一种基于声表面波模式的天然气传感器及泄漏监测系统的制作方法

本发明属于传感器技术领域，涉及一种基于声表面波模式的天然气传感器及泄漏监测系统。

背景技术：

随着城市化进程的不断推进，越来越多的家庭选择天然气代替过去的煤气进行做饭、洗澡等。但是，由于人们对天然气泄漏的问题的不重视，也经常会出现天然气泄漏爆炸、人员窒息的死亡事件。对天然气进行实时监控能够保障人民生命财产的安全。而目前市面上的天然气监测装置体积较大，大多安装在厨房顶部或厨房墙壁四周等位置，同时由于厨房空间的狭小，往往当监测装置监测到天然气泄漏时，已经非常容易发生事故了，其仍存在较大的不稳定性。此外，市场上的检测装置都是有源有线装置，容易发生漏电，这将给安全带来极大的隐患。

因此，开发一种安全性好、安装便捷且监测精度高的天然气泄漏监测系统极具现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术体积较大且安全性不佳的缺陷，提供一种安全性好、安装便捷且监测精度高的天然气泄漏监测系统。本发明开发了一种基于声表面波模式的天然气传感器，传感器的输出叉指换能器采用折线形的金属电极，其聚焦能力强，聚焦处的敏感度高即显著提高了传感器的检测精度，同时传感器采用多组叉指换能器，其可获取多组数据，通过对多组数据进行分析，能够有效消除环境的干扰，提高传感器的抗干扰性能。本发明的传感器体积小，检测精度高，抗干扰性能强，应用前景好。本发明还基于以上传感器设计了一种天然气泄漏监测系统，在天然气管道接口处安装两传感器，一用于检测管道压力，一用于检测天然气是否泄漏，同时设有与传感器信号连接的信号接收装置，通过信号接收装置即可知晓天然气是否泄漏，并获取天然气压力。由于本发明的传感器体积小，本发明的天然气泄漏监测系统的检测装置直接安装在天然气管道，可实时对天然气进行监测，其反应速度快，安全性好。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于声表面波模式的天然气传感器，包括一块中心对称的压电材料基片及两组以上叉指换能器；

所述叉指换能器为延迟线型聚焦叉指换能器，每组叉指换能器包括一个输入叉指换能器和一个输出叉指换能器，且输入叉指换能器和输出叉指换能器分别固定于压电材料基片的两端，所述输出叉指换能器的金属电极为折线形，折线由两段相互连接的线段组成，折线向压电材料基片的对称中心开口；

各组叉指换能器的延迟路径中心位置重叠且与压电材料基片的对称中心重叠；

各组叉指换能器的延迟路径所在直线不重叠。

本发明的基于声表面波模式的天然气传感器，采用折线形的金属电极的叉指换能器会在压电材料基片的表面激发具有高强度和高波束宽度压缩比的声表面波，并且局限于小的局部区域，即聚焦中心周边的局部区域，其聚焦能力强，聚焦处的敏感度高即显著提高了传感器的检测精度，折线具体为两折线，一方面其加工难度低，成本低廉，另一方面，通过控制其开口方向即可控制其聚焦方向，通过控制折线的夹角还能调整传感器的检测精度，同时传感器采用多组叉指换能器，其可获取多组数据，通过对多组数据进行分析，能够有效消除环境的干扰，提高传感器的抗干扰性能。各组叉指换能器的延迟路径所在直线不重叠是指两组叉指换能器在压电材料基片上围成的形状为四边形，三组为六边形，四组为八边形，以此类推。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种基于声表面波模式的天然气传感器，所述输入叉指换能器的金属电极的形状与输出叉指换能器的金属电极相同；

各组叉指换能器中心对称，其对称中心与压电材料基片的对称中心重叠；

各组叉指换能器的延迟路径所在直线间的最小夹角为180°/n，n为叉指换能器的组数。本发明的输入叉指换能器的金属电极的形状并不仅限于此，其也可为常规的直线形等，但采用折线形的金属电极能够进一步提高聚焦能力即提高传感器的检测精度。各组叉指换能器在压电材料基片上的布置形式并不仅限于此，但中心对称布置能够在一块压电材料基片上通过混频电路的设计实现温度补偿，校正数据的目的。

如上所述的一种基于声表面波模式的天然气传感器，压电材料基片为方形。本发明的压电材料基片并不仅限于此，本领域技术人员可根据实际情况选择不同形状及尺寸的压电材料基片。

如上所述的一种基于声表面波模式的天然气传感器，所述折线的两线段的长度相等，压电材料基片的对称中心位于折线夹角的中线上。本发明的保护范围并不仅限于此，本发明仅以此为例。

如上所述的一种基于声表面波模式的天然气传感器，所述折线的夹角为120°，n为2。折线的夹角为120°时，本发明的天然气传感器的检测精度更高，本领域技术人员可根据实际需求(检测精度)设置折线的夹角。

