一种污水有害气体传感器和方法与流程

本申请涉及物联网技术领域，尤其涉及一种检测污水管线有害气体的传感器。

背景技术：

污水管线中，各种清水池、浓缩池、地下污水、污泥闸门井、不流动的污水池内以及消毒设施内都能产生或存在有害气体，分为有毒气体、腐蚀性气体和易燃易爆气体三大类。有毒气体是通过人的呼吸器官在人体内部对人体内部其它组织器官造成危害的气体，如硫化氢、一氧化碳等气体。腐蚀性气体一般有氨气、氯气、臭氧气体、二氧化氯气体等，对人体的呼吸系统起腐蚀作用产生毒害。易燃易爆气体通过与空气混合产生一定比例时遇明火引起燃烧、爆炸，如甲烷等。污水管线有害气体的浓度监测十分必要，在管井等部位加装有害气体浓度传感器，一旦管井中的有害气体浓度上升到一定阈值，传感器就进行报警。但是，通常采用的有害气体传感器都是有源的，采用电池供电，因此需要定期更换电池，十分不便，万一电池发生损坏，还会污染环境。现场处理故障人员容易受到有害气体伤害。

技术实现要素：

本申请提出一种污水有害气体传感器和方法，实现无源、无线地进行有害气体传感，解决电池供电维护不方便和电池损坏污染环境的问题，减少人员伤害。

本申请实施例提供一种污水有害气体传感器，包括输入叉指换能器、多个输出叉指换能器、多个敏感膜、压电基底；所述输入叉指换能器、多个输出叉指换能器、多个敏感膜都沉淀在所述压电基底；所述输出叉指换能器的数量和所述敏感膜的数量相同；所述输入叉指换能器实现电声转换，用于将输入无线脉冲转换为前向声波；所述多个敏感膜中的每一个，用于吸附一种有害气体分子，改变所述前向声波的波速，产生一个延迟声波；所述多个输出叉指换能器中的每一个，实现声电转换，用于接收所述前向声波和所述延迟声波，输出多个前向脉冲、多个延迟脉冲；所述多个输出叉指换能器的顺序为按照机电耦合系数依次减小；在所述前向声波作用范围内沿所述前向声波传播方向依次排列；沿垂直所述前向声波传播方向分布排列；所述多个敏感膜的顺序为对所述声波的衰减效应依次减小；在所述前向声波传播方向上，按照所述顺序，每一顺位的所述敏感膜分别位于所述输入叉指换能器和位于同一顺位的所述输出叉指换能器之间。

作为本发明进一步优化的一个实施例，所述多个输出叉指换能器包含第一输出叉指换能器、第二输出叉指换能器、第三输出叉指换能器、第四输出叉指换能器；所述多个敏感膜包含第一敏感膜、第二敏感膜、第三敏感膜、第四敏感膜；所述第一敏感膜吸附第一种有害气体分子，改变所述前向声波的波速，产生第一延迟声波；所述第二敏感膜吸附第二种有害气体分子，改变所述前向声波的波速，产生第二延迟声波；所述第三敏感膜吸附第三种有害气体分子，改变所述前向声波的波速，产生第三延迟声波；所述第四敏感膜吸附第四种有害气体分子，改变所述前向声波的波速，产生第四延迟声波；所述第一输出叉指换能器，用于接收所述前向声波和所述第一延迟声波，输出所述第一前向脉冲、第一延迟脉冲；所述第二输出叉指换能器，用于输出接收所述前向声波和所述第二延迟声波，输出所述第二前向脉冲、第二延迟脉冲；所述第三输出叉指换能器，用于接收所述前向声波和所述第三延迟声波，输出所述第三前向脉冲、第三延迟脉冲；所述第四输出叉指换能器，用于接收所述前向声波和所述第四延迟声波，输出所述第四前向脉冲、第四延迟脉冲。

进一步优选地，所述第一敏感膜为硅胶膜；所述第一输出叉指换能器为群组类单向叉指换能器；所述第二敏感膜为含笼形分子A的聚合物敏感膜；所述第二输出叉指换能器为电极宽度可控型叉指换能器；所述第三敏感膜为水合氧化铁膜；所述第三输出叉指换能器为悬浮电极单向叉指换能器；所述第四敏感膜为PU-1膜；所述第四输出叉指换能器为分布式声反射叉指换能器。

