专利名称：用于传感设备的检测响应的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明总地来说涉及用于提高传感设备的检测响应的方法和装置。
背景技术：
对特定目标分析物或化合物进行检测，比如检测分析物的浓度是否超过自燃极限，对于许多应用来说都是非常重要的。本领域技术人员公知，传感器根据不同的检测机制对目标分析物进行检测。大多数传感器都会使用一种当环境中存在有特定分析物时就会发生物理变化的传感元件。因此，一个传感器一般都包括一个探针，该探针包含有传感元件和一个探针体外壳(包括用于传送输出信号的接线端)。该接线端一般与一个同样是该传感器组成部分的处理器相连，该处理器分析接收自传感器探针的输出信号。该处理器连接到一个用户接口，该用户接口一般包含一个可以在某种分析物浓度超过阈值时发出信号的指示装置。
许多传感器使用传感器膜作为传感元件。多数传感器膜当存在分析物时会发生膨胀，也就是体积增加。该领域现有的许多传感器都是通过传感器膜的物理变化来判断当前分析物的浓度。光学传感器就是其中的一种，例如光纤光学传感器，通过观测穿过位于传感器膜外层的光学纤维折射的光束以及传感器膜的物理变化(如折射系数或颜色的变化)判断分析物浓度。当分析物被吸附时，折射系数就会发生变化，而折射系数的变化会改变传感器膜外层的物理性质(包括体积的变化)。其他传感器包括声波传感器(SAWS)，用超声波穿过传感器膜并通过检测传感器膜发生的性质变化(主要是质量变化)判断分析物浓度。
另一种传感器膜是电导传感器，如聚合物吸附化学电阻传感器。聚合物吸附化学电阻包含有一个用于暴露在包含目标分析物(化合物)的外界环境的聚合物膜。将电流加到聚合物膜两侧，当聚合物吸附目标分析物后，膜的体积会发生变化并产生膜电阻上的变化。
虽然现有的化学电阻传感器足以满足使用要求，但还可以进一步加以改进。特别地，传感器的检测响应是渐进的。一旦传感器膜已经暴露在分析物中，传感器的电阻逐渐增加。这种逐渐增加需要长时间才能达到阈值，而超过该阈值才会决定关闭提供分析物的机器。
在现有的检测系统中，传感器在暴露于分析物后其电阻会逐渐增加。图1示出了现有的检测系统的典型检测响应(电阻和时间的关系)的示例图。现有系统每隔一段时间测量传感器的电阻值，这需要很长的时间用户才会被告知传感器已经达到阈值Rth。在此示例中，如果传感器的极限值为标称值的两倍，则需要大于1400秒的响应时间。
在一些应用中，检测水的流动速率也很重要，例如在检测电冰箱冷冻器中的水量是否超出溢出限制时。本领域技术人员公知，检测水流速的传感器采用不同的检测机制，例如热电水流计。传统的热电水流计包括一个设置于水流中检测下游水温的水流温度传感器，和另一个设置于水流中检测上游水温的水流温度传感器。这种水流温度传感器可以是内部加热的热敏电阻、外部加热的热敏电阻或者其他类型的温度传感器。
测量上游水温的水流传感器补偿水温的波动，这种波动也许会对测量下游水温的水流传感器的读数造成偏差。热电水流计通过在下游水温中减去上游水温来决定水流速率。通过不同的方程和热传感原理，如塞贝克效应，温度值可相应地转化为流速。也可以用其他的方法来测量水的流速，例如测量位于流体中的热源的热流失(热源加热电热调节器)，并使用合适的方程和原理把相应的温度测量值转化为流速。
在使用例如冰箱冷冻器的现有技术的应用中，水量决定于线形压力，一旦阀门打开，该线形压力就决定了水的流速。如果流速是时控的，冷冻盘的水量将会有很大的差别。打开冷冻器的分布阀后即测量流速，可以每次更精确地将冷冻盘的水添加到合适的水平。然而，在超过0.75GPM的高流速，阀门只能在一个短时间内打开，对流速的测量也必须在阀门打开后2秒内进行。这可以和现有技术一样，通过随时测量热电水流计的热源的温度(T)随时间(t)的变化来实现。由于热源的温度(T)达到稳定状态值需要很长时间，传统的热电水流计通常难以达到这种要求。图2所示为一种现有系统的温度时间响应图。当温度(T)相对于时间(t)而绘制时，温度T的稳定状态要在阀门打开后1.5秒到2秒才能达到。在此示例中，分别测量了流速为0.15GPM和0.75GPM的温度。
因此需要一种信号调节技术来提高例如化学电阻传感器和水流传感器的传感设备的响应时间，从而为传感器的用户提高反应的响应时间。

发明内容