如上所述的一种基于声表面波模式的天然气传感器，所述压电材料基片的对称中心处对压力的检测精度高，为0～0.2n。

如上所述的一种基于声表面波模式的天然气传感器，所述压电材料基片的中部覆盖有可以对甲烷进行选择性吸附的敏感性薄膜。当天然气泄漏时，覆盖的薄膜对天然气(主要成分为甲烷)进行吸附，薄膜吸附天然气后，达到传感器的信号触发条件(吸附过程改变了载流子从而导致声表面波振荡器振荡频率会发生变化)，传感器发送天然气泄漏信号。本领域技术人员也可根据实际需求设置不同薄膜以对其他气体(毒气)进行监控。敏感性薄膜具有可逆性，其对甲烷气体既具有吸附作用又具有解吸作用。吸附作用帮助监测燃气泄漏，解吸作用就是当浓度降低时，解吸甲烷，保证了敏感性薄膜的稳定性与可靠性。

如上所述的一种基于声表面波模式的天然气传感器，所述敏感性薄膜为圆形，其对称中心与压电材料基片的对称中心重叠。

本发明还提供一种基于如上所述的一种基于声表面波模式的天然气传感器的泄漏监测系统，包括传感器组件、密封保护罩、传感器保护罩、传力柱、信号接收装置和报警装置；

所述传感器组件包括用于测量天然气压力的天然气传感器i和用于检测天然气是否泄漏的天然气传感器ii，天然气传感器ii的压电材料基片覆盖有可以对甲烷进行选择性吸附的敏感性薄膜；

所述天然气传感器i和天然气传感器ii安装在天然气管道的连接处后由所述密闭保护罩包裹，所述天然气传感器i外还包裹所述传感器保护罩，天然气传感器i的压电材料基片的对称中心与传力柱连接，传感器保护罩的对应位置开有与传力柱匹配的开口，密闭保护罩内部近似真空，用于隔绝外界与天然气，避免天然气泄漏，传感器保护罩用于隔绝天然气与天然气传感器i，避免天然气泄漏后影响其检测性能；

所述信号接收装置与天然气传感器i、天然气传感器ii、报警装置通过信号连接。

本发明的天然气泄漏监测系统，采用两种天然气传感器，一用于测量天然气压力，另一个用于检测天然气是否泄漏，两者相互帮助，能够显著降低监测的失误率，能够检测微量天然气泄漏。传感器、信号接收装置及报警装置依次连接，报警装置接收到传感器信号后，发出警报，以提醒人们及时对泄漏进行处理。

作为优选的技术方案：

如上所述的泄漏监测系统，所述报警装置为蜂鸣器或指示灯。本发明的报警装置并不仅限于此，本领域技术人员可根据实际情况选择合适的设备。

发明机理：

本发明的基于声表面波模式的天然气传感器，其输出叉指换能器采用折线形的金属电极，输出叉指换能器会在压电材料基片的表面激发具有高强度和高波束宽度压缩比的声表面波，并且局限于小的局部区域，即聚焦中心周边的局部区域，其聚焦能力强，聚焦处的敏感度高即显著提高了传感器的检测精度，折线具体为两折线，一方面其加工难度低，成本低廉，另一方面，通过控制其开口方向即可控制其聚焦方向，通过控制折线的夹角还能调整传感器的检测精度，同时传感器采用多组叉指换能器，其可获取多组数据，通过对多组数据进行分析，能够有效消除环境的干扰，提高传感器的抗干扰性能。本发明的传感器体积小，检测精度高，抗干扰性能强，应用前景好。

本发明还基于以上传感器设计了一种天然气泄漏监测系统，在天然气管道接口处安装两传感器，一用于检测管道压力，一用于检测天然气是否泄漏，两者采集获得的数据能够相互校对，能够显著降低监测的失误率，能够检测微量天然气泄漏，同时设有与传感器信号连接的信号接收装置，通过信号接收装置即可知晓天然气是否泄漏，并获取天然气压力。由于本发明的传感器体积小，本发明的天然气泄漏监测系统的检测装置直接安装在天然气管道，可实时对天然气进行监测，其反应速度快，安全性好。

有益效果：

(1)本发明的基于声表面波模式的天然气传感器，其输出叉指换能器采用折线形的金属电极，其聚焦能力强，传感器的检测精度高；

(2)本发明的基于声表面波模式的天然气传感器，采用多组叉指换能器，其可获取多组数据，通过对多组数据进行分析，能够有效消除环境的干扰，抗干扰性能强；

(3)本发明的天然气泄漏监测系统，采用两种相互校对的传感器，监测的失误率低，反应速度快；

(4)本发明的天然气泄漏监测系统，传感器无线无源，安全性好，同时其成本低廉，极具市场前景。

附图说明

图1为本发明的实施例1所述的天然气传感器的俯视图；

图2为本发明的实施例2所述的天然气传感器的俯视图；

图3为本发明的泄漏监测系统的结构示意图；

其中，1-天然气管道i，2-密闭保护罩，3-传感器保护罩，4-传力柱，5-天然气传感器i，6-天然气管道接口，7-天然气管道ii，8-信号接收装置i，9-报警装置i，10-天然气传感器ii，11-信号接收装置ii，12-报警装置ii，13-压电材料基片，14-输出叉指换能器i，15-输出叉指换能器ii，16-输入叉指换能器ii，17-输入叉指换能器i，18-敏感性薄膜。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步阐述。

