本发明属于电子测量技术领域，涉及一种硫化氢的检测装置及方法，可用于硫化氢气体浓度的检测。
背景技术：
硫化氢是一种无色易燃的酸性气体，对人体有着严重的危害，能够破坏血红蛋白，抑制嗅觉神经。一般健康人群可接受的浓度在20～100ppb，而一旦大于250ppm便会致死。目前，牛皮纸浆厂，炼油厂，制药厂，下水处理厂，人造纤维厂等各类工厂都会排放硫化氢气体，致使硫化氢气体成为了一种常见的大气污染物。
目前，硫化氢气体检测装置依据其所应用的传感器类型可以分为：光谱式，电化学式和半导体电阻式。其中，光谱式是用氢氧化钠-丙三醇溶液吸收大气中硫化氢气体然后在溶液中加入荧光试剂，根据荧光强度的变化量求出大气中硫化氢的浓度，该类装置灵敏度高，但价格昂贵，响应时间长，不能实现硫化氢现场连续监测。电化学式一般包含工作电极、参比电极和对电极，其工作原理是：利用工作电极催化分解扩散进传感器内部的硫化氢气体，获得电子，电子流向对电极，形成电流回路，然后根据电流变化量求出硫化氢的浓度，该类装置能够实现硫化氢气体浓度的连续监测，但是存在响应时间长，残余电流较大且易受温度、PH值影响等诸多问题。
半导体电阻式硫化氢气体检测装置，是通过检测暴露在环境中的气敏半导体由于吸附硫化氢分子引起的电性能变化来检测硫化氢气体的浓度。当气敏半导体表面吸附有硫化氢分子时，其与硫化氢分子之间会发生电荷传递，从而改变气敏半导体的电性能，且其改变量与气敏半导体表面吸附的硫化氢分子数目成正比，从而能够通过测量气敏半导体电性能的变化量来实现环境中硫化氢气体浓度的检测。从中可以看出，该类装置的检测灵敏度与气敏半导体对硫化氢分子的吸附能力以及气敏半导体暴露在环境中的表面积大小有关，响应速度主要取决于气敏半导体的电性能改变速度，即取决于气敏半导体与硫化氢分子之间的电荷传递速率。例如申请公布号为CN 106645311 A，名称为“一种硫化氢在线检测装置”的专利申请，公开了一种硫化氢在线检测装置，该检测装置包括微处理器、与微处理器相连的数据采集装置、数据显示装置、用户终端和硫化氢气体传感器，其中，数据采集装置用于收集环境中的被检测气体并将气体传输至硫化氢气体传感器，然后硫化氢气体传感器在被测气体环境中产生检测信号，该检测信号经过微处理器处理后被显示在数据显示装置的屏幕上。该发明公布的硫化氢在线检测装置能够通过测量金属电极与二氧化锡薄膜的接触电阻变化量来检测硫化氢气体浓度，从而实时监测环境中的硫化氢气体浓度，且具有良好的灵敏度。但是由于该发明硫化氢传感器采用的是外面包裹有掺杂二氧化锡薄膜的金属电极，掺杂二氧化锡薄膜对硫化氢气体的吸附能力较弱，同时，这种传感器结构使掺杂二氧化锡薄膜暴露在环境中的表面积较小，从而导致该硫化氢检测装置的灵敏度低；并且掺杂二氧化锡薄膜内部的载流子迁移率较低，导致其与硫化氢分子之间电荷的传递速率较低，进而导致该硫化氢检测装置的响应速度较低。因此，设计制造具有较高灵敏度，较快响应速度的硫化氢气体检测装置显得尤为必要。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种硫化氢的检测装置及方法，用于提高检测的灵敏度和检测装置的响应速度。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种硫化氢的检测装置，包括电源1、传感单元2、信号调理单元3和控制单元4，其中：
所述电源1，用于给传感器2、信号调理单元3和控制单元4供电；
所述传感单元2，用于感知当前环境中硫化氢的气体浓度变化，产生模拟电压信号并输出；
所述信号调理单元3，包括低通滤波电路31、放大电路32和采样电路33；所述低通滤波电路31，用于对传感单元2输出的模拟电压信号进行滤波；所述放大电路32，用于对滤波后的模拟电压信号进行放大；所述采样电路33，用于在控制单元4的作用下，对放大后的模拟电压信号进行数字化采样并输出；
所述控制单元4，包括控制器41、报警器42和显示器43；所述控制器41，用于对采样电路33、报警器42和显示器43进行控制，并根据信号调理单元3输出的数字电压信号计算硫化氢的气体浓度值；所述报警器42，用于在硫化氢气体的浓度值超过警戒限时进行报警；所述显示器43，用于显示硫化氢的气体浓度值。