本发明提供了一种传感设备。该传感设备包括一个传感器探针、一个置于传感探针一端的传感器膜，该传感器膜具有一个根据预先设定条件的出现而改变的电阻，该传感设备还包括一个装置，该装置用于在一段时间内测量传感器探针电阻，根据电阻测量结果产生第一信号，对第一信号进行微分，根据第一信号的微分产生一个第二信号；该传感设备还包括一个装置，该装置用于将第二信号与阈值进行比较，然后在第二信号超出阈值时产生一个第三信号。
在本发明的另一方面，传感设备包括传感器探针，具有一个电连接至所述传感器探针的电阻的电元件，电元件的电阻根据预定情况的出现而进行适应性改变；还包括一个电连接至所述电元件的控制设备，该控制设备用于在一段时间内测量电元件的电阻，根据电阻测量结果产生一个第一信号，确定第一信号的变化速率，根据第一信号的变化速率产生第二信号，以及将该第二信号同一个阈值进行比较。
应用本发明的其它方面将借助于后续所提供的详细描述而变得更加清晰。应该理解的是，该详细描述以及具体实施例尽管描述了本发明的优选实施例，但该描述的目的并不在于限制本发明的范围。


通过具体描述以及附图，本发明将会得到更充分的理解，其中图1为现有技术中一个化学电阻传感器系统检测响应的示意图；图2为现有技术中一个水流传感器系统的响应的示意图；图3为一个化学电阻传感器的框图；图4为能够用于本发明的一个化学电阻传感器探针的示意图；图5为沿图4中的5-5线的剖视图；图6为一个传感器膜区域的详细视图；图7为显示本发明的化学电阻传感器的操作步骤的流程图；图8为本发明中化学电阻传感器的改进的检测响应的示意图；图9为本发明中微分器的一个基本构造；图10为本发明中的4线桥微分器的电路构造；图11为一个水流传感器的框图；图12为能使用于本发明中的水流传感器管的示意图；图13为图12的一个横截面剖视图；图14为水流传感器管的前视图；图15为嵌入水流传感器的印刷电路板的电路图；图16为显示水流传感器操作步骤的流程图；图17为本发明的水流传感器的改进后的响应的示意图；图18为相对于实际水流速率而标准化后的水流传感器响应的示意图。
具体实施例方式
以下优选实施例的描述，其本质仅为描述性的，而并不用于限制本发明以及其应用或使用。
本发明提供了一种用于改进传感器响应时间的信号调节技术。在一个优选实施例的第一方案中，该信号调节技术应用于本发明的改进的化学电阻传感器中。更详细地，具有软件程序的控制单元连接至化学电阻传感器的传感器探针，用于直接从传感器探针上测量电阻，并在该探针检测周围分析物时确定该探针的电阻变化速率。该优选实施例的第二方案中包括一个基本微分电路，该电路用于对探针的电阻直接进行微分。该优选实施例的第三方面包括一个4线桥微分电路，该电路是基本微分电路的一个改进。
在本发明优选实施例的替代方案中，信号调节技术应用于本发明的改进的水流传感器中。更详细地，控制单元连接至嵌入在水流传感器的印刷电路板(PCB)上，用于测量安装在PCB插头上的电热调节器的温度，微分温度测量结果以改进传感器的响应时间。该控制单元通过使用众所周知的流量速率公式和概念，使得温度测量结果的导数与流量速率相关，该公式和概念将在后面介绍。应用于本发明的化学电阻和水流传感器中的信号调节技术改进了传感器的检测响应，从而为传感器用户提高了反应时间。
图3主要描述参考号为10处的示例性的化学电阻传感器的主要部件。传感器10主要包括一化学电阻传感器探针12、一控制单元14和一用户接口16。传感器探针12与外部环境17交互作用，以检测是否存在分析物或目标化学成分18。传感器探针12基于连续检测外部环境17中的分析物18产生一个原始输出信号19a。原始输出信号19a由控制单元14处理。在分析从传感器探针12传出的原始输出信号19a后，控制单元14发送一个计算所得的输出信号19b至用户接口16。用户接口16提供传感器10的信息至外部用户，该信息可以是从简单的告警信号到复杂的计算化的屏幕显示。
参考图4，图4示出了一个与本发明的教导的传感器膜成分兼容的聚合体吸收化学电阻传感器探针12的示例。传感器探针12主要包括一传感器外壳20、一覆盖部分传感器外壳20的导电传感器膜22(图4和图5)、可选地布置在传感器接线端26的下面并附着于传感器接线端26的一对电极24和一保护帽28。另一种替代电极的传感器实施例也可行，在此处，接线端26伸入传感器膜22，其功能与电极24相似(即通过传感器膜22传递电流)。
