专利名称：一种稻田甲烷浓度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及农田信息采集领域，特别涉及一种基于热线型气敏元件的稻田甲烷浓度传感器。
背景技术：
随着工业化进程加速、人口增长、不合理的土地利用、大面积的森林砍伐、大量矿质燃料的燃烧等人为活动，使温室气体如二氧化碳、甲烷等排放量不断上升。温室气体引发的温室效应，将导致极端气候发生、粮食产量下降、生态系统发生变化、水资源更趋紧缺、森林大火等诸多威胁人类生存与发展的严重后果。甲烷是仅次于二氧化碳的重要温室气体，研究表明，甲烷具有比二氧化碳更强的温室效应，单位摩尔甲烷的辐射强度是二氧化碳的21倍。尽管甲烷浓度不足二氧化碳的 0. 5%，但对温室效应的贡献可达二氧化碳的1/3，对全球变暖的贡献可达15%以上。稻田是甲烷最重要的排放源之一，是大气圈甲烷浓度持续上升的重要影响因素。 稻田甲烷浓度检测最常用的方法是采用静态箱-气象色谱仪的方法。该方法使用一个无底的箱子罩住所测地表，每隔一段时间用针管抽取箱内空气样本，最后由气象色谱仪测定其甲烷浓度。该方法的不足之处在于，设备价格昂贵、测量过程容易受环境扰动和手动操作等影响、观测人员工作量大等。于1992年8月5日公开的公开号为CN1063362A的中国发明专利申请公开了一种稻田甲烷自动采集和分析系统，该方案中包括一套电路和气路控制系统，主要用于静态箱中气体的自动采集，其分析系统依然是气象色谱仪，但难以满足现代稻田信息采集快速、便捷和低成本等要求。基于气敏元件的甲烷浓度传感器目前尚未在稻田环境下得到应用研究，原因在于稻田甲烷浓度非常低，气敏元件响应小，且容易受温度等外界因素影响，信噪比较低，测量精度和稳定性均难以保证。
发明内容
针对上述现有稻田甲烷浓度检测技术的不足，本发明的目的是提供一种结构简单、操作简便且成本较低的稻田甲烷浓度传感器。本发明采用如下技术方案来实现上述目的本稻田甲烷浓度传感器，包括甲烷探头、温度探头、激励信号源、调理电路及传感器接口，激励信号源分别与甲烷探头和温度探头连接，调理电路分别与甲烷探头、温度探头和传感器接口连接；甲烷探头和温度探头由激励信号源驱动，驱动的响应信号经调理电路滤波、放大处理后，产生甲烷探头的输出电压 Vm、温度探头的输出电压vt、激励信号源的电压Vd以及零位电压Vtl ；所述电压Vm、Vt、Vd及Vtl 一同输出至传感器接口。所述甲烷探头为热线型气敏元件，热线型气敏元件由敏感电阻和补偿电阻构成， 其中补偿电阻与敏感电阻具有相同基准阻值。所述敏感电阻的敏感材料为二氧化锡。
上述稻田甲烷浓度传感器，还包括相互连接的数据采集模块和上位机；传感器接口通过电缆将所述电压Vm、Vt、Vd及Vtl传送至数据采集模块进行A/D转换，转换结果传送至上位机进行保存和显示。所述数据采集模块设有不少于4个与传感器接口连接的数据采集通道，且设有与上位机连接的COM或USB端口。所述调理电路包括相连接的低频滤波电路和放大电路。所述低频滤波电路为RC 电路。与现有技术相比，本发明具有如下优点1、传感器安装在静态箱内部顶端，静态箱设置了温度计插口和空气取样口，由气相色谱仪获得静态箱内的甲烷浓度，可对传感器测量结果进行标定。2、本发明传感器结构简单、操作简便、成本低廉和稳定可靠。
图1为本发明稻田甲烷浓度传感器结构图；其中1、传感器外壳；2、精密激励信号源；3、热线型甲烷探头；4、温度探头；5、调理电路；6、传感器接口 ；7、电缆；8、数据采集模块；9、上位机。图2为本发明稻田甲烷浓度传感器测量示意图；其中10、静态箱；11、电风扇；12、温度计插口及温度计；13、空气取样口及取样
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具体实施例方式以下结合附图和实施例，对本发明做进一步描述，但本发明的实施方式不限于此。本发明来自以下课题课题1，农产品产地环境信息感知技术与装备，国家863重大项目，2011AA100704，2011-2013 ；课题2，水稻-稻田环境系统重要信息的快速获取与解析研究，NSFC-广东联合基金，U0931001，2010-2013。本发明的稻田甲烷浓度传感器如图1所示，包括传感器外壳1，置于外壳1内部的甲烷探头3、温度探头4、精密激励信号源2、调理电路5及传感器接口 6，激励信号源2分别与甲烷探头3和温度探头4连接，调理电路5分别与甲烷探头3、温度探头4和传感器接口 6连接。甲烷探头3和温度探头4由精密激励信号源2驱动，驱动的响应信号经调理电路5 滤波、放大处理后，产生4路输出电压，分别为甲烷探头3的输出电压Vm、温度探头4的输出电压Vt、精密激励信号源2的电压Vd以及零位电压Vtl，4路输出电压由经传感器接口 6后由电缆7连接到数据采集模块8进行A/D转换，然后由COM或USB端口传送至上位机9进行保存和显示。其中甲烷探头输出Vm由Vt、Vd和Vtl进行零点校正和温度校正零点校正用于消除电缆传输损耗的影响；温度校正用于消除环境温度对甲烷探头3的影响，由专用温度芯片或具有温度效应的电子元件实现。