气体浓度传感装置与气体浓度检测方法与流程

本申请涉及气体检测，特别是涉及气体浓度传感装置与气体浓度检测方法。

背景技术：

1、随着混合气体浓度检测技术的发展，尤其是氢含量检测技术的发展，出现了用于检测氢含量的各类传感器。

2、相关技术中，用于检测氢含量的各类传感器一般包括金属氧化物半导体氢气传感器、热电型氢敏材料及传感器、光学型氢气传感器以及电化学型氢气传感器等。

3、然而，金属氧化物半导体氢气传感器虽然价格便宜且结构简单，但其对还原性气体具有普遍响应性，导致选择性较差，且响应灵敏度难以满足实际要求；热电型氢气传感器虽具有较好的选择性，但过于依赖于催化剂的活性，且存在催化剂中毒的问题；光学型氢气传感器的耐用性较差，经过多次使用后易出现脱层和起泡的问题；电化学氢气传感器虽然易于微型化，但其寿命尚待提高。因此，相关技术中的用于检测氢含量的各类传感器存在检测效果不佳的问题。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对相关技术中的用于监测氢含量的各类传感器存在检测效果不佳的问题，提供一种气体浓度传感装置与气体浓度检测方法。

2、一方面，本申请提供一种气体浓度传感装置，所述气体浓度传感装置包括传感器、电波发生器及信号处理模块，所述电波发生器与所述传感器的信号输入端电性连接，所述信号处理模块与所述传感器的信号输出端电性连接，所述传感器包括电性连接的石英音叉与传感微丝，当所述传感器通入待测气体时，所述传感微丝吸收待测气体，所述电波发生器用于对所述石英音叉及所述传感微丝发出振动电波，使得所述石英音叉及所述传感微丝在接收到所述振动电波后发生共振，并向所述信号处理模块传递机械谐振信号，所述信号处理模块用于采集所述机械谐振信号并根据所述机械谐振信号获得待测气体的浓度。

3、上述气体浓度传感装置，由于传感微丝能够与不同浓度的待测气体发生不同程度的吸附反应并形成新的化合物，如此能够使得传感微丝在该化合反应的作用下，其杨氏模量（弹性模量）和导电性能均发生改变，进而使得石英音叉与传感微丝的整体共振频率会随着传感微丝的杨氏模量和导电性能的改变而发生改变。继而，上述气体浓度传感装置在石英音叉上连接传感微丝，如此能够利用石英音叉与传感微丝的整体共振频率随待测气体的浓度变化的特性，直接测出传感器在对应浓度下的共振频率，即可反推求得待测气体的对应浓度值，检测过程简单高效，避免了复杂的光学或化学检测过程，且传感微丝在接收电波振动器的振动电波的响应灵敏度较高，有助于提高检测效果。

4、另外，上述气体浓度传感装置通过信号处理模块将传感器的机械谐振信号采集并转化共振频率电信号的设置，如此实现了直接在电导谱读出传感器的共振频率，进而计算对应的待测气体浓度，有助于提高检测效率。

5、在其中一个实施例中，所述石英音叉包括第一振臂及第二振臂，所述传感微丝的两端分别与所述第一振臂及所述第二振臂电性连接，所述第一振臂连接有第一引脚，所述第二振臂连接有第二引脚，所述第一引脚与所述电波发生器电性连接，所述第二引脚与所述信号处理模块电性连接。

6、在其中一个实施例中，所述传感器还包括气室，所述气室具有容腔，所述第一振臂、所述第二振臂及所述传感微丝置于所述容腔内，所述容腔用于通入待测气体。

7、在其中一个实施例中，所述信号处理模块包括信号转换放大器及数据采集器，所述信号转换放大器及所述数据采集器电性连接，所述信号转换放大器用于将所述机械谐振信号放大并转化为振动电信号，并对所述振动电信号进行调解输出共振频率电信号，所述数据采集器用于对所述共振频率电信号进行采集分析以获得待测气体的浓度。

8、在其中一个实施例中，所述传感微丝为钯丝，所述待测气体为氢气混合气。

9、在其中一个实施例中，所述第一振臂及所述第二振臂之间具有振臂间隙，所述振臂间隙的宽度取值范围为200μm-300μm，所述钯丝直径取值范围为20μm-100μm，所述钯丝的长度取值范围为大于所述振臂间隙的宽度，且小于1.5mm。

10、在其中一个实施例中，所述石英音叉的弹性模量为18kn/m-22kn/m。

11、在其中一个实施例中，所述石英音叉为32.768khz圆柱晶振。

12、另一方面，本申请还提供一种气体浓度检测方法，采用如上述的气体浓度传感装置，包括如下步骤：

13、s100、向所述传感器通入已知浓度的标定气体，所述标定气体与所述待测气体为相同种类的气体；

14、s200、启动所述电波发生器及所述信号处理模块，所述电波发生器对所述石英音叉及所述传感微丝发出振动电波，使得所述石英音叉及所述传感微丝在接收到所述振动电波后发生共振，并向所述信号处理模块传递机械谐振信号，所述信号处理模块对所述机械谐振信号进行处理并输出共振频率电信号；

