2稳压得到的1. 25V提供。信号调理电路将传感器的信号调理成1. 25~ 3. 75V的电压信号，来匹配模拟数字转换器的输入。AD620由高精度2K电位器RG来调节增 益，由它可调节整个传感器的量程。 阳03引数模转换电路采用ADS1210转换器。ADS1210为单一+5V供电，有内/外参考电压 和内部自校准系统。因使用ADS1210内部参考电压效果不理想，采用外部2. 5V参考电压， 由REF1004稳压提供。将ADS1210反相输入端连接至2. 5V参考电压，且将它的程控放大器 放大倍数设为4,将转化器输入电压范围设置成1. 25~3. 75V，与信号调理电路的输出电压 相匹配。ADS1210的系统时钟由微处理器输出时钟提供。图5为微处理器读写ADS1210程 序流程图。
[0034] 微处理器控制单元STC10F0拙E作为传感器系统的控制核屯、，负责AD转换值的采 集、数据处理，W及与上位机进行通信。STC10F08XE具有可编程时钟输出功能，如图3,时钟 输出化κουτ?(T1/P3. 4)为ADS1210提供系统时钟。图6为微处理器程序流程图。
[0035] 按照图7的系统框图设计检测系统的外围电路，模拟电路的供电采用ΜΑΧ666忍 化5V可编程微功率稳压器，输出5V电压。ΜΑΧ666的shutdown引脚可W由CMOS逻辑电平 来控制开启（<〇.3V)/关闭01.4V)电压输出V。。,。利用此功能可在睡眠模式中编程控制 MAX666的电压输出W降低功耗。MAX666还具有低电压监测功能，当引脚LBI的电位低于内 部参考电压1. 3V时，引脚LB0电平变低。通过对输入电压进行电阻分压可W设置任意参考 电压W上的电压为阔值，设置的电压阔值通过下式可W计算得出：
[0036]
[0037] 其中VeATT为期望的电压阔值，R9和R10为输入电压的分压电阻。数字电路中均为 逻辑电平，容错能力强，故电源要求低，所W采用最常用LM7805S端稳压器件输出5V。因系 统设置睡眠模式W降低功耗，故用IRLML6401，P型金属-氧化物-半导体场效应晶体管，作 为可控开关通过编程控制数模转换电路数字电源的通断。
[00測图8为便携式气体检测系统对5化pm浓度氨气的响应曲线图，可W发现传感器对 5化pm浓度氨气的响应值达到了 7. 2%，响应时间小于50s，恢复时间小于200s。
[0039]图9为便携式气体检测系统对不同浓度氨气的响应曲线图，随着氨气分子浓度的 增加，传感器的响应值逐渐增强，最低检测浓度可低至5(K)ppb。
[0040]W上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无 需创造性劳动就可W根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术 人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可W得到的 技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
【主权项】
1. 一种基于纳米复合材料的便携式气体检测系统，其特征在于，所述检测系统由气体 传感器和外围电路组成； 所述气体传感器包括基底、叉指电极和气敏涂层，所述叉指电极位于所述基底之上，所 述气敏涂层是指覆盖在所述叉指电极表面并能与目标气体进行反应的纳米复合材料； 所述外围电路包括： 信号调理电路：对所述气体传感器受所述目标气体浓度影响而产生的阻值变化信号进 行调理，使所述阻值变化信号转化为电压信号； 数模转换电路：将所述电压信号转化为数字信号，以便于后续的数据处理； 上位机：安装了操作系统的计算机，实现对所述检测系统的实时监控； 微处理器控制单元：负责数据采集、数据处理和人机交互，以及与所述上位机进行通 ?目； 电源：分为模拟电路电源和数字电路电源两部分，所述模拟电路电源和所述数字电路 电源分开供电，所述模拟电路电源用于所述信号调理电路和所述数模转换电路模拟部分 的供电，所述数字电路电源用于所述数模转换电路数字部分和所述微处理器控制单元的供 电。2. 根据权利要求1所述的一种基于纳米复合材料的便携式气体检测系统，其特征在 于，所述基底为硅基底、聚合物基底、陶瓷基底或蓝宝石基底之中的一种。3. 根据权利要求1所述的一种基于纳米复合材料的便携式气体检测系统，其特征在 于，所述叉指电极由微机械加工工艺得到，所述叉指电极的正负电极间距为300~800μπι， 相邻两个所述叉指电极间距为100~500μm。4. 根据权利要求1所述的一种基于纳米复合材料的便携式气体检测系统，其特征在 于，所述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，所述金属氧化物纳 米材料为氧化锌、二氧化锡、氧化亚铜、氧化铁、二氧化铈之中的一种，所述碳纳米材料为碳 纳米管、石墨烯、C60之中的一种。5. 根据权利要求4所述的一种基于纳米复合材料的便携式气体检测系统，其特征 在于，所述金属氧化物纳米材料与所述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。6. 根据权利要求1所述的一种基于纳米复合材料的便携式气体检测系统，其特征在 于，所述信号调理电路利用惠斯通电桥将所述气体传感器产生的所述阻值变化信号转化为 微电压量信号，所述微电压量信号再经放大电路调理成所述电压信号。7. 根据权利要求6所述的一种基于纳米复合材料的便携式气体检测系统，其特征在 于，所述放大电路采用仪表放大器，参考电压由稳压芯片提供。8. 根据权利要求1所述的一种基于纳米复合材料的便携式气体检测系统，其特征在 于，所述数模转换电路采用模拟数字转换器，所述模拟数字转换器的系统时钟由所述微处 理器控制单元提供。9. 根据权利要求1所述的一种基于纳米复合材料的便携式气体检测系统，其特征在 于，所述上位机利用监控系统设计软件来设计监控画面，所述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。
【专利摘要】本发明公开了一种基于纳米复合材料的便携式气体检测系统。本发明首先采用微机械加工方法在基底上加工制备叉指电极，在其表面覆盖一层纳米复合材料作为气敏涂层，组成气体传感器元器件，接着外接外围电路，包含电源、信号调理电路、数模转换电路、微处理器控制单元和上位机五个部分。气体传感器元器件与外围电路构成了可以用于检测气体的便携式检测系统。本发明所述传感系统结构简单，并具有高的灵敏度和低的检测限，可广泛用于室温下气体的检测报警。
【IPC分类】G01N27/12
【公开号】CN105403596
【申请号】CN201510717046
【发明人】杨志, 孙震, 汤雪辉, 王涛, 魏浩, 张亚非
【申请人】上海交通大学
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年10月28日