可调波长与强度的光激发探测材料气敏性能的试验装置和方法与流程

1.本发明属于光激发探测材料气敏性能检测技术领域，具体涉及一种可调波长与强度的光激发探测材料气敏性能的试验装置和方法。


背景技术：

2.金属氧化物半导体材料作为典型的化学电阻型传感器材料，由于其低成本、高响应性、出色的稳定性以及易于小型化的特点，被广泛地应用于可燃性气体、有毒有害气体检测领域。为了实现较高的响应值和较快的响应与恢复，传统的金属氧化物半导体型传感器均采用直接或间接热激发的形式促进响应，其工作温度大部分在300—500℃之间，较高的工作温度不仅导致了器件的高功耗，同时也限制了其在可燃性气体检测中的应用。随着新一代气体传感器系统小型化与多场景利用要求的提出，开发可在低温或室温下响应的传感器具有重大意义。研究表明，对特定金属氧化物半导体材料光激发是代替热激发实现低温探测的有效方法，不同的材料可能对不同波长与强度的光产生不同的响应性能变化，开展光激发探测材料气敏性能实验研究不仅能为探测器材料研究提供新的研究思路，更能够为低温下光激发型探测器设计提供实验依据和技术指导。
3.目前国内外关于光激发探测材料气敏的实验研究主要通过泛紫外光或可见光作为激发光源，在光强方面其通常只能控制光源亮度，无法准确测量材料表面辐照强度，进而无法得出材料表面辐照强度与气敏性能之间的影响关系。另外，在光波长方面，目前相关领域所使用的紫外光源通常只能保持某一特定波长(如365nm的led紫外光源)，而对于可见光则使用在380—760nm波长范围的可见光源，无法提供自由可调的单一波长光束，这限制了波长对探测材料敏感性影响的实验研究。现阶段，光激发探测材料气敏性能实验测试系统与技术还不成熟，特别是缺少可同时改变激发光源辐射波长与强度的功能与技术。
4.本发明立足现实应用场景，结合实验与新技术研发需求，设计一种兼具激发光源辐射波长与强度同步调节功能的探测材料气敏性能试验装置。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种可调波长与强度的光激发探测材料气敏性能试验装置。该装置可以完成不同光波长及可变光强条件下的光激发探测材料气敏性能实验研究。
6.本发明采用的技术方案为：一种可调波长与强度的光激发探测材料气敏性能的试验装置，包括：可调光路激发系统、气体检测及气路系统、数据采集与计算机控制系统。可调光路激发系统包括氙灯光源、聚焦镜筒、单色仪、光束集中器、氙灯光源电流控制器、辐照计和光学升降平台；气体检测及气路系统包括小型气体检测腔室、特制石英玻璃、金属盖板、铂电极、金叉指电极、电子控温加热器、湿度控制器、尾气处理装置、质量流量控制器与混气系统、待测气气源和减压阀组；数据采集与计算机控制系统包括计算机控制与数据采集中控系统、工作站计算机和数字显示器；其中：可调光路激发系统主要提供所需波长及强度的
激发光，所述氙灯光源提供初始光源，光照强度通过氙灯光源电流控制器进行调节；所述单色仪用于调节光波长，单色仪波长控制系统内置于工作站计算机；辐照计内置于气体检测腔室用于检测同等工况下金叉指电极表面所受光照强度；光学升降平台用于改变光源与探测器表面距离，以辅助调节金叉指电极表面所受光照强度；所述气体检测及气路系统主要完成气体敏感性能测试，气体检测腔室上盖为特制石英玻璃，用于保证光源顺利照射至金叉指电极；所述金叉指电极用于金属氧化物敏感材料的基底，其两端与铂电极连接以完成对应材料气体敏感性能测试；所述电子控温加热器紧贴于金叉指电极下方，用于准确控制加热温度；所述湿度控制器位于气体检测腔室前的进气管路，用于控制进气湿度；所述尾气处理装置位于气体检测腔室后的排气管路，用于消除废气可能存在的危险性；所述质量流量控制器与混气系统用于控制各通路实验气体质量流量并完成均匀混气，用于实现目标气体浓度的准确控制；所述待测气气源和减压阀组配套使用，待测气气源由压缩空气与其他各类待测目标气体组成，储存于对应的气瓶内，每个气瓶均连接一个配套减压阀，用于气体压力控制；数据采集与计算机控制系统主要完成实验数据采集分析以及关键参数调节如光源波长、加热温度、气体浓度与流速等，所述计算机控制与数据采集中控系统内置逻辑电路，用于计算机工作站和质量流量控制器与混气系统、气体检测腔室、电子控温加热器及铂电极等关键设备的联通控制；所述工作站计算机内置配套软件，与数字显示器连接，用于数据储存分析与测试系统控制。
