多组分气体传感器的制作方法

本实用专利涉及气体传感器领域，特别涉及可同时检测多组分气体的传感器领域，具体是指一种多温度分时测量的多组分气体传感器及其气体检测方法。

背景技术：

气体传感器是一种将气体的成分、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置，可以将某种气体体积分数转化成为对应电信号。气体传感器对于不同的气体的响应曲线是传感器检测目标气体成分和浓度的基本依据，气体传感器输出受气体的成分和浓度两个关键参数影响，气体传感器对于不同的气体成分有着不同的曲线响应变化率，气体浓度是被测物理量，影响的是曲线变化的深度和幅度。如何使用一只传感器来检测多组分气体，成为当今气体传感器领域的一大热点。现今市面上有各种各样的气体传感器，应用也相当广泛。但是市场上的气体传感器只能测量单种类气体，对于多组分的气体需要多只气体传感器组合才能进行测量，相对于单只气体传感器能同时测量多组分气体来说，成本大大提高，传感器的体积也相对变得非常大。本实用专利针对这一难题，根据不同气体在不同的温度下对气体传感器不同的响应程度，采用了使用一只气体传感器在不同温度下分时测量多组分气体的检测方法，实现了单只传感器可以同时检测多种气体，极大地提高了该气体传感器的性价比和集成度及相对缩减了该气体传感器的体积。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用专利提供了一种体积小，集成化程度高，具有独特的降维算法的多组分气体检测及其气体检测方法。

本实用设计的一种多组分气体传感器，包括电控单元，电控单元上连接有加热单元、Pt10 加热器和金属氧化物敏感元件，加热单元与Pt10加热器连接，所述的金属氧化物敏感元件敷设在陶瓷加热基底上，而陶瓷加热基底与Pt10加热器贴合，且所述的金属敏感元件为多个。在这种结构中，是用Pt10作为加热器的主要部件，其作为热敏电阻可以通过其电阻值实时反馈其加热温度值，然后通过金属氧化物敏感元件检测被测气体的各种成分。

进一步的方案是，所述的Pt10加热器为薄膜型结构。所述的金属敏感元件的数量为3 个，所述的加热单元和电控单元由MCU及外围的PWM控制供电电路组成。

这种多组分气体传感器，其金属氧化物敏感元件必须工作在高温下才能进行精确的气体测量，其表面积越大、厚度越小对气体检测越灵敏，因此相应的Pt10加热器也设计薄膜型结构。而Pt10作为负载通电会产生热量，因此我们通过控制Pt10的通电时间来控制其加热温度，而Pt10本身作为温度敏感器件又能够实时检测其自身的温度即实时的阻值，从而反馈给加热控制电路形成闭环控制。

一种使用如上述多组分气体传感器的气体检测方法，通过控制Pt10加热器的温度使得不同的金属敏感元件对相应的气体做出对应的反应，然后从金属敏感元件上获得输出数据，并对得到的初始数据进行降维运算，提取特征信号，最终计算检测气体的种类及浓度。

进一步的方案是所述控制Pt10加热器的温度是分时段控制Pt10加热器的温度，即在一定时间内使得Pt10加热器保持在一个温度内，后续时段保持在其他温度内。

更进一步的方案是，所述的降维运算使用如下公式：

特征矩阵

其中X是传感器的矩阵，Xnn是特征矩阵的元素，根据金属敏感元件材料特性得到；

所述的特征提取使用如下公式：

降维提取

其中S1、S2、S3是三个金属敏感元件的读数，通过降维提取得到矩阵Y中的元素Ya、 Yb、Yc；

最终计算气体和浓度使用如下公式：

计算结果

其中K为标定系数，C为对应气体浓度。

与现有技术相比，本实用具有的有益效果为：

由于本实用采用单只气体传感器敷设多个金属敏感元件的结构，同时进一步的使用Pt10 作为加热和温控主要部件，大大缩小了传感器的体积和有效检测率，达到了单只传感器检测多种气体组分的效果，极大的降低了传感器的成本，传感器性价比有了很大的提升，传感器集成度大大提高，极大缩减了传感器的体积。另一方面，本实用还设计了特殊的降维计算规则，同时读取三个金属敏感元件的数据，并对其进行有效的处理，从而达到有效区分气体组分目的，具有气体选择性好，气体传感器领域具有很大的通用性和延展性，具有广泛的应用。

附图说明

图1是气体传感器Pt10加热器和金属氧化物金属敏感元件的结构示意图。

图2是气体传感器基本功能模块示意图。

图3是气体传感器多温度分时检测基本示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用实施例中的附图，对本实用实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

图1～3和以下说明描述了本实用的可选实施方式以指导本领域技术人员如何实施和再现本实用。为了指导本实用技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变形或者替换将在本实用的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本实用的多个变型。由此，本实用并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的同等物限定。

本实施例描述的多组分气体传感器，包括电控单元，电控单元上连接有加热单元、Pt10 加热器1和金属氧化物敏感元件3，加热单元与Pt10加热器1连接，所述的金属氧化物敏感元件3敷设在陶瓷加热基底2上，而陶瓷加热基底2与Pt10加热器1贴合，且所述的金属敏感元件3为3个。其中所述的Pt10加热器1为薄膜型结构。所述的加热单元和电控单元由MCU及外围的PWM控制供电电路组成。

使用如上述多组分气体传感器的气体检测方法，通过控制Pt10加热器的温度使得不同的金属敏感元件对相应的气体做出对应的反应，然后从金属敏感元件上获得输出数据，并对得到的初始数据进行降维运算，提取特征信号，最终计算检测气体的种类及浓度。

所述控制Pt10加热器的温度是分时段控制Pt10加热器的温度，即在一定时间内使得 Pt10加热器保持在一个温度内，后续时段保持在其他温度内。

所述的降维运算使用如下公式：

特征矩阵

其中X是传感器的矩阵，Xnn是特征矩阵的元素，根据金属敏感元件材料特性得到；

所述的特征提取使用如下公式：

降维提取

其中S1、S2、S3是三个金属敏感元件的读数，通过降维提取得到矩阵Y中的元素Ya、 Yb、Yc；

最终计算气体和浓度使用如下公式：

计算结果

其中K为标定系数，根据金属敏感元件的材料，电子设备的误差，对象气体的特性得到。 C为对应气体浓度。

工作时：所述的多温度分时检的多组分气体传感器检测方法是通过所述的电控单元中的 MCU输出PWM信号控制加热单元的外围供电电路，通过控制供电周期内的占空比，来给所述的Pt10加热器供电，所述的Pt10加热器本身是热敏电阻，它既能通电产生热量作为加热器，也能通过其电阻值反馈给所述的电控单元计算出现在所述的Pt10加热器的温度值。如图3 所示，通过所述的电控单元调整PWM输出比例供电时间来使得所述的Pt10加热器达到目标温度。而所述的Pt10加热器又作为所述的金属氧化物敏感元件的加热源，使得所述的金属氧化物敏感元件具备气体检测功能，其包含了三个不同的金属敏感元件，对于不同的气体会有不同的响应变化，每个金属敏感元件会有不同的电阻值变化，通过所述的电控单元采集三个金属敏感元件的电阻信号，得到三个测量值。然后以三个金属敏感元件为坐标轴在空间中建立三维坐标系，通过所述的多组分气体浓度计算模型，对气体传感器的海量输出信号进行降维，从中提取出特征信号，针对不同的气体计算最终获得结果。