15、s300、调整所述标定气体的浓度大小，使得所述信号处理模块对不同浓度下的共振频率电信号进行拟合，并输出所述传感器的共振频率-浓度关系标定曲线；

16、s400、向所述传感器通入所述待测气体，使得所述信号处理模块输出目标共振频率电信号，并根据所述目标共振频率电信号，以及所述共振频率-浓度关系标定曲线，求出所述待测气体的浓度。

17、上述气体浓度检测方法，首先向传感器通入已知浓度的标定气体，如此能够获知在传感器的共振频率随不同浓度变化的关系，进而作为待测气体的浓度检测标准；接着，通过向传感器内通入待测气体，即可根据共振频率-浓度关系标定曲线，求出待测气体的浓度。继而，上述气体浓度检测方法，能够利用气体浓度传感装置的石英音叉与传感微丝的整体共振频率随待测气体的浓度变化的特性，直接测出传感器在对应浓度下的共振频率，即可反推求得待测气体的对应浓度值，检测过程简单高效，避免了复杂的光学或化学检测过程，且传感微丝在接收电波振动器的振动电波的响应灵敏度较高，有助于提高检测效果。

18、在其中一个实施例中，在步骤s100之前还包括步骤：向所述传感器以预设时长持续通入待测气体，以释放所述石英音叉与所述传感微丝的残余应力。

技术特征：

1.一种气体浓度传感装置，其特征在于，所述气体浓度传感装置包括传感器、电波发生器及信号处理模块，所述电波发生器与所述传感器的信号输入端电性连接，所述信号处理模块与所述传感器的信号输出端电性连接，所述传感器包括电性连接的石英音叉与传感微丝，当所述传感器通入待测气体时，所述传感微丝吸收待测气体，所述电波发生器用于对所述石英音叉及所述传感微丝发出振动电波，使得所述石英音叉及所述传感微丝在接收到所述振动电波后发生共振，并向所述信号处理模块传递机械谐振信号，所述信号处理模块用于采集所述机械谐振信号并根据所述机械谐振信号获得待测气体的浓度。

2.根据权利要求1所述的气体浓度传感装置，其特征在于，所述石英音叉包括第一振臂及第二振臂，所述传感微丝的两端分别与所述第一振臂及所述第二振臂电性连接，所述第一振臂连接有第一引脚，所述第二振臂连接有第二引脚，所述第一引脚与所述电波发生器电性连接，所述第二引脚与所述信号处理模块电性连接。

3.根据权利要求2所述的气体浓度传感装置，其特征在于，所述传感器还包括气室，所述气室具有容腔，所述第一振臂、所述第二振臂及所述传感微丝置于所述容腔内，所述容腔用于通入待测气体。

4.根据权利要求1所述的气体浓度传感装置，其特征在于，所述信号处理模块包括信号转换放大器及数据采集器，所述信号转换放大器及所述数据采集器电性连接，所述信号转换放大器用于将所述机械谐振信号放大并转化为振动电信号，并对所述振动电信号进行调解输出共振频率电信号，所述数据采集器用于对所述共振频率电信号进行采集分析以获得待测气体的浓度。

5.根据权利要求2或3所述的气体浓度传感装置，其特征在于，所述传感微丝为钯丝，所述待测气体为氢气混合气。

6.根据权利要求5所述的气体浓度传感装置，其特征在于，所述第一振臂及所述第二振臂之间具有振臂间隙，所述振臂间隙的宽度取值范围为200μm-300μm，所述钯丝直径取值范围为20μm-100μm，所述钯丝的长度取值范围为大于所述振臂间隙的宽度，且小于1.5mm。

7.根据权利要求5所述的气体浓度传感装置，其特征在于，所述石英音叉的弹性模量为18kn/m-22kn/m。

8.根据权利要求1-4任一项所述的气体浓度传感装置，其特征在于，所述石英音叉为32.768khz圆柱晶振。

9.一种气体浓度检测方法，采用如权利要求1-8任一项所述的气体浓度传感装置，其特征在于，包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的气体浓度检测方法，其特征在于，在步骤s100之前还包括步骤：向所述传感器以预设时长持续通入待测气体，以释放所述石英音叉与所述传感微丝的残余应力。

技术总结
本申请涉及一种气体浓度传感装置及气体浓度检测方法。气体浓度传感装置包括传感器、电波发生器及信号处理模块。电波发生器与传感器的信号输入端电性连接，信号处理模块与传感器的信号输出端电性连接。传感器包括电性连接的石英音叉与传感微丝。传感器用于通入待测气体，并使得传感微丝吸收待测气体，电波发生器用于传感器发出振动电波，使得石英音叉及传感微丝在接收到所述振动电波后发生共振，并向信号处理模块传递机械谐振信号，信号处理模块用于将机械谐振信号采集并转化共振频率电信号。上述方案能够利用石英音叉与传感微丝的整体共振频率随待测气体的浓度变化的特性，直接求得待测气体的对应浓度值，检测过程简单高效。

技术研发人员：赵耀洪,郑华丹,郭英伦,张冲,陈伟泽,王超,李义涛
受保护的技术使用者：广东新型储能国家研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/9