7.进一步地，该试验装置的具体结构如下：所述聚焦镜筒紧贴氙灯光源安装，在聚焦镜筒后接单色仪进光口；所述光束集中器连接于单色仪出光口，用于增强光辐照强度；所述氙灯光源与单色仪均放置在稳定的光学升降平台上，通过平台高度调整保证光的有效通路，并调节出光口镜面与材料表面距离，以此调节材料表面所受辐照强度；所述氙灯光源电流控制器单独连接氙灯光源，调节电流控制光源强度；单色仪波长控制系统内置于工作站计算机，精确控制出光波长；所述辐照计探测端置于金叉指电极同一水平面，测试前将其分别置于所制备探测器所处位置进行辐照强度测量，以获得同等条件下探测器表面所受辐照强度；所述小型气体检测腔室上盖为外加密封圈的特制石英玻璃，通过石英玻璃可降低紫外到红外波段的光强衰减；所述金叉指电极上涂覆敏感材料，电极两端与两对铂电极相连，完成电学性能测试；所述电子控温加热器作为支撑平台紧贴于金叉指电极，完成准确的温度控制；所述湿度控制器和尾气处理装置分别置于气体检测腔室的前后气路，完成检测气体的湿度控制与尾气处理；所述待测气气源钢瓶口连接配套减压阀组，气流通过质量流量控制器与混气系统后经由湿度控制器进入气体检测腔室；所述计算机控制与数据采集中控系统内置逻辑电路，连接上游工作站计算机与下游气体检测腔室和质量流量控制器与混气系统，用于逻辑控制与信号采集；所述工作站计算机分别连接单色仪、质量流量控制器与混气系统和数字显示器，用于波长控制、实验条件控制以及实验数据储存与处理。
8.本发明还包括一种可调波长与强度的光激发探测材料气敏性能的试验装置的试验方法，其包括如下步骤：
9.(1)在黑暗条件下检测探测材料的性能；
10.(2)在连续调整可变光的波长和/或强度的条件下检测探测材料的性能；
11.(3)以黑暗条件下检测到的探测材料的性能作为对照，并依据步骤(2)中获得的探测材料的性能获得探测材料从黑暗条件到不同可变光的波长和/或强度的条件下的整体气
敏性能。进一步的，所述步骤(1)包括：
12.11、将所制备的探测材料调成糊状均匀涂覆于金叉指电极表面，并进行烧结老化，将探测材料制备成平面探测器；
13.12、将涂有敏感材料的金叉指电极紧贴电子控温加热器放置，并在两端连接铂电极；
14.13、将特制石英玻璃置于气体检测腔室上方密封，并用金属盖板遮挡玻璃孔，模拟常规无光环境；
15.14、打开对应待测气气源钢瓶阀门以及对应减压阀，通过工作站计算机将控制命令传输至计算机控制与数据采集中控系统完成升温控制和特定浓度待测气体传输，通常对某一气体敏感性测试只开启对应待测气体钢瓶与压缩空气钢瓶，在初始阶段，首先在电子控温加热器达到设定温度后控制质量流量控制器与混气系统只通入固定流量的空气，完成电阻基线测量；
16.15、在电阻基线稳定后，通过质量流量控制器与混气系统将指定浓度的待测气体通入气体检测腔室，将实验实时数据储存在工作站计算机中，完成敏感材料对待测气体响应性测试；
17.16、通过重复步骤4～5，保持通入气体浓度不变，改变电子控温加热器温度，完成探测材料对特定浓度待测气体最佳工作温度测试；
18.17、通过重复步骤4～5，保持电子控温加热器在最佳工作温度，改变质量流量控制器与混气系统通入待测气体的浓度，完成探测材料对待测气体测量范围以及敏感性能测试；
19.18、实验结束，关闭电子控温加热器，持续通入空气直至气体检测腔室内降为室温，关闭待测气气源钢瓶、减压阀组、质量流量控制器与混气系统以及工作站计算机。
20.进一步的，所述步骤(2)包括：
21.21、将所制备的探测材料调成糊状均匀涂覆于金叉指电极表面，并进行烧结老化，将探测材料制备成平面探测器；
22.22、将涂有敏感材料的金叉指电极紧贴电子控温加热器放置，并在两端连接铂电极；
23.23、将特制石英玻璃置于气体检测腔室上方密封；
24.24、打开氙灯光源、氙灯光源电流控制器、单色仪以及工作站计算机，调整光学升降平台高度至合适位置；
25.25、将辐照计探头置于探测电极同等位置测量探测电极表面所受辐照强度，在工作站计算机上设置目标光波长，调整氙灯光源电流控制器电流强弱以及光学升降平台高度直至辐照强度达到实验目标值；