优选地，所述多个输出叉指换能器中的每一个，垂直所述前向声波传播方向的宽度不小于0.1mm；垂直所述前向声波传播方向的分布间距不小于0.05mm。

优选地，所述输入叉指换能器在垂直所述前向声波传播方向的宽度不小于n×0.15mm，其中n为输出叉指换能器的数量。

优选地，所述多个输出叉指换能器中机电耦合系数最大的一个，沿所述声波传播方向与所述输入叉指换能器之间的距离不小于4mm；其他输出叉指换能器沿所述前向声波传播方向与所述输入叉指换能器之间的距离依次增加量不少于0.5mm。

本申请实施例还提供一种污水有害气体传感方法，用于本发明任意一项污水有害气体传感器的实施例，包含以下步骤：

向所述污水有害气体传感器发出查询脉冲；

接收所述污水有害传感器发出的多个前向脉冲、多个延迟脉冲；

依次测量多个前向脉冲和多个延迟脉冲对应的时间间隔，根据每一个时间间隔的大小来计量一种有害气体的浓度。

本发明基于声表面波技术，设计出可对地下污水管线管井的有害气体浓度进行监测的传感器。本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：实现无源、无线地进行有害气体传感，坚固耐用、抗干扰能力强，可靠性高、寿命长；不需要使用电池；不需要人员现场维护，解决电池供电维护不方便和电池损坏污染环境的问题，减少人员伤害。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为现有技术的延迟线型声表面波器件；

图2为本发明污水有害气体传感器示意图；

图3为本发明污水有害气体传感器包含四个敏感膜的实施例示意图；

图4为本发明污水有害气体传感器信号图；

图5为污水有害气体传感方法流程图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本发明公开了一种基于声表面波技术的多型叉指换能器(interdigital transducer，IDT)的污水有害气体传感器，它主要包括四部分：压电基底、输入叉指换能器、输出叉指换能器和敏感膜。压电基底采用的是压电材料，机电耦合性能好。输入和输出叉指换能器由金属铝制成，用于激发和接收声表面波。敏感膜包括四种，分别采用对污水有害气体(氨气、一氧化碳、硫化氢、甲烷)敏感的材料制成。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为现有技术的延迟线型声表面波器件；声表面波(SAW)传感技术是一种无源的传感技术。通常分为延迟线型SAW器件是在压电基片表面制作两个叉指换能器，即图1中标识的输入IDT和输出IDT。叉指换能器就是像两只手的手指交叉状的金属图案，它的作用是实现声-电转换。SAW延迟型器件的工作原理是：输入叉指换能器利用逆压电效应把输入电信号变为声信号，声信号在基片的表面传播，最终由输出叉指换能器通过正压电效应把声信号变为电信号输出。输入、输出叉指换能器有单相单向叉指换能器、群组类单向叉指换能器、悬浮电极单向叉指换能器、分布式声反射叉指换能器、电极宽度可控型叉指换能器等；适合采用声表面波技术设计一款有害气体浓度传感标识器。

图2为本发明污水有害气体传感器示意图。本发明的污水有害气体传感器，包括输入叉指换能器1、多个输出叉指换能器31，32…，3n、多个敏感膜21，22…，2n、压电基底10；所述输入叉指换能器、多个输出叉指换能器、多个敏感膜都沉淀在所述压电基底；所述输出叉指换能器的数量和所述敏感膜的数量相同，都为n；所述输入叉指换能器实现电声转换，用于将输入无线脉冲转换为前向声波；所述多个敏感膜中的每一个，用于吸附一种有害气体分子，改变所述前向声波的波速，产生一个延迟声波；所述多个输出叉指换能器中的每一个，实现声电转换，用于接收所述前向声波和所述延迟声波，输出多个前向脉冲、多个延迟脉冲；所述多个输出叉指换能器的顺序为按照机电耦合系数依次减小；在所述前向声波的作用范围内沿所述前向声波传播方向(横向)依次排列；沿垂直所述前向声波传播方向(纵向)分布排列；所述多个敏感膜的顺序为对所述声波的衰减效应依次减小；在所述前向声波传播方向上，按照所述顺序，每一顺位的所述敏感膜分别位于所述输入叉指换能器和同一顺位的所述输出叉指换能器之间。