传感器外壳20包括第一直径部分30和第二直径部分32，其中第一直径部分的直径比第二直径部分的直径小。第一直径部分30包括一传感区34。传感区34由位于传感区34的第一控制平面38之内的两个孔36组成。在孔36之间是一个跨越传感区34延伸的凹陷的第二控制平面40。第二控制平面40在第一控制平面38下稍微凹陷。
图5是沿着图2的线5-5的剖视图，如图5所示，每个电极24位于孔36上。接线端26附着于电极24上，并延伸通过第一直径部分30和第二直径部分32。接线端26从外壳20在第二直径部分32处的内侧42伸出。电极24和接线端26由导电材料构成，优选地由金属构成。特别参考图5，每一个电极24均包括一平行于第一控制平面38、且与孔36的宽度大致相同的水平多孔板或网格44。每个电极24连接在一起，用以建立通向接线端26的导电通路。重新参考图5，接线端26的第一水平部分46与位于孔36之内的部分传感器膜22直接或间接接触，用以检测传感器膜22的电阻变化。第一垂直部分48从第一水平部分46延伸出来。第一垂直部分48延伸通过第一直径部分30并进入第二直径部分32，并在此处转接成为末端位于外部接线端52(也就是末端导线)的内末端弯管。
在第一垂直部分48到内末端弯管50之间的转变点，接线端26有一孔54。孔54在制造过程中支撑一定位杆(未示出)，以使电极24在外壳20内更精确地对准。在制模过程中使用定位杆，造成外壳20内侧42之内形成通孔56。内末端弯管50延伸至外部接线端52，外部接线端52从第二直径部分32的内侧42伸出。外部接线端52从外壳20伸出一合适的长度，用以内部连接导线至一诸如警告器之类的合适的报警设备的相应出口(未示出)。
图6是图4和图5的传感区34的详细视图，如图6所示，传感器膜22包括一其上遍及分布导电微粒62的聚合体60。接线端26延伸通过传感器探针外壳20的主体64，并导电地连接至电极24。电极24伸入传感区34内部，并进入传感器膜22。优选地，电极24位于平面附近，并进一步穿过传感器膜，用以提供均匀的电流分布。传感器膜22的一个优选构造包括平均分布于传感器膜22主体上的导电微粒62，形成一导电聚合体基体66。“基体”主要指具有分布在聚合体之内的填充微粒的聚合体系统。
导电传感器膜基体66位于第一控制平面38上，这样，基体66填充孔36并跨越中心控制平面40。基体66填充孔36，使得基体66直接或间接地电接触两个电极24。一旦基体66暴露于目标分析物中，基体66的体积膨胀。
传感器膜22的聚合体60可以是迅速吸收目标分析物或化合物的任意聚合体，该吸收通过一在传感器膜22和外部环境17(图3)的周围气体之间出现的气体—固体界面，其吸收速度与周围气体中分析物的浓度约成正比。因此，吸收的分析物的数量和分析物在周围气体中的浓度之间存在相关性。在所描述的示例性传感器探针12中，传感器膜22的体积变化和分析物在气体中的浓度相关，并进一步与传感器膜22的电阻有关。特别重要的是被称为检测响应时间的时间长度，该时间是传感器的用户可被告知是否存在分析物18的时间。本发明可以采用多种信号调节技术，在下文深入讨论。
优选地，传感器膜包括遇分析物膨胀的填充碳黑的硅酮。传感器膜的电阻增加因此取决于填充碳黑的硅酮的膨胀特性。应该了解，多种类型的聚合体可用于本发明，例如，基于硅氧烷的聚合体。
再回来参考图3，图3示出了优选实施例的第一构造。传感器探针12与控制单元14连接。控制单元14测量并处理来自传感器探针12的原始输出信号19a，该信号表示传感器的电阻。用户接口16与控制单元14连接，用于以图形方式或数字方式显示由控制单元14测量的检测响应(定义为电阻R，或电阻R对时间的导数dR/dt)。用户接口16可以是任何合适的接口，例如，计算机监视器。然而，如所提到的，可采用任何诸如蜂鸣器或红灯之类的指示设备来告知传感器的用户存在分析物18，或者分析物的浓度是否超过阈值。应该了解，控制单元14可以为本领域公知的任何合适的处理器。
