一种阵列固定传感器的旋转式高精度气体检测装置

1.本发明涉及一种阵列固定传感器的旋转式高精度气体检测装置。


背景技术：

2.在现代传感器领域，单个传感器在持续检测过程中，存在着响应疲劳老化的问题，也就是气体传感器敏感材料在持续接纳被测气体的冲击过程中所产生的敏感材料表面气体分子分布不均匀——部分位置敏感材料被测气体分子数量超出了该部分材料的容纳能力而导致的该部分敏感材料响应过度饱和、而另一部分位置敏感材料上的被测气体分子数量太少而导致的该部分敏感材料信号弱化，严重影响了传感器检测的精准度。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种阵列固定传感器的旋转式高精度气体检测装置，能够避免气体传感器在持续检测过程中的疲劳老化问题，提高气体传感器的检测精度。
4.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种阵列固定传感器的旋转式高精度气体检测装置，包括待测气体压力瓶，气体采样管和气体传感器，还包括圆盘形旋转底座，该圆盘形旋转底座的上端口设有底座盖，底座盖通过进气孔与气体采样管连接，气体采样管与待测气体压力瓶上的出气阀连接，圆盘形旋转底座的底部沿周向固定设置有多个所述气体传感器，各气体传感器的两条信号线与内导电环、外导电环的相应的导电片电连接，内导电环、外导电环的上方设有内环电刷和外环电刷，内环电刷和外环电刷的两根导线汇聚成线缆，所述线缆通过底座盖上的通孔与计算机信号输入口连接。
6.在所述气体采样管上设有用于调节进气量的气体稳压器。
7.所述底座盖通过止口与圆盘形旋转底座的上端口配合，在底座盖与圆盘形旋转底座的上端口之间设有滚珠。
8.圆盘形旋转底座的中部设有转轴，底座盖上部的轴承座内设有支撑转轴的轴承一和轴承二，转轴的上端部设有皮带轮，电机利用同步带通过驱动皮带轮以带动圆盘形旋转底座旋转。
9.多个所述气体传感器均布在所述底部构成气体传感器阵列，当圆盘形旋转底座旋转时，各所述气体传感器依次位于进气孔的正下方。
10.与现有技术相比本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，这种结构，多个传感器在持续检测过程中，气体传感器敏感材料在持续接纳待测气体的过程中，待测气体依次吹向各个气体传感器，待测气体与各个气体传感器之间是相对运动的，各个气体传感器的敏感材料表明气体分子分布均匀，不会出现“部分位置敏感材料被测气体分子数量超出了该部分材料的容纳能力而导致的该部分敏感材料响应过度饱和、而另一部分位置敏感材料上的被测气体分子数量太少而导致的该另一部分敏感材料信号弱化”，很好的克服了响应疲劳老化的技术难题，大大提高了气体传感器的检测精度。
11.进一步的有益效果是：当圆盘形旋转底座旋转时，各所述气体传感器依次位于进气孔的正下方，这种结构，进一步提高了各气体传感器敏感材料表明气体分子分布的均匀程度，更进一步提高了气体传感器的检测精度。
附图说明
12.图1是本发明阵列固定传感器的旋转式高精度气体检测装置的立体结构示意图；
13.图2是图1的剖视图；
14.图3是图1的拆分结构示意图；
15.图4是图1的a部放大示意图；
16.图5是本发明实施例的传感器信号响应示意图；
17.图6是本发明实施例的非线性调整分析模型震荡曲线示意图；
18.图7是本发明实施例的传感器特征值线性拟合示意图；
19.图8是本发明实施例的气体浓度线性判断模型示意图。
具体实施方式
20.为了使本发明的技术方案更加清晰，以下结合附图1至8，对本发明进行详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明的保护范围。
