一种含栅电极的可调制光离子化传感器及其操作方法与流程

本申请涉及离子检测器领域，特别是涉及一种新颖的和改进型的含栅电极的可调制光离子化传感器及其操作方法。

背景技术：

在针对有机挥发物(VOC)的检测手段中，光离子(PID)检测技术由于其快捷方便的特点而被越来越广泛的应用。

目前通用的商业应用光离子化传感器的检测方式如下：当有气体进入光离子化传感器的电离室时，气体分子受到真空紫外灯发出的高能量光子轰击，如这种气体的电离能低于光子能量，就有可能被电离为离子和电子。电离室内由偏置电极和离子收集电极提供电场，在该电场的作用下，离子和电子被分离，并分别向相对低电位的离子收集电极和相对高电位偏置电极漂移。此时在离子收集电极就产生一个与被电离离子数目所关联的电流，检测这个电流的大小，便可计算出向对应的被测气体浓度。

传统的光离子化传感器采用两电极结构。在实际应用中，光源衰退、紫外窗口玷污、以及现场环境温湿度等因素的干扰均可能引起零点漂移和灵敏度衰减。因此，光离子化传感器在使用过程中必须要经常维护和标定，以使其可以保持其良好的检测性能。

通常光离子化传感器监测的VOC浓度均比较低，在ppm甚至ppb级别，所以传感器的零点漂移往往对低浓度VOC的测量准确性影响很大，所以在现场准确标定或调整零点对保持传感器特性显得非常重要。但是在现场环境中，VOC也是空气中本底气体之一，通常在通风良好的室内会有几十ppb左右的VOC，在某些工业现场则可能有高得多的VOC长期存在，这就要求做零点校准的时候需要额外给传感器提供去除了VOC的干净空气。

还有人采取在关闭紫外灯或者移除紫外灯的时候进行零点标定的方法，由于电路中元器件参数的偏移确实会造成不同传感器的零点有差异，采用此种办法进行的零点校正只是电路的物理零点。但是除了电路中元器件的参数差异导致传感器零点不一致外，紫外灯发出的高能量光子在电离室也会形成一定的背景散射信号，且随紫外光强度不同而不等，这同样也会使传感器零点产生不一致，因此物理零点与真实零点之间的读数总有一定的差异。一般在进行几十或者几百ppm较高浓度测量时，该方法才不至于引入太大的误差。

此外，光离子化传感器的输出信号往往有非常严重的非线性特征，其只在很低浓度范围内有相对狭窄的线性区域，在广大的较高浓度范围均呈现出严重的非线性现象，这使得将电流信号还原成气体浓度信号时会造成较大的偏差，这也是限制PID传感器广泛原因之一。

因此，希望能有一种改进型光离子化传感器，其可以有效克服/改善现有技术的上述不足。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种改进型的可调制光离子化传感器，其可以方便有效地进行零点调整，并可以获得改善的信号强度和线性度(尤其是对于较高浓度的测量范围而言)。

根据本发明的一个方面，提供一种光离子化传感器，包括设置在电离室内的电极结构，所述电极结构包括：偏置电极；离子收集电极；以及栅电极，其位于所述偏置电极和离子收集电极之间，且栅电极电位可调。

根据本发明的上述光离子化传感器，包括：偏置电极驱动电路，用于向所述偏置电极施加正电压；离子收集电极驱动及检测电路，用于向所述离子收集电极施加比所述偏置电极低的电压并检测离子信号强度；以及栅电极驱动电路，其能够设置所述栅电极电位为以下的其中一项：等于或接近离子收集电极电位；介于偏置电极与离子收集电极的电位之间；零电位或负电位。

根据本发明的上述光离子化传感器，其中所述栅电极的电位介于偏置电极与离子收集电极的电位之间时，改善所述光离子化传感器的输出信号的强度和线性度。

根据本发明的上述光离子化传感器，其中所述栅电极电位为零电位或负电位时收集电极处没有离子电离产生，从而得到光离子化传感器的零点读数。

根据本发明的上述光离子化传感器，其中所述偏置电极、离子收集电极和栅电极之间悬空，或用绝缘材料隔离。

根据本发明的上述光离子化传感器，其中所述偏置电极、离子收集电极和栅电极各自的形状为以下中的一种：筒状、针状、丝状、网状、圆片状，所述偏置电极、离子收集电极和栅电极各自由以下材料中的一种制成：金属材料、导电的非金属材料、表面有导电层的绝缘材料。

根据本发明的一个方面，提供一种光离子化传感器的操作方法，所述光离子化传感器包括设置在电离室内的偏置电极，离子收集电极，和所述偏置电极和所述离子收集电极之间的栅电极，所述方法包括：对所述偏置电极施加正电位；对所述离子收集电极施加比所述偏置电极低的电压；以及对所述栅电极施加可变电位以调制所述电离室内部的电场。