图7为显示化学电阻传感器10的操作步骤的流程图。在步骤80化学电阻传感器开始工作。在步骤82，传感器探针12检测分析物18。在步骤84，控制单元14测量传感器探针12的电阻R。接下来，在步骤86中，通过选择电阻测量值的连续点，从一个减去另一个，然后用电阻差除以连接点之间的时间差，从而对传感器探针12测量的电阻进行数字微分(dR/dt)。最后在步骤88，用户接口16显示从控制单元14发出的计算结果，表示导出的电阻大小，通知传感器10的用户分析物18的存在。从步骤82至步骤88是连续的。每个循环的时间(步骤82至88的顺序)取决于控制单元14的处理能力。其中这些能力包括它的速度和分辨率。
在步骤84和86除测量电阻和对电阻进行微分之外，控制电源14还可以将微分后的测量电阻与阈值进行比较。该阈值是预先设置的，表示认为目标分析物18对使用传感器10的系统有害的数量。这样，当经过微分后的电阻测量值超过该阈值时，将通知传感器10的用户。作为替代，当经过微分的电阻测量值超过该阈值时，控制单元14将自动关闭传感器10或整个系统。
现在参见图8所示，示出了使用上述微分技术的传感器10的检测响应图。从控制单元14得到电阻测量值的数字导数允许传感器10在一个较短的时间内提供稳态回应(在这个例子中，从传感器探针12检测被分析物18的时间到传感器探针测得一个阈值的时间约为200秒)。可以据此选择(dR/dt)的阈值，在这个例子中例如8.0Ω/s，在该点触发警报。这个实时处理的微分技术将导致在传感器10的检测响应时间上提高至少一个数量级。虽然公开了约200秒，应该理解通过使用不同类型的传感器，可以进一步提高检测响应时间。
在较佳实施例的第二结构中，传感器探针12结合了图9中示出的一个基本的微积分电路100。本领域技术人员公知，微分电路100产生与一个与输入电压变化率成正比的输出电压。传感器探针12表示为电阻RFVS，电阻RFVS与混合电阻R1以及电源VCC串连，电阻RFVS和电阻R1与微分电路100并联。
微分电路100通常包括一个运算放大器(op-amp)102、固定电阻Ri、Rd、Rc以及固定电容Cd和Ci。运算放大器102包括形成微分输入的输入接线端104a、104b。接线端104a以负号标识，并且通常称为负接线端。接线端104b以正号标识，并且通常称为正接线端。相对于地，接线端104a和104b均为正。接线端104b连接至电阻Rc。电阻Rc连接至地，从而为来自运算放大器102的电流提供一个至地的通路。该运算放大器102进一步包括一个具有单端输出电压Vo的输出接线端106。应该理解，根据应用，上面的接线端可以为正输入接线端，下面的接线端可以为负接线端。
在使用中，传感器探针12检测分析物18，提高了传感器探针12的电阻。传感器探针12在电阻上的提高导致运算放大器102的输入电压Vin的值根据如下公式进行变化Vin＝VCC×(R1/(R1+RFVS))在传感器探针12的电阻变化时，输入电压Vin随之变化。从而，传感器探针12的电阻是微分电路100的输入电压Vin的函数。
运算放大器102的输出电压Vo约等于Vo≈-RD×Cd×(dVin/dt)运算放大器102的输出电压Vo也是传感器探针12的电阻的函数。通过采用输入电压Vin的导数并将其与电阻Rd的负值和电容Cd的值相乘计算得到输出电压Vo。输入电压Vin和输出电压Vo均以传感器探针12上的电阻的变化为根据，该变化与分析物18的浓度相关。传感器探针12的电阻的微小变化将影响输入电压Vin进而影响输出电压Vo。微分器电路100是提高传感器10的检测响应时间的另一方式。应该理解，微分器电路100能够按如上所述实现，或者也可通过嵌入于控制单元14中的软件精确实现。
在优选实施例的第三方面，如图10所示，微分器电路100插入4线桥电路110。该4线桥电路110包括电阻R1、R2、R3以及RFVS。电阻RFVS代表传感器探针12的电阻。使用该4线桥电路110以使得输出电压Vo不会受到可能发生的电源电压Vcc波动的影响。在此情况下，输入电压Vin将根据如下公式进行变化Vin＝VCC×[(R1/(R1+RFVS))-(R3/(R2+R3))]从而，如果(R1(R1+RFVS))的比率大致选择为等于(R3/(R2+R3))，输入电压Vin和输出电压Vo将不敏感，以至于在Vcc中变化小。