26.26、打开对应待测气气源钢瓶阀门以及对应减压阀，通过工作站计算机将控制命令传输至计算机控制与数据采集中控系统完成升温控制和特定浓度待测气体传输，通常对某一气体敏感性测试只开启对应待测气体钢瓶与压缩空气钢瓶，在初始阶段，电子控温加热器达到设定温度后控制质量流量控制器与混气系统只通入固定流量的空气，完成光照下电阻基线测量；
27.27、在电阻基线稳定后，通过质量流量控制器与混气系统将指定浓度的待测气体
通入气体检测腔室，将实验实时数据储存在工作站计算机中，完成敏感材料对待测气体响应性测试；
28.28、通过重复步骤5～7，保持温度与辐照强度不变，改变单色仪波长，可完成探测材料在指定温度下对特定光波长电学性能基线测量以及在该波长下对待测气体响应性测试；
29.29、通过重复步骤5～7，保持温度与光波长不变，改变氙灯光源电流控制器电流强弱以及光学升降平台高度，完成指定温度条件下，探测材料在某一波长不同辐照强度下电学性能基线测量，以及不同光照强度对探测材料气体响应性影响测试；
30.210、通过重复步骤5～7，保持波长与辐照强度不变，改变电子控温加热器温度，可完成光激发作用下探测材料最佳响应温度测试，以及光激发与热激发耦合作用对各待测气体响应性能测试；
31.211、实验结束，关闭电子控温加热器、氙灯光源、氙灯光源电流控制器以及单色仪，持续通入空气直至气体检测腔室内降为室温，关闭待测气气源钢瓶、减压阀组、质量流量控制器与混气系统以及工作站计算机。
32.本发明与现有技术相比的优点在于：
33.本发明提供了一种进行不同光波长及可变光强条件下光激发探测材料气敏性能试验的装置，能够对不同波长及辐照强度光激发下探测材料气敏性能变化进行较为全面系统地研究，并且能够十分灵活地控制探测环境和实验条件。其以黑暗条件下检测到的探测材料的性能作为对照，并连续调整可见光的波长和/或强度而获得探测材料的性能从而得到探测材料从黑暗条件到不同可变光的波长和/或强度的条件下的整体气敏性能。本发明通过单色仪及配套控制系统可以完成单波长光源的自由转换；通过氙灯光源电流控制器、光学升降平台及辐照计可以准确控制探测器表面所受辐照强度；通过特制石英玻璃可以减小紫外至红外波段光的透过损失，保持探测器表面所受光辐照的强度；通过紧贴式电子控温加热器可以完成探测器温度的准确控制，完成探测器升温以及光激发与热激发耦合气敏性能研究；通过质量流量控制器与混气系统可以准确控制检测气体浓度及流量；通过小型气体检测腔室、铂电极以及计算机控制与数据采集中控系统可以同时完成探测材料对目标气体的各类电学信号检测与处理。该装置具有操作方便、功能完备的特点，对光激发下金属氧化物半导体气体探测响应性能的研究具有重大意义。利用该装置可以进行有关金属氧化物半导体探测材料在不同波长光激发下气体敏感性能测试方面的研究，例如：测试在特定波长光照下探测材料的最佳工作温度及对不同气体的响应性能。利用该装置还可以进行有关金属氧化物半导体探测材料对某一波长光的不同表面辐照强度下气体敏感性能测试方面的研究，以及进行光激发与热激发耦合作用下探测材料气体敏感性能变化的研究，探究光激发型气体探测器的最优设计方法。
34.本发明提供一种可调波长与强度的光激发探测材料气敏性能的试验装置和方法，其提供如下功能：
35.(1)研究单一波长光束固定辐照强度对不同类型金属氧化物半导体材料光激发气敏性能的影响；
36.(2)研究单一波长光束不同辐照强度对各金属氧化物半导体材料气敏性能增强作用影响；
37.(3)研究从紫外光到红外光范围内不同波长光激发对各类金属氧化物半导体材料气敏性能的影响；
38.(4)研究黑暗条件下金属氧化物半导体材料自身热激发气敏性能特点以及不同材料的热激发气敏性能差异；
39.(5)研究光激发与热激发耦合情况下各类金属氧化物半导体对目标气体的响应情况，为开发低温甚至室温下工作的敏感材料提供实验基础，并为新型探测材料合成及光激发探测器结构设计提供借鉴。
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
41.图1为本发明一种可调波长与强度的光激发探测材料气敏性能试验装置结构示意图。