实施例1

一种基于声表面波模式的天然气传感器，如图1所示，包括一块方形的压电材料基片13及两组叉指换能器；

叉指换能器为延迟线型聚焦叉指换能器，每组叉指换能器包括一个输入叉指换能器和一个输出叉指换能器，且输入叉指换能器和输出叉指换能器分别固定于压电材料基片的两端，两组叉指换能器中心对称且对称中心与压电材料基片的对称中心重叠，两组叉指换能器的延迟路径所在直线相互垂直；

叉指换能器具体包括输出叉指换能器i14、输出叉指换能器ii15、输入叉指换能器ii16和输入叉指换能器i17，其中输出叉指换能器ii15和输入叉指换能器ii16组成一组输入输出延迟线型聚焦叉指换能器，其固定在图1所示的视角下的横轴方向，用于检测压力变化，输出叉指换能器i14和输入叉指换能器i17组成的叉指换能器组，固定在图1所示的视角下的纵轴方向，其获取数据用于与横轴方向获取数据进行比照，两者结果通过混频器取差频输出，构成双通道检测，起到补偿环境，减小干扰降低误差的作用；

输入叉指换能器的金属电极的形状与输出叉指换能器的金属电极相同，为折线形，折线由两段相互连接且长度相同的线段组成，折线向压电材料基片的对称中心开口，且压电材料基片的中心位于折线夹角的中线上，折线夹角为120°；

压电材料基片的对称中心处对压力的检测精度为0～0.2n。

经验证，本发明的基于声表面波模式的天然气传感器的检测精度高，抗干扰性能强，极具应用前景。

实施例2

一种基于声表面波模式的天然气传感器，如图2所示，其结构与实施例1基本相同，不同仅在于，其压电材料基片13的中部覆盖有可以对甲烷进行选择性吸附的敏感性薄膜18，敏感性薄膜为圆形，其对称中心与压电材料基片的对称中心重叠。

经验证，本发明的基于声表面波模式的天然气传感器的检测精度高，抗干扰性能强，极具应用前景。

实施例3

一种天然气泄漏监测系统，如图3所示，包括与实施例1相同的天然气传感器i5、与实施例2相同的天然气传感器ii10、密封保护罩2、传感器保护罩3、传力柱4、信号接收装置i8、信号接收装置ii11、报警装置i9和报警装置ii12；

天然气传感器i和天然气传感器ii安装在天然气管道i和天然气管道ii的接口处6，其由密闭保护罩2包裹，天然气传感器i外包裹有传感器保护罩3，天然气传感器i的压电材料基片的对称中心处连接有传力柱4，传感器保护罩3的对应位置开有与传力柱4匹配的开口；

信号接收装置i8、信号接收装置ii11与天然气传感器i5、天然气传感器ii10、报警装置i9、报警装置ii12通过信号连接，报警装置i和报警装置ii为蜂鸣器或指示灯。

本发明的天然气泄漏监测系统的信号传递过程如下：

当天然气管道接口发送天然气泄漏时，密闭保护罩内将会产生气体压力，并作用于传力柱，对其产生一个从传力柱到天然气传感器i延迟线中心方向的作用力f，这将导致谐振频率发生变化，该变化对压电材料基片产生影响，材料内部产生应变，，通过压电材料的非线性弹性行为，压力会使材料的弹性常数、密度等参数发生变化，导致声表面波传播速度的变化同时压力也会使传感器的结构尺寸发生变化，从而导致声表面波的波长发生变化，天然气传感器i将波长及传播速度改变信号发送至信号采集装置，信号采集装置再将信号传递至报警装置，报警装置发出报警信号，提醒有燃气泄漏。

天然气传感器ii信号的采集是依靠敏感性薄膜进行的，当天然气管道接发送天然气泄漏时，敏感性薄膜对天然气中主要成分甲烷进行吸附，吸附过程改变了载流子从而导致声表面波振荡器振荡频率会发生变化，天然气传感器ii将振荡频率改变信号发送至信号采集装置，信号采集装置再将信号传递至报警装置，报警装置发出报警信号，提醒有燃气泄漏。

信号采集装置可根据天然气传感器i和天然气传感器ii的采集的数据进行相互校对，降低监测系统的失误率低。

经验证，本发明的天然气泄漏监测系统，监测的失误率低，反应速度快，安全性好，极具应用前景。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅是举例说明，在不违背本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。