所述传感单元2，包括传感器21和电阻22；所述传感器21采用场效应管型传感器结构，包括气敏半导体板211、基板212、源极213、漏极214和栅极215；所述气敏半导体板211采用表面涂敷有金属氧化物纳米颗粒的磷烯半导体材料，其与基板212上下层叠；所述源极213和漏极214位于气敏半导体板211与基板212的夹层之间；所述栅极215沉积在基板212的底面；所述电阻22与漏极214相连，用于通过电源1将气敏半导体板211与漏极214和源极213之间的接触电阻变化转换为电压变化。
上述一种硫化氢检测装置，所述电源1，采用具有多个输出接口的直流稳压电源，且其与栅极215相连的输出端的电压值可调。
上述的一种硫化氢检测装置，所述传感器21，其中的基板212采用绝缘体材料，源极213和漏极214，采用良导体材料，栅极215采用导体材料。
一种硫化氢的检测方法，包括以下步骤：
(1)场效应管型传感器漏极端输出模拟电压初值信号U0：
待测环境之外的场效应管型传感器的源极端接地，在栅极端施加可变电压VGS，同时在漏极端通过与其连接的电阻Rref施加恒定正电压VDS，则漏极端与电阻Rref的连接端得到模拟电压初值信号U0并输出；
(2)信号调理单元对模拟电压初值信号U0进行处理，得到数字电压初值信号Ud0并输出：
(21)低通滤波电路对模拟电压初值信号U0进行滤波，得到不含高频噪声的模拟电压初值信号UL0；
(22)放大电路对模拟电压初值信号UL0进行A倍放大，得到放大后的模拟电压初值信号UA0；
(23)采样电路在控制器的作用下对模拟电压初值信号UA0进行数字化采样，得到数字电压初值信号Ud0并输出；
(3)控制器对数字电压初值信号Ud0进行存储；
(4)场效应管型传感器漏极端输出模拟电压信号U1：
待测环境中的场效应管型传感器的源极端接地，在栅极端施加可变电压VGS，同时在漏极端通过与其连接的电阻Rref施加恒定正电压VDS，则漏极端与电阻Rref的连接端得到模拟电压信号U1并输出；
(5)信号调理单元对模拟电压信号U1进行处理，得到数字电信号Ud1并输出：
(51)低通滤波电路对模拟电压信号U1进行滤波，得到不含高频噪声的模拟电压信号UL1；
(52)放大电路对模拟电压信号UL1进行A倍放大，得到放大后的模拟电压信号UA1；
(53)采样电路在控制器的作用下对模拟电压信号UA1进行数字化采样，得到数字电压信号Ud1并输出；
(6)控制器利用数字电压信号Ud1和步骤3)存储的数字电压初值信号Ud0，计算硫化氢分子在气敏半导体板表面的占据率θ；
(7)控制器根据占据率θ、待测环境的温度T和压强Pair，计算硫化氢气体浓度Cg；
(8)控制器判断Cg是否小于预先设置的硫化氢气体的参考浓度Cref，若是，控制器控制显示器显示当前硫化氢浓度值，否则，控制器控制显示器显示当前硫化氢浓度值，并控制报警器报警。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.本发明由于场效应管型传感器结构的气敏半导体板采用了表面涂敷有金属氧化物纳米颗粒的磷烯半导体材料，对硫化氢分子的吸附能力较强，且内部载流子迁移率较高，与现有技术相比，能够显著地提升硫化氢检测的灵敏度和响应速度。
2.本发明传感器采用的场效应管型传感器结构，具有较小的基底噪声和噪声系数，既能够改善传感器本身对检测灵敏度的干扰，同时还能够减小外界干扰在传感器输出信号中的噪声分量，提升了输出信号的信噪比，且气敏半导体板暴露在环境中的表面积较大，与现有技术相比，有助于进一步地提升硫化氢检测的灵敏度。
3.本发明由于在场效应管型传感器漏极端输出模拟电压信号时，将源极端接地，在栅极端施加了可变电压，同时在漏极端通过与其连接的电阻施加了恒定正电压，能够通过改变施加在栅极上的电压值调整场效应管型传感器的工作状态，使得传感器始终处于较好的工作状态，具有较高的检测灵敏度。