在一个可替代实施例中，传感器探针12可包括一个自主式单元，该自主式单元产生一个表示满足预定状态的数字输出指示，例如特定浓度的目标分析物的存在。在这种情况下，传感器探针12’自身同任何测试传感器膜电阻所必须的硬件和/或软件相结合，判定电阻测量值随时间的变化比率，将变化比率同预定义的阈值进行比较，并产生一个相应的输出。通常，与传感器探针12’结合的硬件和/或软件包括一个测量模块、一个微分器、一个比较器和一个信号发生器。测量模块执行随时间测量传感器膜的电阻的功能，微分器用于确定电阻测量的变化比率，比较器用于比较微分和阈值，信号发生器产生相应的输出。在一个包括例如传感器探针12’的传感器中，传感器探针12’和用户接口16直接联系。因此，传感器探针12’可直接向用户接口16提供输出，用以指示正在使用传感器探针12’进行探测的预定状态是否已经实际上超过阈值。可理解到测量功能、微分功能、比较功能和产生功能也可以由传感器探针12’和控制设备14的一些组合所执行。
在一个可替代优选实施例中，可在水流传感器120中应用信号调节技术。图11主要描述一个示例性的水流传感器120的基本组成。水流传感器120通常包含一个印刷电路板(PCB)插头124、一个控制单元14和一个用户接口16。水流传感器120和化学电阻传感器10都使用控制单元14和用户接口16。典型地，PCB插头124放置在水环境125中以检测水流126的流动速度。PCB插头124基于对水环境125中的水流126流动速度的连续观察，而产生一个输出信号128a。控制单元14处理输出信号128a。控制单元向用户接口16传送一个已计算的输出信号128b，以从PCB插头124传递输出信号128a的分析结果。用户接口16向外部用户提供关于水流传感器120的信息，该信息可由简单的报警信号到复杂的计算机化屏幕。
主要参考图12，图12所示为本发明一个装入PCB插头124的水流传感器管129的示例性实施例。水流传感器管129主要包括一个第一外壳130和第二外壳132。典型地，第一外壳130的形状是一个适合接收水流126的有环形法兰134的环形圆柱管。环形法兰134起连接作用，例如，通过柔软的软管连接水压阀。典型地，第二外壳132是一个装入/封装PCB插头124的热传导塑料流动软管，以保护PCB插头124免于潮湿和腐蚀。可以理解，第一外壳130和第二外壳132分别能够由不同的热传导聚合体所制成，例如，聚丙稀、聚氯乙稀、聚乙烯、聚对亚苯基(polyparaphenylene)等。带有这些聚合体基的矿物和/或玻璃填充物已经显出能够极大地提高物质的热传导性。其中一个这样的物质是从GE/LNP的Konduit MT-210-14。
主要参考图13至15，详细示出了本发明的PCB插头124。PCB插头124主要包括一个上面部分和一个下面部分，而该上面部分和下面部分组成桥电路136。桥电路136主要包括热电阻R1a和热电阻R2a、固定桥电阻R3a和R4a、电热调节器T1a、T2a，输入/输出针P1、P2、P3、P4、P5，一个电压源Vcc和一个加热电压源VH。特别地，PCB插头124的下面部分包括电热调节器T1a、T2a和加热电阻R1a和R2a，而PCB插头124的下面部分服从于水流126。PCB插头124的上面部分包括固定桥电阻器R3a、R4a和输入/输出针P1、P2、P3、P4、P5。可以理解，根据具体不同的应用，电热调节器和加热电阻的个数可以有相应的变化。作为一个示例，电热调节器T2a可由一个固定电阻代替，而当在某具体的应用中不需要改善的灵敏性时，可以省略加热电阻R2a。进一步，当电热调节器T1a(和/或T2a)可在内部自加热时，可省略加热电阻R1a(和/或R2a)和电压源VH。
参考图13，PCB插头124与穿过第一外壳130并在第二外壳之内的水流方向垂直而放置，PCB插头124的顶部部分稍微地延伸到第二外壳132上，PCB插头124的中间部分稍微地延伸覆盖到第一外壳130下，为接收水流126，第一外壳130已经经过改造。反过来，水流穿过第二外壳130。可制作外壳132的交叉组合形状以减少或消除涡流(结合传热的有害作用)。
主要参考图15，所示为PCB插头124组件的一个示范性桥电路配置136。电阻R3a与电热调节器T2a和电压源Vcc串联连接，电热调节器T1a与电阻R4a和电压源Vcc串联连接。共同，电阻R3a和电热调节器T2a一起与电热调节器T1a和电阻R4a串联连接。加热电阻R1a由电源电压VH供给电压，并且向电热调节器T2a供热。独立端口都连接到每个电热调节器T1a、T2a以提供输出电压Vout，Vout代表4线桥电路中两个脚的潜在电压差。在这个例子中，P1针和P2针是测量输出电压Vout的输出端。P3针向电热电阻R1a和R2a提供电压VH，P4针与桥电路136的电压源Vcc连接，P5针和地面相连。