42.图中：1氙灯光源，2聚焦镜筒，3单色仪，4光束集中器，5氙灯光源电流控制器，6特制石英玻璃，7小型气体检测腔室，8辐照计，9铂电极，10金叉指电极，11电子控温加热器，12湿度控制器，13尾气处理装置，14计算机控制与数据采集中控系统，15质量流量控制器与混气系统，16待测气气源，17减压阀组，18工作站计算机，19数字显示器，20光学升降平台。
具体实施方式
43.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
44.如图1所示，本发明为一种可调波长与强度的光激发探测材料气敏性能试验装置，包括：可调光路激发系统、气体检测及气路系统、数据采集与计算机控制系统；可调光路激发系统包括氙灯光源1、聚焦镜筒2、单色仪3、光束集中器4、氙灯光源电流控制器5、辐照计8和光学升降平台20；气体检测及气路系统包括小型气体检测腔室7、特制石英玻璃6、铂电极9、金叉指电极10、电子控温加热器11、湿度控制器12、尾气处理装置13、质量流量控制器与混气系统15、待测气气源16和减压阀组17；数据采集与计算机控制系统包括计算机控制与数据采集中控系统14、工作站计算机18和数字显示器19。
45.进一步地，该试验装置的具体结构如下：可调光路激发系统主要提供所需波长及强度的激发光，初始光源由氙灯光源1提供，氙灯光源电流控制器5单独连接氙灯光源1，通过调节电流控制光源强度；聚焦镜筒2紧贴氙灯光源1安装，在聚焦镜筒2后接单色仪3进光口；光束集中器4连接于单色仪3出光口，用于增强光辐照强度；单色仪3用于精确调节光波长，单色仪波长控制系统内置于工作站计算机18；氙灯光源1与单色仪3均放置在稳定的光学升降平台20上，通过平台高度调整保证光的有效通路，并调节出光口镜面与材料表面距离，以此调节材料表面所受辐照强度；辐照计8内置于气体检测腔室7，其探测端置于金叉指
电极10同一水平面，测试前将其分别置于所制备探测器所处位置进行辐照强度测量，以获得同等条件下探测器表面所受辐照强度；气体检测及气路系统主要完成气体敏感性能测试，小型气体检测腔室7上盖为外加密封圈的特制石英玻璃6，通过石英玻璃可降低紫外到红外波段的光强衰减；探测材料均匀涂敷在金叉指电极10上，金叉指电极10两端与两对铂电极9相连，工作站计算机18选择对应测量方式后，由计算机控制与数据采集中控系统14输出对应电学信号进行测量，并采集测量信号；电子控温加热器11作为支撑平台紧贴于金叉指电极10放置，其控制信号线连接计算机控制与数据采集中控系统14，由工作站计算机18进行温度指令下达，准确控制热激发温度；待测气气源16和减压阀组17配套使用，待测气气源16由压缩空气与其他各类待测目标气体组成，储存于对应的气瓶内，每个气瓶均连接一个配套减压阀，用于气体压力控制，钢瓶内气压在10—15mpa，减压阀出口压力控制在0.1—0.15mpa；气体从减压阀17输出后接入质量流量控制器与混气系统15，通过工作站计算机18发出混气指令，由计算机控制与数据采集中控系统14进行气体流量及相关配比设置，并在质量流量控制器与混气系统15中完成对应待测气体浓度及流量输出，输出的目标气体经过湿度控制器12完成湿度控制后进入气体检测腔室7，经过腔室检测后的气体实时通过腔室排气端口流经尾气处理装置13，消除废气可能存在的危险性；数据采集与计算机控制系统主要完成实验数据采集分析以及关键参数调节，其中计算机控制与数据采集中控系统14内置了逻辑电路，负责连接上游工作站计算机18与下游气体检测腔室7、电子控温加热器11、铂电极9和质量流量控制器与混气系统15，用于逻辑控制与信号采集；工作站计算机18分别连接单色仪3、质量流量控制器与混气系统15和数字显示器19，用于波长控制、实验条件控制以及实验数据储存与处理。
46.进一步的，本发明还包括一种可调波长与强度的光激发探测材料气敏性能的试验装置的试验方法，其包括如下步骤：
47.(1)在黑暗条件下检测探测材料的性能；
48.(2)在连续调整可变光的波长和/或强度的条件下检测探测材料的性能；
49.(3)以黑暗条件下检测到的探测材料的性能作为对照，并依据步骤(2)中获得的探测材料的性能获得探测材料从黑暗条件到不同可变光的波长和/或强度的条件下的整体气敏性能。
50.进一步的，步骤(1)包括如下步骤：
