓度成正比的nA量级电流信号，辅助电极与工作电极有相同nA量级零点电流，但辅助电极接触不到NO₂不会产生额外电流，所以用来补偿工作电极零点电流，对电极用以完成电流回路，参考电极用以保证工作电极、辅助电极恒电位；温湿度传感器采用分辨率为16位、单总线通信方式的DHT22数字温湿度传感器，用以获取环境温度信息与湿度信息；所述数据采集与处理模块中低噪声信号调理电路保证电化学传感器正常工作的同时，对电化学传感器输出的电流信号进行电流—电压转换、高增益放大及滤波；DSP主控单元采用TI公司32位浮点型TMS320F28335为主控芯片，利用芯片内部12位的ADC模块对低噪声信号调理电路两路输出分别进行A/D转换获取mV量级工作电极与辅助电极电压值，并根据辅助电极电压值和温湿度传感器输出信号对工作电极电压值予以补偿修正；所述人机交互可视化模块基于LabVIEW2015平台来对NO₂浓度实时显示，它通过RS485串口与DSP主控单元通信，LabVIEW2015平台对串口接收到的补偿后的工作电极电压数据反演得到大气中ppb量级NO₂浓度值，再利用平台内部数值显示控件与波形显示控件在主界面上实时显示浓度值并描绘出NO₂浓度实时变化曲线，同时与警戒浓度值对比，超过则启动声光报警。

如图2所示，低噪声信号调理电路一方面保证电化学传感器正常工作，一方面对工作电极与辅助电极输出电流分别进行电流—电压转换、高增益放大及滤波；U1代表电化学传感器，对电极与参考电极连接电路是控制电路，其中运算放大器U2A采用单通道具备超低噪声零漂移的AD8551，单电源5V供电如图中U2B，工作电极与辅助电极所连电路完全一样，每一路都放置2个运算放大器共4个，图上即为U3A、U3B、U3C、U3D，因此采用四通道具备超低噪声与长期稳定性的LT6012，单电源5V供电如图中U3E，电路中运算放大器周围的数字标号代表器件引脚；以工作电极一路为例，前一个运算放大器起跨阻放大作用，将电流转化为电压，后一个起差分放大作用，抑制电路自身零点漂移和稳定增益，同时将输出电压调整到后续DSP主控单元ADC模块的允许输入电压范围之内，本电路最终输出两路mV量级模拟电压。