甲烷探头3和温度探头4的探头部分置于外壳1外部，甲烷探头3和温度探头4 的连线部分置于外壳1内部，连接至精密激励信号源2和调理电路5。在本实施例中，甲烷探头3为热线型气敏元件，热线型气敏元件由敏感电阻和补偿电阻构成，其中补偿电阻与敏感电阻具有相同基准阻值，敏感电阻和补偿电阻分别作为惠更斯电桥的两个桥臂；敏感电阻的敏感材料为二氧化锡，其电阻值随着其周围甲烷浓度的变化而改变，从而使惠更斯电桥的输出电压发生改变。在本实施例中，调理电路5主要包括相连接的低频滤波电路和放大电路，低频滤波电路采用RC电路实现，放大电路可采用仪表放大器实现。精密激励信号源2为外部电源经专用电源芯片产生正、负直流电压，连接至甲烷探头3的输入端。数据采集模块8为专用或自制的数据采集器，具备不少于4个与传感器接口 6连接的数据采集通道，采用COM或USB端口将数据采集结果传送至上位机9。测量过程如图2所示，稻田甲烷浓度传感器安装在静态箱10内部顶端，静态箱10 下端开口且在测量过程中罩在所测量稻田地表上；静态箱10内部中间安装有电风扇，用来搅拌其中空气使之均勻；静态箱10顶部有空气取样口和温度计插口。稻田甲烷浓度传感器接通电源后一段时间(一般设为10分钟)为传感器预热阶段。测量过程中，每隔一定时间 (5或10分钟)读取温度计12的数值并由取样器13抽取静态箱10内一定体积空气，由气象色谱仪检测其中甲烷浓度以便对传感器测量结果进行标定。稻田甲烷浓度传感器输出校正过程如下(1)甲烷探头和温度探头输出的零点校正可由下列公式⑴和(2)表示，其中VdO 为激励信号源的理想电压值，为专用电源芯片的输出标称值(如3V)。Vffll = (Vffl-V0)* (Vd0/Vd)(1)Vtl = (Vt-V0)* (Vd0/Vd)(2)(2)甲烷探头的温度校正和零点偏移修正，如公式(3)所示。Vffll = Vffll-f (Vtl)-A V(3)其中，f (Vtl)为甲烷探头的温度特性函数，其获得方法是在实验室环境下，甲烷浓度被视为大气本底浓度且保持不变，传感器置于一个温度可调节空间(如烘箱)中，在特定温度下记录甲烷探头和温度探头输出结果，便可得到f (Vtl)函数。AVd为甲烷探头输出零点偏移，理想情况下ΔΥ = 0，在实际应用中，ΔΥ可由每次测量前一天的Vm输出变化获得。由取样器13得到的空气样本经气象色谱仪检测后的结果视为静态箱10内甲烷浓度真值，以此可建立稻田甲烷浓度传感器的预测方程，获得不同时刻静态箱10中的甲烷浓度；该预测方程的稳定性和可靠性可由交叉验证进行。根据预测得到的不同时刻的稻田甲烷浓度，便可进一步获得甲烷浓度随时间的变化函数，在已知静态箱10内几何尺寸情况下，便能求得稻田甲烷排放通量。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种稻田甲烷浓度传感器，其特征在于，包括甲烷探头、温度探头、激励信号源、调理电路及传感器接口，激励信号源分别与甲烷探头和温度探头连接，调理电路分别与甲烷探头、温度探头和传感器接口连接；甲烷探头和温度探头由激励信号源驱动，驱动的响应信号经调理电路滤波、放大处理后，产生甲烷探头的输出电压Vm、温度探头的输出电压vt、激励信号源的电压Vd以及零位电压Vtl ；所述电压Vm、V0 Vd及Vtl —同输出至传感器接口。
2.根据权利要求1所述的稻田甲烷浓度传感器，其特征在于所述甲烷探头为热线型气敏元件，热线型气敏元件由敏感电阻和补偿电阻构成，其中补偿电阻与敏感电阻具有相同基准阻值。
3.根据权利要求2所述的稻田甲烷浓度传感器，其特征在于所述敏感电阻的敏感材料为二氧化锡。
4.根据权利要求1所述的稻田甲烷浓度传感器，其特征在于还包括相互连接的数据采集模块和上位机；传感器接口通过电缆将所述电压Vm、Vt、Vd及Vtl传送至数据采集模块进行A/D转换，转换结果传送至上位机进行保存和显示。
5.根据权利要求4所述的稻田甲烷浓度传感器，其特征在于所述数据采集模块设有不少于4个与传感器接口连接的数据采集通道，且设有与上位机连接的COM或USB端口。
6.根据权利要求1所述的稻田甲烷浓度传感器，其特征在于所述调理电路包括相连接的低频滤波电路和放大电路。
7.根据权利要求6所述的稻田甲烷浓度传感器，其特征在于所述低频滤波电路为RC 电路。
全文摘要
本发明公开了一种稻田甲烷浓度传感器，包括甲烷探头、温度探头、激励信号源、调理电路及传感器接口，激励信号源分别与甲烷探头和温度探头连接，调理电路分别与甲烷探头、温度探头和传感器接口连接；甲烷探头和温度探头由激励信号源驱动，驱动的响应信号经调理电路滤波、放大处理后，产生甲烷探头的输出电压Vm、温度探头的输出电压Vt、激励信号源的电压Vd以及零位电压V0；所述电压Vm、Vt、Vd及V0一同输出至传感器接口。本发明结构简单、操作简便且成本低。
文档编号G01N27/04GK102288645SQ201110200030
公开日2011年12月21日 申请日期2011年7月18日 优先权日2011年7月18日
发明者周志艳, 曾庆猛, 罗锡文, 臧英 申请人:华南农业大学