4.本发明由于在计算硫化氢气体浓度值时借助了硫化氢分子在气敏半导体板表面的占据率与未占据率的比值，而占据率又通过气敏半导体与金属电极的之间接触电阻的相对变化量计算得到，同时，还考虑了气敏半导体版表面对硫化氢气体的吸附势阱深度以及待测环境中的温度和压强的影响，与现有技术中利用接触电阻的相对变化量直接得到硫化氢气体浓度值相比，提升了硫化氢检测的灵敏度和准确度。
附图说明
图1是本发明检测装置的整体结构示意图；
图2是本发明检测装置传感单元的结构结构图；
图3是本发明检测方法的实现流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
参照图1，一种硫化氢的检测装置，包括电源1、传感单元2、信号调理单元3和控制单元4，其中：
所述电源1，用于给传感器2、信号调理单元3和控制单元4供电；采用具有多个输出接口的直流稳压电源，且其与栅极215相连的输出端的电压值可调。
在本实施例中采用了一个具有五个输出接口的直流稳压电源。其中，一个输出电压在-60V～+60V范围内可调的接口与传感器单元2中传感器21的栅极215相连，用于给栅极215施加电压，从而能够通过在-60V～+60V范围内改变输出电压调整传感器21的工作状态，进而调整整个装置的检测灵敏度和浓度检测范围；一个恒定输出+10mV电压的接口通过与其相连的电阻Rref与漏极214连接，从而将气敏半导体板与漏极和源极之间的接触电阻变化转换为模拟电压变化并从漏极输出；一个恒定输出+15V电压的接口与信号调理单元3的电源输入端连接，用于给信号调理单元供电，使其完成信号调理的任务；一个恒定输出+3.3V电压的接口与控制单元4中的控制器41连接，用于给控制器41供电，使其完成浓度计算和控制采样、报警和显示任务，一个恒定输出+5V电压的接口与控制单元4中的报警器42和显示器43连接，用于给报警器42和显示器43供电，使其分别完成报警和显示任务。
所述传感单元2，包括传感器21和电阻22；所述传感器21采用场效应管型传感器结构，包括气敏半导体板211、基板212、源极213、漏极214和栅极215；所述气敏半导体板211采用表面涂敷有金属氧化物纳米颗粒的磷烯半导体材料，其与基板212上下层叠；所述源极213和漏极214位于气敏半导体板211与基板212的夹层之间；所述栅极215沉积在基板212的底面；所述电阻22与漏极214相连，用于通过电源1将气敏半导体板211与漏极214和源极213之间的接触电阻变化转换为电压变化，便于后续处理和计算。传感器21，其中的气敏半导体板211采用表面涂敷有金属氧化物纳米颗粒的磷烯半导体材料，对硫化氢气体具有较强的吸附性，且具有较高的载流子迁移率，能够提升整个装置的检测灵敏度和响应速度；基板212采用绝缘体材料，源极213和漏极214，采用良导体材料，栅极215采用导体材料。
在本实施例中，气敏半导体板211采用表面涂敷有氧化铜纳米颗粒的磷烯半导体材料，基板212采用绝缘体材料二氧化硅，源极213和漏极214，采用良导体材料钛铂合金(Ti/Pt)，栅极215采用半导体材料硅。在本实施例中，场效应管型传感器的制造步骤如下：首先，磷烯半导体材料在一个充满氩气的盒子中利用机械脱落的方式从块状黑磷上获得，同时，用丙酮溶液清洗二氧化硅基板的表面，移除其表面附着的杂质分子；其次，将硅半导体沉积在二氧化硅基板的一侧侧面；接下来，在二氧化硅基板的另一侧面彼此独立地沉积两块钛铂合金(Ti/Pt)，分别作为漏极和源极；然后，借助一个支撑层将获得的磷烯半导体材料转移到漏极和源极上面，形成气敏半导体板；最后，氧化铜纳米颗粒被旋转涂覆在气敏半导体板上面，用于提升硫化氢检测的灵敏度，同时降低磷烯半导体材料的性能退化速度。
为了获得与硫化氢浓度相关的模拟电压信号，将场效应管型传感器的源极213接地，漏极214通过与之相连的电阻22连接在电源的+10mV输出接口上，栅极215与输出电压在-60V～+60V可调的电源接口连接。当施加在栅极上的电压变化时，场效应管型传感器的工作状态也会随之改变，从而实现整个装置的检测灵敏度和浓度检测范围可调。在本实施例中，设置施加在栅极上的电压为1V，使场效应管型传感器工作在放大区，从而使其输出与待测环境中的硫化氢浓度线性相关。由于磷烯半导体材料呈现P型半导体特性，当有硫化氢分子吸附在其表面时，会与硫化氢分子之间产生电荷传递，致使磷烯半导体与金属电极之间的接触电阻改变，最终导致传感器漏极端输出的电压随之改变，且变化程度与吸附的硫化氢分子数目线性相关，即与硫化氢浓度线性相关。