根据本发明的上述操作方法，其中，通过在所述栅电极上施加介于偏置电极与离子收集电极之间的电位，改善所述光离子化传感器输出信号强度和线性度。

根据本发明的上述操作方法，其中，通过在所述栅电极上施加零电位或者负电位进行零点标定。

根据本发明的上述操作方法，其中，零点标定包括：确定在所述栅电极上施加零电位或者负电位时的读数；基于所述读数来校准零点。

附图说明

包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：

图1显示根据本申请的实施例的光离子化(PID)传感器的示意图。

图2显示根据本申请的实施例的PID传感器的剖面图。

图3示出一种现有技术中的PID传感器的电离室内部示意图。

图4示出一种根据本申请的实施例的PID传感器的电离室内部示意图。

图5示出同一PID传感器在不同栅极电压下对异丁烯的响应曲线。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

图1显示根据本申请的实施例的光离子化(PID)传感器的示意图。所示出的PID传感器100包括电离室101，真空紫外灯102和对应的紫外灯驱动电路103，还包括设置在电离室101中的特定电极结构。如所示，电极结构包括离子收集电极104(或简称为收集电极)、栅电极105和偏置电极106，这些电极分别由对应的离子吸收电极驱动及检测电路107、栅电极驱动电路108和偏置电极驱动电路109所驱动。

所述偏置电极106可为金属丝状或者带有孔的金属薄片或其它导电材料，其上可以施有较高的正电位以在电离室中产生一个指向收集电极104的偏置电场。

所述收集电极104可以是与偏置电极106相同也可以是不同形状的金属或者其它材料导体，其上可以施有较偏置电极低的电压，以便其与上述偏置电极106一起在电离室101内建立一个稳定的电场。

所述的栅电极105置于偏置电极106和收集电极104之间，也可以与偏置电极106或者收集电极104相同或者不同，其上可以施有在一定范围内可变的电压。根据需要改变其上所加载的电压，可以对偏置电极106和收集电极104之间的电场分布和电场强度进行调制。更具体而言，可以控制各电极之间的电位差来控制偏置电场的空间分布及强度，进而控制离子漂移方向及速度以达到调整收集电极104的离子电流的大小。

所述栅电极105的位置可以是位于偏置电极106和收集电极104的正中间，也可以偏向任一者。

在PID传感器的操作过程中，根据操作目的的不同，栅极电位可以是一个等于或者高于收集电极104电位的恒定或者可变电位；可以是等于或者低于收集电极104电位的恒定或者可变电位；或其他电位。

所述栅电极105的形状根据电离室101的结构需要可以是但不仅限于网状、圆筒或圆片状结构。

所述偏置电极106、栅电极105和收集电极104均由导电的金属、非金属材料或表面有导电层的绝缘材料组成。

所述电离室101中的各电极104-106之间可以是悬空，也可以以高绝缘材料如聚四氟乙烯隔离。

根据本发明的一个实施例，在工作状态中，偏置电极驱动电路109能够施加正电压到偏置电极106上，离子吸收电极驱动电路107能够施加低于偏置电极电压的一个电压到离子吸收电极104上，而栅电极驱动电路108能够施加在一定范围内可变的电压到栅电极105。

通过在PID中包括如上所述的电极结构104-106和对应的驱动电路107-109，本领域技术人员可以通过调整栅极电位，合理控制上述三组电极之间的电位差，从而达成至少以下目的：完全阻断离子向收集电极的漂移，从而使收集电极输出传感器的真实零点信号；根据经验合理调整栅极电位来改变传感器的输出信号大小及线性，以使传感器达到最佳应用状态。

图2显示根据本申请的实施例的PID传感器200的剖面图。PID传感器200包括和图1所示的配置一致的收集电极204、栅电极205和偏置电极206，以及紫外灯、设备外壳等其他部件/结构。

除图2中所示电极结构，本申请提到的结构形式中还可以插入额外电极或者拆分各电极结构，使之成为多于三电极的结构，同时也可改变电极形状，如桶状、针状等。更进一步，如本发明所述，各电极电位在一定的范围内可调，本专业技术人员可以根据本说明，调整个电极组之间的电位差来改变传感器的特性，以使之满足超高灵敏度或者较高浓度的测量。除非另有说明，更改或者插入不同机构，更改各电极的电位差或者施加先后电压的次序，但是无实质技术内容变更的情形，当视作本发明可事实的范畴。

图3示出一种现有技术中的PID传感器300的电离室内部示意图。在如图3所示的电离室301中，包括由离子收集电极304和偏置电极306构成的常规电极结构。如图3所示，携带VOC分子的气流进入电离室，在靠近紫外光子进入电离室的一侧被大量电离，VOC分子变成带正电的VOC离子和带负电的自由电子，即