21.实施例1：
22.本发明是一种阵列固定传感器的旋转式高精度气体检测装置，包括待测气体压力瓶1，气体采样管2和气体传感器4，还包括圆盘形旋转底座3，该圆盘形旋转底座3的上端口设有底座盖7，底座盖7通过进气孔7-0与气体采样管2连接，气体采样管2与待测气体压力瓶1上的出气阀1-1连接，圆盘形旋转底座3的底部3-1沿周向固定设置有多个所述气体传感器4，各气体传感器4的两条信号线与内导电环、外导电环的相应的导电片电连接，内导电环、外导电环的上方设有内环电刷18和外环电刷19，内环电刷18和外环电刷19的两根导线汇聚成线缆5，所述线缆5通过底座盖7上的通孔3-2与计算机6信号输入口连接。
23.作为优选，在所述气体采样管2上设有用于调节进气量的气体稳压器11(当然，不采用气体稳压器11也是可以的，通过出气阀1-1也可以调节进气量；如果待测气体压力瓶1内的压力较小，也可以用气泵替代气体稳压器)。所述底座盖7通过止口与圆盘形旋转底座3的上端口配合，止口下端与圆盘形旋转底座3之间设有圆盘形旋转底座密封圈15，在底座盖7与圆盘形旋转底座3的上端口之间设有滚珠13。圆盘形旋转底座3的中部设有转轴12，底座盖7上部的轴承座内设有支撑转轴12的轴承一12-1和轴承二12-2，转轴12的上端部设有皮带轮12-3，电机9利用同步带10通过驱动皮带轮12-3以带动圆盘形旋转底座3旋转。转轴12与圆盘形旋转底座3之间设有转轴密封圈14。所述通孔3-2的上部设有通孔塞17，通孔塞17的下端设有通孔密封圈16，通孔密封圈16下方的通孔3-2处设有出气孔3-3，出气孔3-3可以通过排气管将流出的气体收集起来。
24.作为优选，多个所述气体传感器4均布在底部3-1构成气体传感器阵列，当圆盘形旋转底座3旋转时，各所述气体传感器4依次位于进气孔的正下方。作为优选，气体传感器4可以采用8个，其中气体传感器s1型号为tg-502b、敏感气体是硫化物，气体传感器s2型号为
tg-402b、敏感气体是可燃性气体，气体传感器s3型号为tg-102b、敏感气体是氨气，气体传感器s4型号为tg-302b、敏感气体是甲苯、二甲苯等，气体传感器s5型号为tg-802b、敏感气体是碳氢组分气体，气体传感器s6型号为tg-602b、敏感气体是甲烷、丙烷、丁烷，气体传感器s7型号为tg-2021b、敏感气体是丙烷、丁烷，气体传感器s8型号为tg-ch2o、敏感气体是氮氧化物。
25.实施例2：
26.本实施案例以硫化氢h2s气体检测为例，详细说明采用上述阵列固定传感器的旋转式高精度气体检测装置进行气体检测的方法。
27.步骤一：将盛装有硫化氢气体的待测气体压力瓶1在地面上放置好并进行固定，防止倾倒，气体采样管2一端与待测气体压力瓶1上的出气阀1-1连接，另一端与进气孔7-0连接；
28.上电开机，预热气体传感器18～25min，以确保每个气体传感器信号都处于初始位置；
29.步骤二：启动电机9，驱动圆盘形旋转底座3以β的角转速旋转，0.17rad/s≤β≤0.32rad/s；
30.步骤三：打开待测气体压力瓶1上的出气阀1-1，因待测气体压力瓶1内的硫化氢h2s气体具有一定气压，通过调节出气阀1-1，可以调节进入进气孔7-0的气量的大小，作为优选，还可以在气体采样管2上设有气体稳压器11，这样可以更好的控制进入进气孔7-0的流量(当然，如果待测气体压力瓶1内的压力较小，也可以用气泵替代气体稳压器)；待测硫化氢h2s气体依次经气体采样管2、进气孔7-0，最后从正上方依次吹向各气体传感器4，优选待测硫化氢h2s气体进入进气孔7-0的流量为1000sccm；