在一个可替换的较佳实施例的结构中，如图11所示，PCB插头124与控制单元14连接。特别地，来自于PCB插头124中的P1针和P2针的端口与控制单元14连接。控制单元14用于测量和分析输出信号128a，代表基于水流速度126的电热调节器的热量损失值的T1a和T2a。用户接口16与控制单元14连接，用来显示由控制单元14测量到的图形或数值响应。
图16是一个表示水流传感器120操作步骤的流程图。该传感器从步骤140开始。在这一步中，电热调节器T1a和T2a由热电阻R1a和R2a来加热，电压源VH在有限时间内将会引起热调节器T1a和T2a的上升。在步骤142中，PCB插头124探测到流经水流传感器管129的水流126，降低了热调节器T1a和T2a的温度。在步骤144中测量4线电桥的两个脚之间的输出电压Vout。下一步，控制单元14通过采集一系列输出电压测量值的点，而该输出电压测量值代表了热调节器T1a和T2a温度，再一个点减去另一个点，用步骤146中的连续测量值之间的时间间隔dVout除输出电压值的微分dt，而对输出电压的测量值进行微分(dVout/dt)。在步骤148中，控制单元14标准化温度测量值并将其转换为流速。最后，用户接口16在步骤150中显示探测到的水126的流速。从步骤140到步骤150的执行过程是连续的，每个循环(从步骤142到步骤150)的持续时间由控制单元14的处理能力所决定，其中这些能力包括它的速度和分辨率。
在以上示例中，根据下面的公式，电桥136的微分输出电压(Vout)与电热调节器的电阻值(Rntc)有关Rntc＝Rfixed×(Vcc-Vout)/(Vcc+Vout)假设两个电热调节器的温度相同T＝T1a＝T2a，并且R3a＝R4a＝Rfixed。绝对温度下的温度值(T)将根据以下公式来计算T＝(1/T0+In(Rntc/R0)/β)-1其中温度T0＝298.15°K，R0是电热调解器在温度为T0时的电阻值，β是指示电热调节器温度灵敏度的固有参数。
温度值(T)的测量值然后通过以上所描述的控制单元14进行微分和标准化。可以理解的是，电桥136可以通过使用多个在本领域所公知的公式和原理来进行估计。特别地，根据热传输原理，一旦水开始流动，电热调节器的温度T就开始急剧下降。温度是呈指数下降的，可以表示为T-Tfinal＝(Tstart-Tfinal)exp(-Kt)其中Tstart是水初始流动时的温度，Tfinal是水流最终稳定状态时的温度，t是水流动的时间。例1中的K代表水冷却率，它被认为用以衡量传感器的灵敏度。因为传感器通过水流对流冷却，所以K与流速的平方根成比例。
由于温度随时间发生变化(dT/dt)，当水流开始流动后不久产生最小值。由以上公式，最大值与K(Tstart-Tfinal)成比例。温度的下降(Tstart-Tfinal)将会随着流速的增加而稍微增加。如果忽略(Tstart-Tfinal)的偏差，传感器的灵敏度将会随K而增加，这就意味着灵敏度基本上随流速的平方根而变化。
参照图17，该图为一个用于冰箱制冷器实施例的水流传感器120响应的示意图。采用控制单元14得到的温度测量值的数值导数允许水流传感器120在短时间内到达一个最小值dT/dt(在本实施例中，大约为开阀后的200ms)。这是本领域现有技术中温度(T)到达稳定状态所需时间的1/10。微分技术将总体上导致水流传感器120响应时间的数量级上的改进。尽管公开了200ms的时间值，应该理解的是还可通过使用不同的传感器来进一步改进响应时间。标准化最小值dT/dt以相对于图18所示的实际流速校准水流传感器。该过程包括不同流速时，产生dT/dt对于时间的特征曲线(此时N＝13)；记录每一流速时dT/dt的最小值；每一流速时的dT/dt的最小值除以应用中所需的最高流速时的最小值dT/dt。
应该理解的是，该替代实施例的多个结构是可以预先得到的，例如，将一个基本微分器电路或者4-线桥电路应用于水流传感器中，正如应用于化学电阻传感器一样。
尽管以上所讨论的微分操作存在于一阶导数的范围内，但应该进一步理解的是，可能会产生传感器输出信号的高阶导数。计算这些高阶导数将肯定会进一步改进传感器系统的响应时间。