VOC→VOC⁺+e

由于在偏置电极306上施有较高的正电压，以使电离室301内形成一个由偏置电极306指向离子收集电极304的一个电场，这个电场的存在，引起被紫外光子电离的VOC离子和激发出来的电子分离，并分别向吸引各自的电极漂移，即自由电子向偏置电极306漂移，而VOC离子沿着电场方向向收集电极304漂移(如上图所示)。

图4示出一种根据本申请的实施例的PID传感器400的电离室内部示意图。在如图4所示的电离室401中，包括由离子收集电极404、栅电极405和偏置电极406构成的新颖电极结构。

如前所述，图4所示的PID传感器400与PID传感器300的电离室结构的主要差异实引入了置于偏置电极与离子收集电极之间的栅电极，并通过在栅电极之间施加一定的电位用于调制电离室内部的电场分布甚至电场方向，从而可以调控离子收集电极的离子流。更具体而言，在图4所示的含有三电极结构的电离室401中，可根据需要在一定的范围内对施加在栅电极上的电位进行至少如下的调制：

调制方式一：栅电极405施加零电位或者负电位时，电离室401内的离子基本被其吸收，收集电极404处除了受紫外光线影响产生的背景散射外，没有离子电离产生，此时可以认为电离室401处于被夹断的过程中。

调制方式二：栅电极405施加与收集电极404等电位或者接近的电位，此时栅电极405上可以收集部分离子，可以用做信号检测。

调制方式三：栅电极405施加的电位介于偏置电极406的电位和收集电极404的电位之间的一个数值，此时栅电极404可以看作是一个加速电极，有利于减缓电离室内的离子堆积效应而降低了离子与电子的复合概率，从而在相同电离效率时增大离子收集电极404的离子电流。

零点标定

通过采取如上所述的PID传感器(100、200、400)和如上所述的适当操作，可以实现对PID传感器的零点标定。

具体而言，实际应用中，当仪器需要在正常空气中进行零点校准时，可以采用上述调制方式一来对栅电极施加恰当的电位来夹断电离室内离子向收集电极的漂移通道，此时即使没有清洁空气，只要现场没有较高浓度VOC存在(通常为ppm级别)时也可以进行零点标定。

根据本申请的PID传感器如在便携式测量仪器上应用，只要现场背景气体中VOC浓度不是很高，就可以方便的随时随地对仪器进行零点校准，不需要携带专用的清洁空气(零点空气)。

根据本申请的PID传感器如在现场固定安装的仪器上使用，可以实现VOC检测仪器的零点自修正功能。譬如，准确标定过的仪器在安装到现场应用后，随着时间的推移，紫外灯的衰退、传感器内部沾污等引起传感器的漂移在所难免，而零点的变化对较低浓度VOC的测量值得影响相对更大一些，采用本申请的技术方案，固定式仪器就可以在现场浓度值较低时随时或者定时通过夹断离子流的办法来检测仪器当时的真实零点数字，一方面可以随时监测仪器的零点漂移，另一方面也可通过一定的算法和判据与安装前准确标定的零点数值进行比较后决定何时进行零点的自动修正。

即便在使用洁净空气对仪器进行零点标定的情况下，本申请的PID传感器亦可通过上述的调制模式一来有效减少残余VOC分子对标定结果的干扰，这有利于提供不同仪器之间的一致性。

以下实验例显示了本申请PID传感器能够有效地进行零点标定。

实验例1a：

将真空紫外灯在驱动发光后，在偏置电极上施以80V正电压，离子收集电极施以2.5V电压，而栅电极施以2.5V正电压，传感器在干净空气中的零点信号为60mV，测得对10ppm异丁烯的信号输出为1850mV，对应分辨为1ppb，线性度为0.9998。

实验例1b：

将真空紫外灯在驱动发光后，在偏置电极上施以80V正电压，离子收集电极施以2.5V电压，而栅电极施以20V的负电压，测得对10ppm异丁烯的信号输出为45mV。

通过比较实验例1a和1b，可以看到，通过在栅电极上施加负电压，不仅完全截止了离子流，而且也部分降低了散射噪声，从而使其输出信号(45mV)低于在干净空气中的零点信号(60mV)。

改善信号强度和线性度

通过采取如上所述的PID传感器(100、200、400)和如上所述的适当操作，可以改善PID传感器在高浓度测量范围的信号强度和线性度。

实验例2：

将真空紫外灯驱动发光后，在偏置电极上施以80V正电压，离子收集电极施以2.5V电压，而栅电极分别施以2.5V和30V正电压，降低传感器放大倍数后测得对100、1000、3000ppm、5000ppm、7000ppm、10000ppm异丁烯的灵敏度。图5示出了和实验例2对应的，同一传感器不同栅极电压(2.5V和30V)下对异丁烯的响应曲线。从图5中可以看出，对应栅极电压的不同，传感器的输出信号强度和线性度也随之改变。通过在栅电极上施加比离子收集电极的电压(2.5V)更高的正电压(30V)，PID传感器的响应曲线在高浓度测量范围的信号强度和线性度得到实质性提高。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。