所述信号调理单元3，包括低通滤波电路31、放大电路32和采样电路33；低通滤波电路31，用于对传感单元2输出的模拟电压信号进行滤波；放大电路32，用于对滤波后的模拟电压信号进行放大；采样电路33，用于在控制单元4的作用下，对放大后的模拟电压信号进行数字化采样并输出。
在进行硫化氢气体检测时，由于传感器受到外界环境和电源输入的干扰以及自身基底噪声的影响，致使其输出中包含噪声信号，且与输出的有效信号相比，噪声信号的频率较高，且对有效信号的幅值影响较大，所以必须要对传感器输出的模拟电压信号进行低通滤波处理，滤除其中的高频噪声成分，提升信噪比，在本实施例中，低通滤波电路31由一个电阻和一个电容串联而成，电阻的一端连接在检测模块的输出接口上，另一端与电容的正极连接用于输出滤波之后的模拟电信号，电容的负极接地，从而使频率较低的有效信号流向后端电路，频率较高的噪声信号导向大地，从而得到不含高频噪声的模拟电压信号；然后，利用放大电路32对该模拟电信号进行放大处理，提升电压幅值，为了简化结构，在本实施例中，放大电路采用集成运算放大器搭建的同相放大器，集成运算放大器采用电源模块输出的+15V电压供电，其输出端连接在采样电路33的输入端上；由于后续要利用控制单元4中的控制器41进行硫化氢气体浓度的计算，而控制器41只能处理数字信号，不能直接处理模拟信号，所以要利用采样电路33对放大后的模拟电压信号进行数字化采样，将模拟信号转化为数字信号才能进行浓度计算，在本实施例中，采样12位ADC在控制器41的作用下对放大后的模拟电压信号进行数字化采样，得到数字电压信号并输出。
所述控制单元4，包括控制器41、报警器42和显示器43；控制器41，用于对采样电路33、报警器42和显示器43进行控制，并根据信号调理单元3输出的数字电压信号计算硫化氢的气体浓度值；所述报警器42，用于在硫化氢气体的浓度值超过警戒限时进行报警；所述显示器43，用于显示硫化氢的气体浓度值。
为了在满足控制需求前提下，尽可能地降低装置的整体功耗，在本实施例中，控制器采用MSP430低功耗单片机，其VCC端连接在输出为+3.3V的电源接口上，GND端接地；报警器采用蜂鸣器进行现场蜂鸣报警，其VCC端连接在输出为+5V的电源接口上，GND端接地，IO端口被MSP430的P1端口控制，即当MSP430计算得到一个大于参考浓度值的硫化氢浓度值时，P1端口将输出1KHz的方波信号控制蜂鸣器蜂鸣报警；显示器采用LCD1602进行现场显示，其在MSP430的控制下显示计算得到的硫化氢浓度值，由于MSP430输出的电压为+3.3V，会导致LCD1602在显示时出现不清晰或乱码的情况，所以在本实施例中，LCD1602的VCC端也需要输入+5V电压，GND端接地，从而使得浓度值被显示得更清晰。
参照图3，一种硫化氢的检测方法，包括以下步骤：
步骤1)场效应管型传感器漏极端输出模拟电压初值信号U0：
在待测环境之外，将场效应管型传感器的源极端接地，在栅极端施加在可变电压VGS，能够通过改变电压VGS，调整传感器的工作状态，进而调整整个装置的检测灵敏度和浓度范围，同时在漏极端通过与其连接的电阻Rref施加恒定正电压VDS，则漏极端与电阻Rref的连接端得到模拟电压初值信号U0并输出，实现了将气敏半导体板与漏极端和源极端之间的接触电阻变化转换为漏极端输出的电压变化，便于后续处理和计算。
步骤2)信号调理单元对模拟电压初值信号U0进行处理，得到数字电压初值信号Ud0并输出：
步骤21)低通滤波电路对模拟电压初值信号U0进行滤波，将模拟电压初值信号U0中由于环境干扰、电源输入和基底噪声引入的高频噪声部分滤除，得到不含高频噪声的模拟电压初值信号UL0；
步骤22)放大电路对模拟电压初值信号UL0进行A倍放大，得到放大后的模拟电压初值信号UA0；