本发明的描述仅仅用于展示目的，因此其变化并不背离本发明的要点，并且被认为是在本发明的范围之内。这样的变化并不被认为背离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种操作传感设备的方法，包括提供其电阻适于响应预定条件而变化的传感器；在第一时间测量传感器的电阻；在第二时间测量传感器的电阻；确定第一时间和第二时间之间的电阻变化率；将该电阻变化率与一个阀值进行比较。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括如果电阻变化率超过该阀值，生成一个信号并发送给控制设备；当该信号超过该阀值，利用一个指示设备通知传感设备的用户。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括至少按照图形或数字方式在计算机显示器上显示上述比较结果。
4.根据权利要求2所述的方法，进一步包括至少以音频或视频信号的方式对该传感设备的用户进行报警。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器包括一个传感器膜，所述传感器膜包括多个填充有碳黑的硅酮组成的基体。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定条件是目标分析物的存在。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括确定上述变化率n阶导数的方法，其中n≥1。
8.一种操作传感设备的方法，包括提供其电阻适于响应目标分析物的存在而变化的传感器探针；在第一时间测量传感器探针的电阻；在第二时间测量传感器探针的电阻；生成表示电阻测量值的信号。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括向控制设备发送所述信号；利用控制设备确定信号变化率；利用控制设备比较该信号变化率与阀值；当该信号超过上述阀值时，利用一个指示设备通知该传感设备的用户。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括至少以音频或视频信号的方式对该传感设备的用户进行报警。
11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括当该信号超过阀值时对器件进行控制。
12.根据权利要求9所述的方法，进一步包括确定上述变化率的n阶导数，其中n≥1。
13.一种操作传感设备的方法，包括提供具有其电阻适于响应目标分析物的存在而变化的传感器膜的传感器探针；在第一时间测量传感器膜的电阻；在第二时间测量传感器膜的电阻；确定第一时间和第二时间之间的电阻变化率；生成表示第一时间和第二时间之间测量的电阻变化率的信号。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括向控制设备发送所述信号；利用控制设备比较该信号变化率与阀值。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括当该信号超过上述阀值时，通知该传感设备的用户；当该信号超过上述阀值时，对器件进行控制。
16.根据权利要求13所述的方法，进一步包括确定上述变化率的n阶导数，其中n≥1。
17.一种操作传感设备的方法，包括提供其电阻适于响应流体的流速的存在而变化的电元件；在第一时间测量电元件的电阻；在第二时间测量电元件的电阻；确定第一时间和第二时间之间的电阻变化率。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括根据电阻变化率确定流体的流速；比较该流体流速与阀值。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括当流体流速超过上述阀值，生成一个信号并发送给控制设备；当该控制设备接收到该信号时，通知该传感设备的用户。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括当该控制设备接收到该信号时对器件进行控制。
