专利名称：一种快速响应的双气体传感器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体传感器技术领域，具体涉及一种快速响应的双气体传感器装置。
背景技术：
气体传感器是气体检测系统的核心，是一种将某种气体体积分数转化成对应电信 号的器件。气体传感器是依靠与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起传感器电导率、 自身质量或其他特性的改变，从而检测出被测气体的浓度。但是气体传感器在吸附气体后， 由于材料性质的限制，气体的解吸附却非常缓慢。当改变被测气体浓度或种类时，气体传感 器无法立即作出响应，导致传感器测量惯性较大，响应时间较长，输出响应相对于输入信号 存在着严重的时间滞后问题，难以实现实时准确测量。另一方面，气体传感器对某些气体存 在着一定的交叉敏感性，传感器表面未被解吸附的气体分子也会产生一定的响应信号，从 而给被测气体的输出响应信号造成一定的干扰，影响了传感器件的灵敏度，也降低了测量 的重复性和可靠性。因此，如何加快气体传感器表面气体分子解吸附，并提高气体传感器的 响应速度称为影响气体检测系统性能的重要环节。

发明内容
本发明所要解决的问题是如何提供一种快速响应的双气体传感器装置，该装置 能克服单一气体传感器响应速度慢的缺陷。本发明所提出的技术问题是这样解决的提供一种快速响应的双气体传感器装 置，其特征在于，包括两个结构相同的气体传感器，还包括以下模块数字可调定时器设定和调节两个气体传感器交换工作状态的时间；继电器模块控制两个气体传感器转换工作状态；加热电路模块在继电器模块的控制下对气体传感器提供加热电压；双气体传感器测量电路模块使气体传感器工作完成气体测量工作；电源电路模块为双气体传感器测量电路模块以及数字可调定时器提供工作电 压；其中，电源电路模块连接数字可调定时器模块和继电器模块，加热电路模块经继 电器模块连接双气体传感器测量电路模块，两个气体传感器交替工作和加热当一只气体 传感器工作时，对另一只气体传感器同时进行加热解吸附，达到一定时间后，两只气体传感 器交换工作状态。按照本发明所提供的快速响应的双气体传感器装置，其特征在于，所述继电器模 块选用双刀双掷型继电器，其包括两副动触接点J2、J3和J5、J6 ；一副静触接点Jl、J4，Jl 分别在J2、J3之间吸合和释放，J4分别在J5、J6之间吸合和断开，以实现不同工作状态的转换。按照本发明所提供的快速响应的双气体传感器装置，其特征在于，所述数字可调 定时器电路模块由14位二进制串行计数器芯片⑶4060、双D触发器芯片74LS74、12位二进制计数器芯片CC4040、定时时间设置开关、吸断时间比调档开关以及外围的电阻、电容、晶 振元件构成，吸断时间比调档开关能够实现继电器吸合和断开时间具有不同的比值，定时 时间设置开关完成具体的定时时间设置，附加电路包括一开关按钮，按下按钮定时器开始 定时。按照本发明所提供的快速响应的双气体传感器装置，其特征在于，数字可调定时 器的输出端通过一个三极管与继电器控制端相连接，定时时间未到时，定时器输出低电平， 三极管截止，继电器动触接点Jl、J4不发生断开和吸合；定时时间到达时，定时器输出高电 平，三极管导通，继电器动触接点Jl、J4在静触接点J2、J3和J5、J6之间发生断开和吸合。