产生声表面波的原理是压电效应，进一步优选地，所述压电基底10采用压电材料制作而成，例如使用的压电材料是ST-X石英晶体。

所述输入叉指换能器1是镀在压电基底表面的声电转换装置，类似于手指交叉，其主要完成声表面波的激发和接收功能。

优选地，所述多个输出叉指换能器中的每一个，垂直所述声波传播方向的宽度D不小于0.1mm；垂直所述前向声波传播方向的分布间距D0不小于0.05mm。

优选地，所述输入叉指换能器在垂直所述前向声波传播方向的宽度H不小于n×0.15mm，其中n为输出叉指换能器的数量。

优选地，所述多个输出叉指换能器中机电耦合系数最大的一个，沿所述前向声波传播方向与所述输入叉指换能器之间的距离W1不小于4mm。优选地，其他输出叉指换能器沿所述前向声波传播方向与所述输入叉指换能器之间的距离依次增加量W0不少于0.5mm，即W2>W1+0.5；W3>W2+0.5；依次类推。

图3为本发明声表面波有害气体传感器包含四个敏感膜的实施例示意图。作为本发明进一步优化的一个实施例，所述多个输出叉指换能器包含第一输出叉指换能器31、第二输出叉指换能器32、第三输出叉指换能器33、第四输出叉指换能器34；所述多个敏感膜包含第一敏感膜21、第二敏感膜22、第三敏感膜23、第四敏感膜24；所述第一敏感膜吸附第一种有害气体分子，改变所述前向声波的波速，产生第一延迟声波；所述第二敏感膜吸附第二种有害气体分子，改变所述前向声波的波速，产生第二延迟声波；所述第三敏感膜吸附第三种有害气体分子，改变所述前向声波的波速，产生第三延迟声波；所述第四敏感膜吸附第四种有害气体分子，改变所述前向声波的波速，产生第四延迟声波；所述第一输出叉指换能器，用于接收所述前向声波和所述第一延迟声波，输出所述第一前向脉冲、第一延迟脉冲；所述第二输出叉指换能器，用于输出接收所述前向声波和所述第二延迟声波，输出所述第二前向脉冲、第二延迟脉冲；所述第三输出叉指换能器，用于接收所述前向声波和所述第三延迟声波，输出所述第三前向脉冲、第三延迟脉冲；所述第四输出叉指换能器，用于接收所述前向声波和所述第四延迟声波，输出所述第四前向脉冲、第四延迟脉冲。

例如，所述输入叉指换能器1类型采用单相单向叉指换能器，具有极高的激发效率耦合效率；其中心频率为920MHz；进一步优选地，所述第一敏感膜21为硅胶膜；所述第一输出叉指换能器31为群组类单向叉指换能器；所述第二敏感膜22为含笼形分子A的聚合物敏感膜；所述第二输出叉指换能器32为电极宽度可控型叉指换能器；所述第三敏感膜23为水合氧化铁膜；所述第三输出叉指换能器33为悬浮电极单向叉指换能器；所述第四敏感膜24为PU-1膜；所述第四输出叉指换能器34为分布式声反射叉指换能器。

例如，一种声表面波有害气体传感器包含一个输入叉指换能器，四个输出叉指换能器，五个叉指换能器都沉淀在同一个压电基底上，输入叉指换能器的纵向长度H为0.65mm，四个输出叉指换能器的纵向长度均为D＝0.1mm，从上到下依次排列，四个输出叉指换能器的纵向间距为D0＝0.05mm。

四种敏感膜对声表面波的衰减效应从高到低依次为硅胶模、含笼型分子A的聚合物敏感膜、水合氧化铁模、PU-1模，如果四个输出叉指换能器31、32、33、34到输入叉指换能器1的距离是相等的，输出的四个波形幅度将会不一致，将造成检测精度的降低。因此为了保证输出波形的幅度一致性，提高检测精度，共同采用两个技术手段，第一个技术手段是，四个输出叉指换能器31，32，33，34到输入叉指换能器1的距离设计为不同，分别为W1＝4mm、W2＝4.5mm、W3＝5mm、W4＝5.5mm。四种气体对应检测波形输出的先后顺序是氨气、甲烷、硫化氢和一氧化碳。第二个技术手段是，四个输出叉指换能器31，32，33，34选用的叉指换能器类型各不相同，分别是：群组类单向叉指换能器、电极宽度可控型叉指换能器、悬浮电极单向叉指换能器、分布式声反射叉指换能器，对应的机电耦合系数逐渐降低，群组类单向叉指换能器的机电耦合系数最高，分布式声反射叉指换能器的机电耦合系数最低。四种输出叉指换能器和检测的气体类型是一一对应的。

