一种超声体声波气体传感装置的结构的制作方法

本实用新型涉及超声应用领域，特别涉及一种超声体声波气体传感装置的结构。

背景技术：

在检测有毒有害和易燃易爆气体、挥发性有机化合物、极端环境下的特殊气体等气体时，气体传感器的应用至关重要。气体传感器在工农业生产、环保与安全、民用与医疗、防灾等各个生产领域和生活中发挥着越来越重要的作用。

目前商业化的气体传感器品种多样，性能各异，随着越来越严苛的气体检测标准的制定，对气体传感器的某些或综合性能提出了更高的要求，如气体传感器的传感响应、灵敏度、选择性、检测限及工作温度等。总体而言对于气体传感器提升其性能以满足越来越复杂的使用环境和越来越高的要求是不变的方向。

在过去的几十年里，以半导体氧化物为敏感材料的气体传感器的研究己经引起了科研工作者的高度重视，并成为研究热点。半导体氧化物气体传感器以其成本低、工艺成熟、敏感特性和稳定性良好以及与半导体工艺兼容等优点在气体检测方面应用最广泛。随着近二十年的科技发展，纳米技术、纳米材料、加热催化、UV催化等被用于半导体氧化物气体传感器性能提升，使半导体氧化物气体传感器得到很大的发展。

但上述技术的使用也受到了一定的限制，其制作的传感器的传感响应和灵敏度比较低，检测下限高。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种超声体声波气体传感装置的结构，该装置利用声场效应，通过施加超声，可将气体传感器的传感响应和灵敏度都提高，并且能大幅降低传感器检测下限，有效地提升了气体传感器性能；且适用性及可靠性强，兼容性好，可实现气体传感装置的便携式实时高灵敏度检测。

本实用新型所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。

一种超声体声波气体传感装置的结构，包括传感器、支撑板、超声换能器、隔声板、支撑座、箱体和进气孔；

所述传感器的上端固定有基座，所述传感器的基座固定在支撑板的下表面；

所述支撑板安装在箱体的侧壁的内表面；

所述超声换能器的辐射面与传感器的底面平行，所述超声换能器的端面固定在隔声板上；

所述隔声板固定在支撑座上，所述隔声板的下表面紧贴支撑座的上表面，支撑座固定在箱体的下壁的内表面；

所述箱体上还开设进气孔。

所述箱体为正方体结构，包括上下壁和侧壁，所述上下壁包括上下壁的内表面和外表面；所述侧壁包括侧壁的内表面和外表面。

所述超声换能器的上端为辐射面，下端为端面。

所述进气孔设置在没有安装连接板、支撑板或支撑座的上壁或侧壁上。

进一步的，还包括反射板和连接板；所述反射板上开设有通孔；所述传感器的底面镶嵌于反射板的通孔中；传感器的底面与反射板的下底面重合；所述连接板的一端与反射板固连，另一端设置在箱体的侧壁的内表面上。

进一步的，所述箱体的侧面设有多组腰形孔；所述支撑板和连接板通过腰形孔与箱体的侧壁活动连接。

所述传感器相对于箱体的下壁的内表面的垂直距离的改变可通过调节支撑板在腰形孔上的位置而实现；所述反射板相对于箱体的下壁的内表面的垂直距离的改变可通过调节连接板在腰形孔上的位置而实现；所述的超声换能器的辐射面与反射板的底面平行，从而获得均匀的空气层。

进一步的，所述反射板和超声换能器的辐射面之间的声场距离为0~2λ，λ=c/f，其中，λ为所述声场的波长，f为超声换能器的工作频率，所述工作频率范围为20 KHz ~1GHz，c为声速。

进一步的，所述反射板和超声换能器的辐射面之间的声场距离为0.5λ或1λ或1.5 λ或2λ。

进一步的，所述传感器为半导体气体传感器、催化燃烧式气体传感器、电化学气体传感器或固体电解质气体传感器；所述反射板为硬质材料。

所述的超声换能器可采用任何形式的超声换能器。

所述传感器、反射板、支撑板、连接板、超声换能器、隔声板、支撑座和箱体安置在箱体内部，在箱体内部设计了用于驱动超声换能器的驱动电路模块的安装位置，设计了用于放置传感器信号采集与读取系统及液晶显示模块的安装位置，以实现超声体声波气体传感装置的便携式实时高灵敏度检测。

