一种半导体传感器及VOCs监测装置

本技术涉及空气质量监测，具体为用于空气质量监测的传感器及vocs监测装置。

背景技术：

1、近年来，人们已经逐步意识到vocs（挥发性有机化合物）对人体和环境的危害，主要体现在两个方面：一方面，vocs中的部分物质会对人体和环境造成直接危害，例如，vocs的含量高可对人们的视觉和听觉等感官神经造成损害，长期处于这类vocs污染环境中甚至会引起神经质或忧郁症；再例如，甲醛会刺激人的咽部和肺部，引起呼吸困难、头疼、胸闷，甚至引发肺气肿等。另一方面，vocs是雾霾和光化学污染的重要成因，还会对大气环境造成更为严重的间接危害。产生光化学污染有三个条件，即挥发性有机化合物(vocs)、氮氧化物（主要来源于矿物燃料的燃烧过程，如汽车尾气及锅炉燃烧排放物等）及阳光的照射。光化学污染的产生机理在于大部分vocs降解的半衰期较短（一般在几个小时至3个月），在受到紫外线的催化作用时，vocs会发生分解或化学反应，并与氮氧化物反应产生臭氧，造成地表的臭氧浓度升高，而当空气中臭氧浓度达到0.2-0.3ppm时，人体就会感到明显不适，同时也会阻碍植物生长。除此之外，小部分vocs降解速度慢，可通过地表空气层进入高空电离空气层，进一步与臭氧反应从而破坏高空臭氧层，导致来自宇宙空间的各种有害射线穿过破裂的高空臭氧层并对地球上的生存环境造成破坏。

2、目前我国对vocs在线连续监测主要采用fid和pid两种技术。然而，对于现场环境下vocs的长时间在线监测目标而言，fid技术设备成本高，一般产品市场价格在15-30万元每台，另外还需要消耗氢气作为耗材，造成较高的运维成本，不适合企业厂区内及周边监控的大批量部署；pid技术则存在传感器使用寿命短（一般标称只有5-8个月）、对湿度影响敏感、易被脏污的问题，初期投资虽然较少，一般在3-5万元每台，但是后期更换传感器等维护工作却需要耗费大量的成本，现场情况下实际使用发现，pid传感器实际使用寿命只有3-6个月。相比之下，典型半导体传感器的目标使用寿命可达5-10年，具有显著的优势。以5年作为目标使用寿命进行经济效益核算，使用pid传感器需要更换9-19次，以每个pid传感器的成本为4000元人民币进行计算，更换pid传感器的成本高达3.6万-11.4万元人民币，如考虑工程成本和管理成本，包括传感器的重新校对和标定等，成本还会更高。因此，本项目的研究成果可以帮助企业和环境部门降低vocs监测的成本，从而使构建密集网点网格化长期在线监测系统成为可能，具有较好的经济效益和社会效益。

3、传统的vocs监测技术主要基于pid和fid检测器，但pid检测器的使用寿命短，fid检测器的运行维护成本过高且设备体积过大，这两类器件均不适用于复杂的工业园区vocs的长期连续监测和大批量部署。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种半导体传感器及vocs监测装置。

2、为达到上述目的，本实用新型提供的一种半导体传感器，其包括有：

3、基材，该基材具有一定的轴向长度；

4、两个电极，设置在基材上并沿基材的轴向间隔布置；

5、半导体包覆层，该半导体包覆层设置在基材上并形成有吸附表面，所述半导体包覆层至少沿基材的轴向连续包覆间隔布置的上述的两个电极，电极则通过导线或电极自身的局部引出半导体包覆层外，形成电极外接端；

6、电加热件，该电加热件定位在基材上，电加热件用于给半导体包覆层加热，增加半导体包覆层的导电性能，使大气中的氧气以o或o2-的形式吸附在半导体包覆层的吸附表面上；所述半导体包覆层的电阻值按正比关系随着吸附表面上吸附的氧气量变化而变化。

7、上述方案进一步是，所述基材为具有内部空腔的管状，半导体包覆层包覆在基材的外周面，而电加热件嵌设在基材的内部空腔中。

8、上述方案进一步是，所述基材是由铝带卷曲构造的铝管体，半导体包覆层包覆在基材的外周面并获得圆柱面形态的吸附表面。

9、上述方案进一步是，所述电加热件是加热线圈。

10、上述方案进一步是，所述半导体包覆层的材质是金属氧化物，通过涂布或压合方式固定在基材上。

11、为达到上述目的，本实用新型提供的一种vocs监测装置，该vocs监测装置包含有上述的半导体传感器。

12、上述方案进一步是，所述vocs监测装置还包含有外壳，半导体传感器安装在外壳内并置入外壳中预设的检测腔体内，检测腔体中通入待检测气体；以及外壳中还至少设置供电单元及控制电路，供电单元给半导体传感器及控制电路提供电源，控制电路至少包括有用于控制电加热件加热的加热控制模块、用于连接两个电极并实现检测半导体包覆层的电阻值变化的检测模块，所述检测模块通过测定吸附表面上的离子减少从而电阻变化的差值，以电阻变化的差值得到待检测气体的浓度。

13、上述方案进一步是，所述vocs监测装置还包含有气泵和除湿器，该气泵和除湿器可置入外壳（100）内或配置在外壳外，待检测气体通过气泵驱动进入外壳的检测腔体里面，且待检测气体进入检测腔体之前通过除湿器进行除湿处理。

14、上述方案进一步是，所述供电单元为ac/dc变换模块或dc/dc变换模块，加热控制模块具有加热电压调整器，电加热件从供电单元取电，而加热电压调整器根据不同情况需要控制电加热件的温度，使半导体传感器获得需要的感度。

15、上述方案进一步是，所述检测模块包含有使半导体传感器产生的电动势形成回路的负荷电阻、将半导体传感器的产生微弱信号进行放大的信号放大器、调整信号放大器的放大倍数的增益调制器、根据需要不同的零点电压进行调节的零调整器、以及进行数据显示的显示器。

16、本实用新型具有以下优点：

17、1、开发的是具有新型抗湿度好、使用寿命长、针对恶劣情况存活性强的半导体传感器，突破传统半导体传感器只适用于高浓度可燃气才能完成监测的局限。

18、2、检测设备不容易被温差以及湿度影响，并解决了使用寿命短、不宜维护，报废率高等问题，实现对低浓度的vocs（ppm级）也具有的高精度、高可靠性的长期稳定监测。

19、3、进一步完善了vocs污染源监测必要的监管手段和有效的质控体系，结合vocs污染源智能预警功能，为工业园区的蓝天保卫战提供技术支撑，弥补国内外现有vocs监测系统在这方面的不足。

20、4、新型检测装置弱化了环境背景干扰，提升系统可靠性和稳定性，能做到现场便于操作，易于设备运维，大大降低设备后期运维及环境管理成本。

21、5、传感器的构造使得湿度影响小并且耐脏，对异味检测灵敏，对氨以及硫化物都能够检测到，具有免维护，防护等级高，本质安全防爆结构，而且价格相对便宜，性价比较高，作业效率好的各种功能。

22、6、在低浓度区域时、传感器的输出比较大，是高感度的传感器，不止限于可燃性气体、毒性气体等各种气体都能检测，与其他检测方式相比、在残酷的环境条件下、具有很强的耐久性，寿命长。