步骤23)采样电路在控制器的作用下对模拟电压初值信号UA0进行数字化采样，得到数字电压初值信号Ud0并输出，便于后续控制器对其进行存储；
步骤3)控制器对数字电压初值信号Ud0进行存储；
步骤4)场效应管型传感器漏极端输出模拟电压信号U1：
在待测环境中，将场效应管型传感器的源极端接地，在栅极端施加可变电压VGS，同时在漏极端通过与其连接的电阻Rref施加恒定正电压VDS，则漏极端与电阻Rref的连接端得到模拟电压信号U1并输出。
步骤5)信号调理单元对模拟电压信号U1进行处理，得到数字电信号Ud1并输出：
步骤51)低通滤波电路对模拟电压信号U1进行滤波，将模拟电压信号U1中由于环境干扰、电源输入和传感器基底噪声引入的高频噪声部分滤除，得到不含高频噪声的模拟电压信号UL1；
步骤52)放大电路对模拟电压信号UL1进行A倍放大，得到放大后的模拟电压信号UA1；
步骤53)采样电路在控制器的作用下对模拟电压信号UA1进行数字化采样，得到数字电压信号Ud1并输出，便于后续控制器进行计算；
步骤6)控制器利用数字电压信号Ud1和步骤3)存储的数字电压初值信号Ud0，计算硫化氢分子在气敏半导体板表面的占据率θ，实现步骤为：
步骤61)控制器根据欧姆定律，计算气敏半导体与漏极端和源极端的初始接触电阻R0：
其中，Ud0为待测环境之外采样电路进行数字化采样得到的数字电压初值信号；A为放大电路的放大倍数；Rref为连接在电源和漏极端之间的电阻；VDS为电源通过电阻Rref在漏极端施加的恒定正电压；
步骤62)控制器根据欧姆定律，计算气敏半导体与漏极端和源极端的接触电阻R1：
其中，Ud1为待测环境中采样电路进行数字化采样得到的数字电压初值信号；A为放大电路的放大倍数；Rref为连接在电源和漏极端之间的电阻；VDS为电源通过电阻Rref在漏极端施加的恒定正电压；
步骤63)控制器根据步骤61)和步骤62)的计算结果，计算硫化氢分子在气敏半导体板表面的占据率θ：
其中，Ud0为待测环境之外采样电路进行数字化采样得到的数字电压初值信号；Ud1为待测环境中采样电路进行数字化采样得到的数字电压初值信号；A为放大电路的放大倍数；VDS为电源通过电阻Rref在漏极端施加的恒定正电压；
在本实施例中，硫化氢分子在气敏半导体板表面的占据率θ是指硫化氢分子吸附在气敏半导体板所占的面积与气敏半导体板暴露在环境中的总的表面积的比值，该值和气敏半导体板与金属电极之间的接触电阻变化量成正比，且与气敏半导体板表面吸附的硫化氢分子数目成正比，所以计算该值有利于得到待测环境中的硫化氢浓度值。
步骤7)控制器根据占据率θ、待测环境的温度T和压强Pair，计算硫化氢气体浓度Cg，其计算公式为：
其中，B为通过拟合得到的常数，De为场效应管型传感器气敏半导体板表面吸附硫化氢气体的势阱深度；
本实施例在计算硫化氢气体浓度值时借助了硫化氢分子在气敏半导体板表面的占据率与未占据率的比值，而占据率又通过气敏半导体与金属电极的之间接触电阻的相对变化量计算，同时，还考虑了气敏半导体版表面对硫化氢气体的吸附势阱深度以及待测环境中的温度和压强的影响，与现有技术中利用接触电阻的相对变化量直接得到硫化氢气体浓度值相比，提升了硫化氢检测的灵敏度和准确度。在本实施例中，常数B的值利用拟合得到，即先在硫化氢气体浓度已知的实验环境中，进行多次不同浓度的检测试验，将控制器计算的多个占据率θ和实验环境的硫化氢气体浓度值采用上述的浓度计算公式进行函数拟合，从而得到常数B的值。
步骤8)控制器判断Cg是否小于预先设置的硫化氢气体的参考浓度Cref，若是，控制器控制显示器显示当前环境的硫化氢浓度值，否则，控制器控制显示器现场当前环境的硫化氢浓度值，并控制报警器进行报警；
在本实施例中，显示器采用LCD进行现场显示，有利于现场人员实时了解当前环境中的硫化氢气体含量；报警器采用蜂鸣器现场蜂鸣报警，当控制器计算的浓度值Cg大于等于参考浓度Cref，蜂鸣器在控制器的控制下开始蜂鸣报警，这样的报警方式能够及时提醒相关人员该处硫化氢气体含量超标应迅速逃离，从而减少人员伤亡。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。