本实用新型的工作原理是：

超声换能器在超声频率范围内工作，由此产生的超声振动在反射板和超声换能器的辐射面之间可形成声场及声流场；

利用声场效应，增加了单位时间内运动到传感层表面的气体分子的数量，进而综合提高了气体分子与传感材料的反应速率，增强了传感器的阻值变化幅度，从而能大幅降低气体传感器的检测下限，实现低浓度检测，同时将气体传感器的传感响应和灵敏度都提高；

通过调节支撑板和反射板在箱体的侧壁的位置，改变反射板和超声换能器的辐射面之间的声场距离，更换不同共振频率的超声换能器，改变换能器的驱动电压（改变换能器的振动速度），可实现对声场性能的调节，从而获得多种声场条件下的超声体声波气体传感。

工作前，首先调节声场距离，先根据超声换能器的工作频率f，计算声场的波长λ，调节支撑板和连接板上的连接孔在箱体的侧壁上的腰形孔中的位置，使传感器的底面与反射板底面平行，当反射板底面与超声换能器的辐射面平行且两者之间的声场距离为声场效果最佳距离，如0.5λ或1λ或1.5 λ或2λ时，此时将支撑板和连接板通过螺钉固连在箱体上；待调节好声场距离后，将传感器预热，当其输出值稳定后，超声换能器工作，一段时间后得到超声作用下的传感器输出值；工作时，目标气体通过进气孔进入箱体内，即可在超声辅助下完成气体传感。

本实用新型的有益效果是：

与现有的技术相比，本实用新型在不改变现有气体传感器结构的基础上，通过施加超声，可将气体传感器的传感响应和灵敏度提高，并且能大幅降低传感器检测下限，其结构简单，安装调试方便，可方便有效地提升气体传感器性能；进一步地，超声辅助方法对诸多类型的气体传感器都适用，适用性及可靠性强，且本发明可与其他气体传感器性能改进技术结合使用，兼容性好；并且可实现气体传感装置的便携式实时高灵敏度检测。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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它的附图。

图1为本实用新型的总体结构示意图。

其中：1-传感器、2-反射板、3-支撑板、4-连接板、5-超声换能器、6-隔声板、7-支撑座、8-箱体、9-进气孔。

具体实施方式

为了使本实用新型所实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本实用新型。

如图1所示，一种超声体声波气体传感装置的结构，包括传感器1、反射板2、支撑板3、连接板4、超声换能器5、隔声板6、支撑座7、箱体8和进气孔9。

其中箱体8的侧壁上开设了上下两组四个腰形孔，传感器1的上端固定有基座，传感器1的基座固定在支撑板3的下表面；

支撑板3与箱体8的上组两个腰形孔活动连接，传感器1相对于箱体8的下壁的内表面的垂直距离的改变可通过调节支撑板3在腰形孔上的位置而实现；

反射板2上开设了通孔，传感器1的底面镶嵌于反射板2的通孔，传感器1的底面与反射板2的底面重合；

连接板4的一端与反射板2固连，另一端设置在箱体8的侧壁的内表面上，反射板2相对于箱体8的下壁的内表面的垂直距离的改变可通过调节连接板4在腰形孔上的位置而实现；

超声换能器5的辐射面与反射板2的底面平行，从而获得均匀的空气层，超声换能器5的端面固定在隔声板6上；

隔声板6固定在支撑座7上，隔声板6的下表面紧贴支撑座7的上表面，支撑座7固定在箱体8的下壁的内表面；

为使气体进入箱体8内部，在箱体8上开设了多个进气孔9；

超声换能器5的振动可形成声场及声流场。

如图1所示，反射板2用于形成声场边界，其与超声换能器5的辐射面之间的垂直距离即为声场距离，也为空气层厚度，其声场距离可调节，调节范围为0~2λ，λ=c/f,其中，λ为所述声场的波长，f为超声换能器的工作频率，频率范围可为20 KHz ~1GHz， c为实验条件下的声速。

如图1所示，反射板2和超声换能器5的辐射面之间的声场距离优先调节至声场处于共振状态的声场效果最优位置，为0.5λ或1λ或1.5 λ或2λ。

如图1所示，超声换能器5用于形成声场及声流场，可采用任何形式的超声换能器；

传感器1可采用半导体气体传感器、催化燃烧式气体传感器、电化学气体传感器、固体电解质气体传感器；

为形成硬声场边界，反射板2为硬质材料。

如图1所示，传感器1、反射板2、支撑板3、连接板4、超声换能器5、隔声板6、支撑座7和箱体8都安置在箱体内部，在箱体内部设计了用于驱动超声换能器5的驱动电路模块的安装位置，设计了用于放置传感器1的信号采集与读取系统及液晶显示模块的安装位置，以实现系统集成，实现超声辅助型气体传感装置的便携式实时高灵敏度检测。