按照本发明所提供的快速响应的双气体传感器装置，其特征在于，继电器的动触 接点Jl与加热电路的输出端相连接，动触接点J4与电源电路的输出端相连接，静触接点 J2、J6分别与双气体传感器测量电路中Sl测量电路的加热电压和电源电压的正极相连接， 静触接点J3、J5分别与双气体传感器测量电路S2测量电路的加热电压和电源电压的正极 相连接。本发明所提供的提高响应速度的双气体传感器装置的有益效果是1、本发明装置电路简单，元器件少，成本低，体积小，实用性强。2、本发明装置能显著提高气体检测系统的响应速度，缩短气体检测系统的响应时 间。3、可以在具体实例中根据气体传感器性能及具体情况下气体解吸附所需时间的 长短，设置不同的定时时间，可重复度高。


图1是本发明的逻辑框图；图2是本发明的一个实施例(典型电路)的电路图。图3是实施实例1中所使用的单个金属氧化物半导体气体传感器的测量电路原理 图。图4是实施实例3中所得到的QCM气体传感器的频率响应曲线图。其中，1.定时与间隔比设置，2. CD4060芯片，3. 74LS74芯片，4. CC4040芯片、5.定 时时间设置开关，6.继电器，7.电源电路，8.加热电路，9.气体传感器Sl测量电路，10.气 体传感器S2测量电路，11.启动按钮。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述如图1所示，本发明为一种提高响应速度的双气体传感器装置，其包括两只相同 的气体传感器及它们的测量电路、电源电路、加热电路、数字可调定时器及继电器。将所述 的双气体传感器测量电路、电源电路、加热电路、数字可调定时器及继电器封装在一张印刷 电路板上。本发明双气体传感器装置的进一步技术方案是采用两只性能型号完全相同的气 体传感器Sl和S2。本发明双气体传感器装置的进一步技术方案是设计电源电路提供一定的直流电压，分别为双气体传感器测量电路及数字可调定时器提供工作电源；设计加热电路提供一定的直流电压，分别为气体传感器Sl和气体传感器S2加热，以加快气体传感器Sl和气体 传感器S2对气体的解吸附，缩短响应时间。本发明双气体传感器装置的进一步技术方案是选用双刀双掷型继电器，其包括 两副动触接点J2、J3和J5、J6 ；—副静触接点Jl、J4，Jl分别在J2、J3之间吸合和释放，J4 分别在J5、J6之间吸合和断开，以实现不同工作状态的转换。本发明双气体传感器装置的进一步技术方案是，如图2所示，设计数字型可调定 时器电路，采用14位二进制串行计数器芯片⑶4060、双D触发器芯片74LS74、12位二进制 计数器芯片CC4040、定时时间设置开关、吸断时间比调档开关以及外围的电阻、电容、晶振 元件构成。继电器吸断时间比调档开关能够实现继电器吸合和断开时间具有不同的比值， 定时时间设置开关完成具体的定时时间设置，附加电路包括一开关按钮，按下按钮定时器 开始定时。可调定时器的工作原理为⑶4060为一个14位二进制串行计数器、分频器，其 内部置有振荡器，在外加晶振电路的情况下，能够产生一定的频率，该频率并能够在内部分 频器的作用下进行14级的分频，则10个输出端中，每个输出端输出不同频率的信号，以Q14 端口为例，其输出信号频率为f = fo/214，其中&为外部石英晶体振荡器的频率。⑶4060输 出的频率信号在双D触发器74LS74的再一次1/2分频后成为精确的时钟频率，并被送入计 数器芯片CC4040中，CC4040的12个输出端口在时钟频率的精确控制下，分别输出12个等 级的信号，如若时钟频率为0. 1Hz，则输出端分别输出周期分别为10s、20s、40s...的信号， 将CC4040的12个输出端口与12个开关相连接，通过不同数目开关的闭合与断开即可实现 相应的数字定时时间的设置。