51.11、将所制备的探测材料调成糊状均匀涂覆于金叉指电极10表面，并进行烧结老化，将探测材料制备成平面探测器；
52.12、将涂有敏感材料的金叉指电极10紧贴电子控温加热器11放置，并在两端连接铂电极9；
53.13、将特制石英玻璃6置于气体检测腔室7上方密封，并用金属盖板遮挡玻璃孔，模拟常规无光环境；
54.14、打开对应待测气气源16钢瓶阀门以及对应减压阀17，通过工作站计算机18将控制命令传输至计算机控制与数据采集中控系统14完成升温控制和特定浓度待测气体传输，通常对某一气体敏感性测试只开启对应待测气体钢瓶与压缩空气钢瓶，在初始阶段，首先在电子控温加热器11达到设定温度后控制质量流量控制器与混气系统15只通入固定流量的空气，完成电阻基线测量；
55.15、在电阻基线稳定后，通过质量流量控制器与混气系统15将指定浓度的待测气体通入气体检测腔室7，将实验实时数据储存在工作站计算机18中，完成敏感材料对待测气体响应性测试；
56.16、通过重复步骤4～5，保持通入气体浓度不变，改变电子控温加热器11温度，完成探测材料对特定浓度待测气体最佳工作温度测试；
57.17、通过重复步骤4～5，保持电子控温加热器11在最佳工作温度，改变质量流量控制器与混气系统15通入待测气体的浓度，完成探测材料对待测气体测量范围以及敏感性能测试；
58.18、实验结束，关闭电子控温加热器11，持续通入空气直至气体检测腔室7内降为室温，关闭待测气气源16钢瓶、减压阀组17、质量流量控制器与混气系统15以及工作站计算机18。
59.进一步的，步骤(2)包括如下步骤：
60.21、将所制备的探测材料调成糊状均匀涂覆于金叉指电极10表面，并进行烧结老化，将探测材料制备成平面探测器；
61.22、将涂有敏感材料的金叉指电极10紧贴电子控温加热器11放置，并在两端连接铂电极9；
62.23、将特制石英玻璃6置于气体检测腔室7上方密封；
63.24、打开氙灯光源1、氙灯光源电流控制器5、单色仪3以及工作站计算机18，调整光学升降平台20高度至合适位置；
64.25、将辐照计8探头置于探测电极同等位置测量探测电极表面所受辐照强度，在工作站计算机18上设置目标光波长，调整氙灯光源电流控制器5电流强弱以及光学升降平台20高度直至辐照强度达到实验目标值；
65.26、打开对应待测气气源16钢瓶阀门以及对应减压阀17，通过工作站计算机18将控制命令传输至计算机控制与数据采集中控系统14完成升温控制和特定浓度待测气体传输，通常对某一气体敏感性测试只开启对应待测气体钢瓶与压缩空气钢瓶，在初始阶段，电子控温加热器11达到设定温度后控制质量流量控制器与混气系统15只通入固定流量的空气，完成光照下电阻基线测量；
66.27、在电阻基线稳定后，通过质量流量控制器与混气系统15将指定浓度的待测气体通入气体检测腔室7，将实验实时数据储存在工作站计算机18中，完成敏感材料对待测气体响应性测试；
67.28、通过重复步骤5～7，保持温度与辐照强度不变，改变单色仪3波长，可完成探测材料在指定温度下对特定光波长电学性能基线测量以及在该波长下对待测气体响应性测试；
68.29、通过重复步骤5～7，保持温度与光波长不变，改变氙灯光源电流控制器5电流强弱以及光学升降平台20高度，完成在指定温度下，探测材料在某一波长不同辐照强度下电学性能基线测量，以及不同光照强度对探测材料气体响应性影响测试；
69.210、通过重复步骤5～7，保持波长与辐照强度不变，改变电子控温加热器11温度，可完成光激发作用下探测材料最佳响应温度测试，以及光激发与热激发耦合作用对各待测气体响应性能测试；
70.211、实验结束，关闭电子控温加热器11、氙灯光源1、氙灯光源电流控制器5以及单色仪3，持续通入空气直至气体检测腔室7内降为室温，关闭待测气气源16钢瓶、减压阀组17、质量流量控制器与混气系统15以及工作站计算机18。
71.该试验方法以黑暗条件下检测到的探测材料的性能作为对照，并连续调整可见光的波长和/或强度而获得探测材料的性能从而得到探测材料从黑暗条件到不同可变光的波长和/或强度的条件下的整体气敏性能。
72.尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。