一种基于纳米复合材料的便携式气体检测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种气体检测领域的气体检测系统，具体设及一种基于纳米复合材料 的便携式气体检测系统。
【背景技术】
[0002] 气敏传感器是用来检测气体的成份和含量的传感器。随着纳米技术的发展，基于 纳米复合材料的气敏传感器已获得长足进展。其中各种金属氧化物半导体纳米材料和碳纳 米材料等都已经各自用来构建气敏传感器。然而单一的金属氧化物半导体纳米材料很难在 室溫下对气体产生响应，碳纳米材料在室溫下对于气体的响应效果则不甚理想。气体检测 系统可有效检测气体的浓度和类别，防止误入环境中的有害有毒气体造成伤害。其主要利 用气体传感器来检测环境中存在的气体种类。
【发明内容】
[0003]本发明针对现有技术上的不足，提供了一种基于纳米复合材料的便携式气体检测 系统，可在室溫下对气体进行远程实时监测，具有高的响应值和低的检测限。
[0004]本发明通过W下技术方案实现：
[0005] 一种基于纳米复合材料的便携式气体检测系统，由气体传感器和外围电路组成。
[0006]气体传感器包括基底、叉指电极和气敏涂层，叉指电极位于基底之上，气敏涂层是 指覆盖在叉指电极表面并能与目标气体进行反应的纳米复合材料。
[0007]优选地，基底为娃基底、聚合物基底、陶瓷基底或蓝宝石基底之中的一种。
[0008]优选地，叉指电极由微机械加工工艺得到，叉指电极的正负电极间距为300~ 800μm，相邻两个叉指电极间距为100~500μm。
[0009] 优选地，纳米复合材料由金属氧化物纳米材料与碳纳米材料复合而成，金属氧化 物纳米材料为氧化锋、二氧化锡、氧化亚铜、氧化铁、二氧化姉之中的一种，碳纳米材料为 碳纳米管、石墨締、C60之中的一种。金属氧化物纳米材料与碳纳米材料的质量百分比为 50:50、60:40、70:30、80:20 或 90:10 中的一种。
[0010] 外围电路包括W下五个部分：
[0011] 信号调理电路：对气体传感器受目标气体浓度影响而产生的阻值变化信号进行调 理，使阻值变化信号转化为电压信号。
[0012] 优选地，信号调理电路利用惠斯通电桥将气体传感器产生的阻值变化信号转化为 微电压量信号，微电压量信号再经放大电路调理成电压信号。放大电路采用仪表放大器，参 考电压由稳压忍片提供。
[0013]数模转换电路：将电压信号转化为数字信号，W便于后续的数据处理。
[0014]优选地，数模转换电路采用模拟数字转换器，模拟数字转换器的系统时钟由微处 理器控制单元提供。
[0015] 上位机：安装了操作系统的计算机，实现对检测系统的实时监控。计算机的串口 通过蓝牙收发装置与微处理器的串口相连接，遵循通用单片机通讯协议进行通信。
[0016] 优选地，上位机利用监控系统设计软件来设计监控画面。监控画面内含有历史趋 势曲线图、气体浓度实时显示、睡眠模式按钮、断电按钮、报警灯、调节报警上限的游标等。
[0017] 微处理器控制单元：负责数据采集、数据处理和人机交互，W及与上位机进行通 信。数据采集主要指数模转换值的采集。所采用的微处理器需具有可编程时钟输出功能。
[0018] 电源：分为模拟电路电源和数字电路电源两部分，模拟电路电源和数字电路电源 分开供电，模拟电路电源用于信号调理电路和数模转换电路模拟部分的供电，数字电路电 源用于数模转换电路数字部分和微处理器控制单元的供电。因为信号调理电路设及弱小信 号，所W对模拟电路的电源要求较高，电源的噪声干扰要尽可能的小。在此系统的电源设计 中，采用模拟电路和数字电路分开供电，W避免数字电路产生的噪声影响模拟电路。
[0019] 电源由电池作能源，配合稳压器输出所需的电压。为了实现远程断电，开关部分采 用了继电器自锁电路。
[0020] W下将结合附图对本发明的构思、具体实例及产生的技术效果作进一步说明，W 充分地了解本发明。提供运些说明的目的仅在于帮助解释本发明，不应当用来限制本发明 的权利要求的范围。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明一个较佳实施例制备的氧化锋纳米线-石墨締复合材料的低倍扫描 电镜照片。
[0022] 图2为本发明一个较佳实施例制备的氧化锋纳米线-石墨締复合材料的高倍扫描 电镜照片；
[0023]图3为本发明一个较佳实施例制备的便携式气体检测系统的气体传感器元器件 结构示意图；
[0024]图4为本发明一个较佳实施例制备的便携式气体检测系统的电路原理图；
[00巧]图5为本发明一个较佳实施例制备的便携式气体检测系统的微处理器读写ADS1210程序流程图；
[00%] 图6为本发明一个较佳实施例制备的便携式气体检测系统的微处理器程序流程 图；
[0027] 图7为本发明一个较佳实施例制备的便携式气体检测系统的系统框图；
[0028]图8为本发明一个较佳实施例制备的便携式气体检测系统在室溫下对50ppm浓度 氨气的响应曲线图；
[0029]图9为本发明一个较佳实施例制备的便携式气体检测系统在室溫下对不同浓度 氨气的响应曲线图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图对本发明的实施例做详细说明，本实施例在W本发明技术方案为前 提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下 述的实施例。
[0031] 分别将质量分数为0. 5g氧化锋纳米线，0.Ig聚乙締化咯烧酬与0. 5g的氧化石墨 締溶解于50ml的去离子水中，混合揽拌比，离屯、3次后置于真空烘箱内50°C干燥2地，得到 氧化锋纳米线-氧化石墨締复合材料。将得到的复合材料进行氣气保护下的退火热处理， 退火溫度为300°C，退火时间为30min，得到氧化锋纳米线-石墨締复合材料。WImg/L的 浓度将此复合材料的粉末加入到去离子水中，W40KHZ超声处理lOmin，使得复合材料均匀 分散在溶剂中，从而得到氧化锋纳米线-石墨締复合材料的分散液。取1μL复合材料分散 液滴到叉指电极表面，真空干燥比，从而得到气体传感器元器件。图1和图2为氧化锋纳米 线-石墨締复合材料的扫描电镜照片，图3为本发明的便携式气体检测系统的气体传感器 元器件示意图。
[0032] 图4为电路原理图，因传感器的理想工作电压在0. 05~0.IV附近，R7、R8分压电 阻均取100K。RW为5K电位器，用来调节平衡点。电桥由REF1004稳压得到的2. 5V参考电 压驱动，使电桥两检测点电位错在2. 5V附近。放大电路采用仪表放大器AD620。AD620的参 考电压由REF111