31.步骤四：从通入待测硫化氢h2s气体后开始计算，当圆盘形旋转底座3旋转完1圈后，计算机6开始储存气体传感器4所采集的检测信号，优选阵列具有n＝8个气体传感器4，即气体传感器s1型号为tg-502b、敏感气体是硫化物，气体传感器s2型号为tg-402b、敏感气体是可燃性气体，气体传感器s3型号为tg-102b、敏感气体是氨气，气体传感器s4型号为tg-302b、敏感气体是甲苯、二甲苯等，气体传感器s5型号为tg-802b、敏感气体是碳氢组分气体，气体传感器s6型号为tg-602b、敏感气体是甲烷、丙烷、丁烷，气体传感器s7型号为tg-2021b、敏感气体是丙烷、丁烷，气体传感器s8型号为tg-ch2o、敏感气体是氮氧化物，气体传感器4的响应信号为s1(t)、s2(t)，
……
，s8(t)；
32.步骤五：取所有气体传感器信号的平均值作为气体传感器信号调整基数，调整气体传感器信号的计算方法为sa＝si(t)-sv，8个气体传感器4调整后的气体传感器信号为sa1(t)、sa2(t)，
……
，sa8(t)；
33.步骤六：分别将调整后的气体传感器信号sa1(t)、sa2(t)，
……
，sa8(t)输入非线性调整分析模型：
34.35.其中，平衡框架冲击激励信号inp(t)为气体传感器信号，x为非线性调整分析模型的随动参数，m和n为实数，sin(ωt ζ)为输入信号的频率分量，频率ω＝2π，初始相位ζ＝1，负载激励信号的强度q＝0.5，实参数a＝4、b＝8，结构性基线调整系数ω＝0.5，
36.调整冲击激励信号的系数n，激励系统产生震荡，当x＝xi时，非线性调整分析模型产生状态翻转，此时，计算临界翻转状态的特征值sup：
[0037][0038]
步骤七：分别得到每个气体传感器的特征值sup1，sup2，
……
，sup8，然后对这8个值进行线性拟合得到z＝d
×
w g，取拟合直线斜率d的绝对值作为气体类型的判断值；取拟合直线与横坐标交点作为气体浓度的判断值。
[0039]
下表为传感器的响应特征数据：
[0040][0041]
采用上述方法的有益效果是：在目前的感知检测领域，传统传感器在连续多次重复检测过程中，存在着响应疲劳老化的问题，也就是气体传感器敏感材料在持续与被测气体的接触冲击中会引起敏感材料表面气体分子的不均匀分布——如果部分位置敏感材料上目标气体分子数量如果超出了该部分材料的容纳能力，那么该部分敏感材料就会产生过饱和响应；而另一部分位置敏感材料上由于被测气体分子数量太少，因而引起该区域敏感材料响应信号减弱。过饱和响应和弱响应，都严重制约了传感器的感知精准度。本发明的阵
列固定传感器的旋转式高精度气体检测装置，在检测样品气体(待检测气体)与传感器的相对旋转过程中，通过待检测气体气流与传感器周期性的间歇相接触的方式，降低气体传感器在持续检测过程中的疲劳老化问题，提高气体传感器的检测精度。相比较传统方法，周期性旋转接触的方法让每个传感器与被测气体接触的更加充分，克服了固定布局模式下传感器与进气孔的固化分布，而导致的结构上的气体检测盲区，有利于检测精度的提高。周期性的接触，传感器敏感材料与气体分子接触的更加充分，这是有利于检测的。
[0042]
本案中将传感器检测信号首先进行调整，然后输入到非线性调整分析模型中计算临界翻转状态的特征值sup，用于气体类型和浓度的表征。这样做的有益之处在于克服了气体检测过程中传感器检测信号的偶然性误差，在非线性调整分析模型中，通过调整冲击激励信号的系数n去激励系统进入震荡状态，此时非线性调整分析模型产生状态翻转，就可以计算临界翻转状态的特征值sup。在这个状态下，检测信号的偶然误差在这个过程中被消除，因此降低了偶然误差对于检测结果的影响，提高了检测的准确性。采用了本发明的方法之后，检测准确率可达82％，优于未采用本案方法的75％。