进一步将⑶4060的输出端Q12、Q13、Q14分别与开关KK3、 KK2、KKl相连，控制三个开关不同情况的断开与闭合，以实现定时时间与定时间隔的不同 以及精确控制两者的比值，例如若闭合开关KK3，则当脉冲到达Q12时，Q12与74LS74之间 导通，Q12输出频率为&/212的频率信号，此时时钟频率为&/213，设置定时时间开关开始定 时，达到定时时间后，若闭合开关KK1，进入定时时间间隔阶段，此时时钟频率为V215，与定 时时间相比，定时间隔发生改变，且可知定时时间与定时间隔的比值为1 4。本发明双气体传感器装置的进一步技术方案是将可调定时器的输出端通过一个 三极管与继电器控制端相连接，定时时间未到时，定时器输出低电平，三极管截止，继电器 动触接点Jl、J4不发生断开和吸合；定时时间到达时，定时器输出高电平，三极管导通，继 电器动触接点Jl、J4在静触接点J2、J3和J5、J6之间发生断开和吸合。本发明双气体传感器装置的进一步技术方案是将继电器的动触接点Jl与加热 电路的输出端相连接，动触接点J4与电源电路的输出端相连接，静触接点J2、J6分别与气 体传感器Sl测量电路的加热电压和电源电压的正极相连接，静触接点J3、J5分别与气体传 感器S2测量电路的加热电压和电源电压的正极相连接。本发明双气体传感器装置的进一步技术方案是通过可调定时器的定时控制继电 器的动触接点与静触接点的吸合与断开在定时时间间隔内，定时器未达到定时时间时，定 时器输出低电平信号，继电器中没有电流通过，继电器动触接点Jl与静触接点J2(J3)吸 合，动触接点J4与静触接点J5 (J6)吸合，气体传感器Sl与电源电路导通，气体传感器Sl处 于工作状态，输出响应信号，气体传感器S2与加热电路导通，气体传感器S2处于加热状态， 对气体进行解吸附；当定时器达到定时时间时，定时器输出高电平信号，继电器中有电流通过，继电器的动触点Jl与静触接点J2(J3)断开，与静触接点J3(J2)吸合，动触点J4与静触接点J5(J6)断开，与静触接点J6(J5)吸合，气体传感器Sl与加热电路导通，气体传感器 Sl处于加热状态，对气体进行解吸附，气体传感器S2与电源电路导通，气体传感器S2处于 工作状态，输出响应信号。以下是本发明的具体实施例实施例1选用日本费加罗公司生产的金属氧化物半导体型瓦斯传感器TGS2611作为本发 明装置中的双气体传感器，按附图3所示的测量电路，将两只传感器并联连接在装置电路 中。调节定时器的开关，设置定时时间为1分钟，将该装置放在气室中。另一方面，将本发 明双传感器装置的输出端与KEITHLEY2700数据采集仪相连接，并将该检测仪连接到PC机 上。紧接着，向气室中通入纯净的氮气(N2),持续5分钟，以排出气室中的空气和其它干扰 气体。然后，通入一定浓度的甲烷气体，并按下定时器按钮，启动定时器。若此时传感器Sl 工作，传感器S2不工作，Sl在吸附甲烷气体后，电阻下降，装置输出一定的电压信号。1分 钟后传感器Sl达到稳定状态，此时定时时间到，继电器控制传感器交换工作状态，传感器 Sl进入加热状态进行解吸附，传感器S2开始工作，吸附气体，输出相应的电压信号。实施例2瓦斯检测仪选用一定的瓦斯传感器后，本实施例的装置可与一单片机系统相连。该单片机系 统包括信号放大、滤波电路模块，模数转换电路模块，液晶显示模块，声光报警模块。并用C 语言编写系统控制程序，烧写到单片机中，进行系统调试。本实施例所设计的瓦斯检测仪的 工作过程为系统上电并初始化；瓦斯传感器预热半小时后，开始吸附通入的瓦斯气体，测 量电路输出一定的电压信号，该模拟电压信号经模数转换电路后变为数字电压信号，且该 信号被单片机的I/O端口接收并进行处理，以判断出此时所通瓦斯气体浓度；单片机根据 相应的程序将检测结果显示在LCD上，并与所设浓度报警值相比较，若超过阈值，则进行声 光报警，否则，声光报警模块不工作。实施例3选用涂有NH3敏感材料的QCM传感器，其中心频率为8MHz。将QCM传感器放入气 室，并将其输出端与频率计相连。当晶片吸附一定的NH3气体后，其振动频率增加，再通入 纯净的N2后，其频率会急剧下降。采用本实例新型装置，在改变通入气体浓度时，启动定时 器，则已经吸附了 NH3气体的QCM传感器进入解吸附状态，没有吸附NH3气体的QCM传感器 开始吸附气体，产生一定的频率响应。所得到的该装置输出的频率响应曲线如图4所示。