工作前，首先调节声场距离，先根据超声换能器5的工作频率f，计算声场的波长λ，调节支撑板3和连接板4上的连接孔在箱体8的侧面上的腰形孔中的位置，并且需保证传感器1的端部镶嵌于反射板2的通孔，其端面与反射板2的底部重合，当反射板2的底面与超声换能器1的辐射面平行且两者的声场距离为声场效果最佳距离，如0.5λ或1λ或1.5 λ或2λ时，此时将支撑板3和连接板4通过螺钉固连在箱体8上；

待调节好声场距离后，将传感器1预热，当其输出值稳定后，超声换能器5工作，一段时间后得到超声作用下的传感器1的输出值；

工作时，气体通过进气孔9进入箱体8内，即可在超声辅助下完成气体传感。

本实用新型利用超声体声波气体传感，其优势在于无需改变传感器现有结构，仅通过施加声场，利用声场效应，即可将气体传感器的传感响应和灵敏度都提高，并且能大幅降低传感器检测下限，其结构简单，安装调试方便，可方便有效地提升气体传感器性能。进一步地，超声辅助方法对诸多类型的气体传感器都适用，适用性及可靠性强，且本实用新型可与其他传感器性能改进技术结合使用，兼容性好。特别地，本实用新型中声场可调节，可实现多种声场条件下的超声辅助型气体传感，并且结合系统集成技术，可灵活布置各部件的安装位置，并且可实现气体传感装置的便携式实时高灵敏度检测。

实施案例1

实验操作环境温度为201°C，相对湿度为65%5%，传感器1为郑州炜盛电子科技有限公司的SnO2气体传感器（MQ-6），超声换能器5为海纳科技有限公司的朗之文换能器HNC-4AH-2560（共振频率为62.4KHz），工作频率f=62.4KHz，声场距离为0.5λ=2.78mm。当目标气体分别选取乙醇（CH3CH2OH）和丙酮（acetone），工作电压V=100伏(峰-峰值)时（换能器表面振动速度为270mm/s），施加超声后，当目标气体浓度为10~100ppm,传感器的传感响应都可增加一个数量级，而目标气体浓度为11ppm时，传感灵敏度可增加一个数量级，并且此时超声对传感灵敏度的增加可达到无超声时传感灵敏度的30倍。

实施案例2

实验操作环境温度为201°C，相对湿度为65%5%，传感器1为郑州炜盛电子科技有限公司的SnO2气体传感器（MQ-6），目标气体选取丙酮（acetone）,其浓度为10 ppm，超声换能器5分别选取海纳科技有限公司的朗之文换能器HNC-4AH-2560（共振频率为62.4KHz），工作频率f=62.4KHz；

HNC-8SS-2540（共振频率为40 KHz），工作频率f=40KHz；

HNC-8SH-4520（共振频率为21.5 KHz），工作频率f=21.5KHz。当声场距离都为0.5λ，换能器表面振动速度从0~700 mm/s变化时，传感器的传感响应都可大幅增加，尤其以工作频率f=62.4KHz时的增幅最大，并且在不同的工作频率下，都有随振动速度的增大，传感响应值越大的规律；

当声场距离为λ及1.5λ时，传感器电阻值的变化规律与声场距离为0.5λ时一致，并且在声场距离为λ和0.5λ时，传感器电阻值的变化幅值基本相等，而声场距离为0.5λ时，变化幅值略小。

实施案例3

实验操作环境温度为201°C，相对湿度为65%5%，传感器1分别选取郑州炜盛电子科技有限公司的气体传感器MQ-6（目标气体为正丁烷）、MQ-135（目标气体为丙酮）、2M010（目标气体为汽油），换能器5选取海纳科技有限公司的朗之文换能器HNC-4AH-2560（共振频率为62.4KHz），工作频率f=62.4KHz，声场距离为0.5λ=2.78mm，目标气体浓度都为10ppm，得到，当换能器表面振动速度从0~700 mm/s变化时，MQ-135及2M010的传感响应可分别增加21和27倍。

当声场参数（工作频率、振动速度、声场距离）变化，目标气体浓度变化，传感器类型变化时，超声体声波气体传感的效果也会发生变化，总体上超声辅助能大幅提高气体传感器的传感响应和灵敏度，尤其对低浓度目标气体下的传感响应和灵敏度有明显的增加效果。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本实用新型要求保护的范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。