21.根据权利要求17所述的方法，其中电元件是一种其电阻基于温度而变化的热敏电阻。
22.根据权利要求17所述的方法，进一步包括确定上述变化率的n阶导数，其中n≥1。
23.一种传感器，包括一个其电阻适于响应预定条件的存在而变化的传感器膜；在一段时间内测量传感器膜的电阻的装置；生成对应于电阻测量值的第一信号的装置；对第一信号进行微分的装置；生成对应于第一信号的微分值的第二信号的装置；比较第二信号与阀值并且当第二信号超过阀值时生成第三信号的装置。
24.根据权利要求23所述的传感器，进一步包括向该传感器的用户显示比较结果的装置；当生成第三信号是对器件进行控制的装置。
25.根据权利要求23所述的传感器，其中该传感器是一个化学电阻传感器。
26.根据权利要求23所述的传感器，其中该传感器是一种包含有由大量碳黑填充的硅胶的基体。
27.根据权利要求24所述的传感器，其中向该传感器的用户显示比较结果的装置是计算机显示器。
28.根据权利要求23所述的传感器，进一步包括确定第二信号的n阶导数的装置，其中n≥1。
29.一种传感设备，包括一个传感器探针；其电阻和传感器探针电连接的电元件，该电元件的电阻适于响应于预定条件的存在而变化；电连接到上述电元件的控制设备，该控制设备用于在一段时间内测量该电元件的电阻，并根据电阻测量值生成第一信号，确定该第一信号的变化率，同时根据第一信号变化率生成第二信号，并比较第二信号与阀值。
30.根据权利要求29所述的传感设备，其中当第二信号超过阀值时，所述控制设备对器件进行控制。
31.根据权利要求29所述的传感设备，进一步包括当所述第二信号超过阀值时通知该传感设备的用户的指示设备。
32.根据权利要求29所述的传感设备，其中电元件是传感器膜。
33.根据权利要求32所述的传感设备，其中传感器膜是一种包含有由大量碳黑填充的硅胶的基体。
34.根据权利要求29所述的传感设备，其中预定条件是目标分析物的存在。
35.根据权利要求29所述的传感设备，其中电元件是其温度适于根据预定条件的存在而变化的热敏电阻。
36.根据权利要求35所述的传感设备，其中预定条件是流体的流速。
37.根据权利要求29所述的传感设备，其中电元件由导热聚合物包覆。
38.根据权利要求29所述的传感设备，其中控制设备进一步用于确定第二信号的n阶导数，其中n≥1。
39.一种传感器探针，包括一个其电阻电连接到传感器探针的电元件，电元件的电阻适于响应于预定条件的存在而变化；一个测量模块，该模块能在一定时间内测量该电元件的电阻，并根据电阻测量值生成第一信号；一个微分器，该微分器能确定第一信号的变化率，并根据第一信号的微分值生成第二信号；一个比较器，该比较器比较第二信号与阀值。
40.根据权利要求39所述的传感器探针，进一步包括一个控制设备，当所述第二信号超过阀值时由该控制设备对器件进行控制。
41.根据权利要求39所述的传感器探针，进一步包括当所述第二信号超过阀值时用于通知该传感设备的用户的指示设备。
42.根据权利要求39所述的传感器探针，其中电元件是传感器膜。
43.根据权利要求42所述的传感器探针，其中传感器膜是包含有多个碳黑填充的硅胶的基体。
44.根据权利要求39所述的传感器探针，其中预定条件是目标分析物的存在。
45.根据权利要求39所述的传感器探针，其中电元件是其温度适于根据预定条件的存在而变化的热敏电阻。
46.根据权利要求45所述的传感器探针，其中预定条件是流体的流速。
47.根据权利要求39所述的传感器探针，其中电元件由导热聚合物包覆。
48.根据权利要求39所述的传感器探针，其中微分器进一步确定第二信号的n阶导数，其中n≥1。
全文摘要
本发明公开了一种用于操作传感设备的方法。该方法包括提供其电阻适于响应于预定条件的存在而变化的传感器膜；检测预定条件的存在；在第一时间测量传感器膜的电阻；在第二时间测量传感器膜的电阻；确定在第一时间和第二时间之间的电阻变化率；比较该电阻变化率与阀值。
文档编号G01K7/24GK1536354SQ200410030588
公开日2004年10月13日 申请日期2004年4月12日 优先权日2003年4月11日
发明者伯尔德D·齐默曼, 普拉萨德·S·哈德基卡, 兰斯·A·博斯蒂克, A 博斯蒂克, 伯尔德D 齐默曼, 德 S 哈德基卡 申请人:热力蒂思科有限公司