权利要求
一种快速响应的双气体传感器装置，其特征在于，包括两个结构相同的气体传感器，还包括以下模块数字可调定时器设定和调节两个气体传感器交换工作状态的时间；继电器模块控制两个气体传感器转换工作状态；加热电路模块在继电器模块的控制下对气体传感器提供加热电压；双气体传感器测量电路模块使气体传感器工作完成气体测量工作；电源电路模块为双气体传感器测量电路模块以及数字可调定时器提供工作电压；其中，电源电路模块连接数字可调定时器模块和继电器模块，加热电路模块经继电器模块连接双气体传感器测量电路模块，两个气体传感器交替工作和加热当一只气体传感器工作时，另一只气体传感器同时进行加热解吸附，达到一定时间后，两只气体传感器交换工作状态。
2 根据权利要求1所述的快速响应的双气体传感器装置，其特征在于，所述继电器模 块选用双刀双掷型继电器，其包括两副动触接点(J2)、(J3)和(J5)、(J6)；一副静触接点 (Jl)、(J4)，(Jl)分别在(J2)、(J3)之间吸合和释放，(J4)分别在(J5)、(J6)之间吸合和 断开，以实现不同工作状态的转换。
3.根据权利要求1所述的快速响应的双气体传感器装置，其特征在于，所述数字可调 定时器电路模块由14位二进制串行计数器芯片⑶4060、双D触发器芯片74LS74、12位二进 制计数器芯片CC4040、定时时间设置开关、吸断时间比调档开关以及外围的电阻、电容、晶 振元件构成，吸断时间比调档开关能够实现继电器吸合和断开时间具有不同的比值，定时 时间设置开关完成具体的定时时间设置，附加电路包括一开关按钮，按下按钮定时器开始 定时。
4.根据权利要求1所述的快速响应的双气体传感器装置，其特征在于，数字可调定时 器的输出端通过一个三极管与继电器控制端相连接，定时时间未到时，定时器输出低电平， 三极管截止，继电器动触接点(Jl)、(J4)不发生断开和吸合；定时时间到达时，定时器输出 高电平，三极管导通，继电器动触接点(Jl)、(J4)在静触接点(J2)、(J3)和(J5)、(J6)之 间发生断开和吸合。
5.根据权利要求1所述的快速响应的双气体传感器装置，其特征在于，继电器的动触 接点(Jl)与加热电路的输出端相连接，动触接点(J4)与电源电路的输出端相连接，静触接 点(J2)、(J6)分别与双气体传感器测量电路中Sl测量电路的加热电压和电源电压的正极 相连接，静触接点(J3)、(J5)分别与双气体传感器测量电路S2测量电路的加热电压和电源 电压的正极相连接。
全文摘要
本发明公开了一种快速响应的双气体传感器装置，其特征在于，包括两个结构相同的气体传感器，还包括以下模块数字可调定时器、继电器模块、加热电路模块、双气体传感器测量电路模块和电源电路模块，其中，电源电路模块连接数字可调定时器模块和继电器模块，加热电路模块经继电器模块连接双气体传感器测量电路模块，两个气体传感器交替工作和加热当一只气体传感器工作时，另一只气体传感器同时进行加热解吸附，达到一定时间后，两只气体传感器交换工作状态。
文档编号G01N27/12GK101825595SQ20101016173
公开日2010年9月8日 申请日期2010年5月4日 优先权日2010年5月4日
发明者孙萍, 杜晓松, 王然, 蒋亚东, 谢光忠 申请人:电子科技大学