进一步需要说明的是，所述污水有害气体传感器和声表面波阅读器组成声表面波污水管线有害气体传感系统。所述传感器和所述阅读器之间是通过920MHz无线电磁波信号进行通信的，电磁波信号的收发是由天线完成的，本专利中的标识器天线采用920MHz棒状天线，其典型特点是高增益和高性价比。

图4为本发明声表面波有害气体传感器信号图。

通过输入叉指换能器1和输出叉指换能器31，可以计算出声表面波在压电基底上波速V₁。同理可由输入叉指换能器1和其他三个输出叉指换能器32、33、34计算出波速V₂、V₃、V₄，则声表面波压电基底上实际波速V为

实际波速V是计算四种有害气体浓度的重要参数，计算实际波速V的前提是输入叉指换能器1和四个输出叉指换能器31，32，33，34都沉淀在同一个压电基底上。

工作时，传感器接收阅读器发出的查询脉冲，通过输入叉指换能器的声电转换效应，产生声表面波在压电基底上往两侧传播。分布在两侧的四个输出叉指换能器分别接收到声表面波，通过压电效应产生脉冲电信号。在输入叉指换能器和四个输出叉指换能器之间敷设有四个敏感膜，分别对氨气、一氧化碳、硫化氢、甲烷敏感。以甲烷为例，选择的敏感膜对甲烷敏感，甲烷分子很容易附着在敏感膜上，这样会导致敏感膜质量增加。由于“质量效应”，敏感膜区域声表面波波速会下降，会产生一个延迟脉冲，与前向脉冲有个时间差。通过计算时间差就可以得到甲烷气体浓度。同理可得到氨气、一氧化碳、硫化氢的气体浓度。传感信息都是通过传感器天线发送给声表面波阅读器，由阅读器进行信号处理提取出传感信息。

实际测量时，声表面波阅读器会接收到一串回波信号，如图4所示，横坐标表示时间，纵坐标表示信号强度。11表示发射脉冲，12表示氨气前向脉冲，13表示氨气延迟脉冲，14表示甲烷前向脉冲，15表示甲烷延迟脉冲，16表示硫化氢前向脉冲，17表示硫化氢延迟脉冲，18表示一氧化碳前向脉冲，19表示一氧化碳延迟脉冲。以氨气为例，12氨气前向脉冲和13氨气延迟脉冲之间会有时间间隔△t1。在传感标识器吸收氨气之后，回波信号20和21之间的时间间隔△t1会变大，通过测量△t1就可以算出氨气的浓度，进而得到氨气浓度。其他三类气体的检测方法和以上方法类似。

图5为污水有害气体传感方法流程图。用于本发明任意一项污水有害气体传感器的实施例，包含以下步骤：

步骤101、向所述污水有害气体传感器发出查询脉冲；

步骤102、接收所述污水有害传感器发出的多个前向脉冲、多个延迟脉冲；

步骤103、依次测量多个前向脉冲和多个延迟脉冲的对应的时间间隔，根据每一个时间间隔的大小来计量一种有害气体的浓度。

具体地，当所述有害气体传感器包含4个敏感膜时，污水有害气体传感方法的步骤如下：

步骤201、向所述污水有害气体传感器发出查询脉冲；

步骤202、接收所述污水有害传感器发出的第一前向脉冲、第一延迟脉冲、第二前向脉冲、第二延迟脉冲、第三前向脉冲、第三延迟脉冲、第四前向脉冲、第四延迟脉冲；

步骤203、测量第一前向脉冲、第一延迟脉冲之间的时间间隔得出第一时间间隔；根据所述第一时间间隔大小来计量第一种有害气体(例如氨气)的浓度；

测量第二前向脉冲、第二延迟脉冲之间的时间间隔得出第二时间间隔；根据所述第二时间间隔大小来计量第二种有害气体(例如甲烷)的浓度；

测量第三前向脉冲、第三延迟脉冲之间的时间间隔得出第三时间间隔；根据所述第三时间间隔大小来计量第三种有害气体(例如硫化氢)的浓度；

测量第四前向脉冲、第四延迟脉冲之间的时间间隔得出第四时间间隔；根据所述第四时间间隔大小来计量第四种有害气体(例如一氧化碳)的浓度。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。