一种基于点阵式压电薄膜传感器的气体检测装置的制作方法

本实用新型涉及气体自动式检测技术领域，特别涉及一种能自动地检测特定空间中目标气体类别的基于点阵式压电薄膜传感器的气体检测装置。

背景技术：

气体传感器是用来检测气体的成分、类别和浓度的，并将被测信号转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。申请号为201410478481.7的中国实用新型专利提供了一种基于阵列式压电薄膜传感器的管道腐蚀监测装置，该管道腐蚀监测装置在功能上能够满足管道腐蚀监测，但其压电薄膜传感器采用阵列式结构构成，该阵列式结构很难将信号激励产生的超声波聚焦，且对于相关振幅和频率较小的信号容易产生误检。再者，专利号为CN203894167U的中国实用新型专利提供的拉曼光谱气体检测系统是通过设置两个拉曼气体分析装置及不同的光传感器组，可以使测试人员同时获取多的检测数据，虽然该拉曼光谱气体检测系统满足了复杂气体成分检测的需求，但是其尺寸较大，灵敏度和集成化程度较低。再如专利号为CN203083915U的中国实用新型专利公开了一种一氧化碳气体检测传感器,该一氧化碳气体检测传感器的检测精度高，工作稳定可靠，在矿井中一氧化碳浓度过高时报警，为煤矿安全生产种气体奠定基础；但应用范围具有一定的局限性。

技术实现要素：

鉴于以上内容，有必要提供一种基于点阵式压电薄膜传感器的气体检测装置，该气体检测装置通过采用点阵式结构的压电薄膜传感器来聚焦信号发生器产生的谐振波，放大信号发生器产生的振幅和频率，提高检测的准确性，且可应用于不同领域不同类别气体的检测，其灵敏度高，应用范围广。

为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于点阵式压电薄膜传感器的气体检测装置，包括点阵式压电薄膜传感器、信号发生器和信号采集分析处理模块，所述信号发生器和信号采集分析处理模块均与点阵式压电薄膜传感器连接，所述点阵式压电薄膜传感器具有至少一个气体通道，每个气体通道具有多个压电薄膜，所述多个压电薄膜整合排布在基底上以构成一个点阵式传感器组，所述压电薄膜采用声子晶体材料制成，且在其内表面涂抹有能够吸附待测气体的敏感材料。

进一步地，所述点阵式压电薄膜传感器上的气体通道设置数量超过一个时，所有的气体通道并排设置。

进一步地，同一气体通道内压电薄膜所涂抹的敏感材料为同一类型的敏感材料，且能够吸附同一种类型的待测气体；不同气体通道内压电薄膜所涂抹的敏感材料的类型不同。

进一步地，所述信号采集分析处理模块包括依次连接的激光振动仪、锁相放大器和波形数据分析软件，其中，所述激光振动仪连接点阵式压电薄膜传感器，所述波形数据分析软件采用LabVIEW软件。

进一步地，所述基于点阵式压电薄膜传感器的气体检测装置还包括储放有所述待测气体的待测气体罐，所述待测气体罐连接点阵式压电薄膜传感器以将所述待测气体通入气体通道内。

进一步地，所述基于点阵式压电薄膜传感器的气体检测装置还包括储放有氮气的氮气罐，所述氮气罐连接点阵式压电薄膜传感器，以将所述氮气通入气体通道内，所述氮气和待测气体错开通入气体通道内。

进一步地，所述基于点阵式压电薄膜传感器的气体检测装置还包括混合气室，所述混合气室分别连接点阵式压电薄膜传感器、待测气体罐和氮气罐，用以混合所述待测气体和氮气、并将混合得到的混合气体通入气体通道内；所述氮气罐和混合气室之间设置有第一流量控制器，所述氮气罐和点阵式压电薄膜传感器之间设置有第二流量控制器。

进一步地，所述混合气室上设置有可开合的混合排气孔。

进一步地，所述点阵式压电薄膜传感器上设置有可开合的气道排气孔，所述气道排气孔与点阵式压电薄膜传感器上所有的气体通道均连通。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型所提供的气体检测装置采用点阵式压电薄膜传感器进行检测，其中，压电薄膜传感器采用点阵式结构，以通过点阵式结构来提高所述气体检测装置的检测效率，同时提高所述气体检测装置应用的广泛性，而压电薄膜表面涂抹的敏感材料，可提高压电薄膜传感器检测的灵敏度及声波换能效率，此外，压电薄膜采用声子晶体制作，可使谐振波在压电薄膜内定向传播，且对谐振波具有调控聚焦的作用，从而使压电薄膜产生更大的振幅和频率，减少了电源损耗。

2、本实用新型所述气体检测装置还采用谐振波检测技术，以根据不同的幅频特性检测出待测气体所含的气体类别，提高了检测的准确性。

附图说明

图1是本实用新型一种基于点阵式压电薄膜传感器的气体检测装置的系统结构连接框图。

图2是点阵式压电薄膜传感器中点阵式传感器组排布的阵列图。

图3是单个点阵式传感器组中压电薄膜在气体通道内的局部排布图。

主要元件符号说明

图中：待测气体罐1、氮气罐2、混合气室3、混合排气孔31、第一流量控制器4、第二流量控制器5、信号发生器6、点阵式压电薄膜传感器7、气体通道71、点阵式传感器组72、压电薄膜721、气道排气孔73、激光振动仪8、锁相放大器9和波形数据分析软件10。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本实用新型。

具体实施方式

请参阅图1至图3，在本实用新型的一种较佳实施方式中，一种基于点阵式压电薄膜传感器7的气体检测装置，包括点阵式压电薄膜传感器7、信号发生器6和信号采集分析处理模块。

其中，所述点阵式压电薄膜传感器7具有至少一个气体通道71，每个气体通道71具有多个压电薄膜721，所述多个压电薄膜721整合排布在基底上以构成一个点阵式传感器组72，所述压电薄膜721采用声子晶体材料制成，且在其内表面涂抹有能够吸附待测气体的敏感材料。

所述信号发生器6连接所述点阵式压电薄膜传感器7，并向所述点阵式压电薄膜传感器7发出激励以使点阵式压电薄膜传感器7产生谐振波。

所述信号采集分析处理模块连接所述点阵式压电薄膜传感器7，用以获取所述点阵式压电薄膜传感器7因谐振波的产生而形成的电信号，并对所述电信号进行放大、滤波以及多通道扫查处理，后应用波形数据分析软件10获取谐振波的幅频特性曲线，以获知所述待测气体的信息。

本实用新型通过将压电薄膜传感器设置成点阵式结构来实现多个区域或者某一较大区域内的多点测量，从而使得压电薄膜传感器能够聚焦信号发生器6产生的谐振波，并放大信号发生器6产生的振幅和频率，提高了所述气体检测装置检测的准确性；再者，压电薄膜721采用声子晶体材料制作，其利用声子晶体所具有的带隙特性使得压电薄膜721内的谐振波定向传播，且朝着压电薄膜传感器测试敏感区域传播，即朝着敏感材料所在处传播，以使得待测气体中与敏感材料相适应的气体吸附在敏感材料上，从而使得压电薄膜传感器输出的电信号发生变化，该变化亦引起信号采集分析处理模块所获取的幅频特性曲线发生变化，因此，根据幅频特性曲线即可获知待测气体中是否含有与该气体通道71内敏感材料相适应的气体，即，能够分析出待测气体中含有的气体类别，而根据预先判定待测气体可能含有的类别、再根据该预先判定在压电薄膜721上涂抹相应的敏感材料即可检测出待测气体是否含有该类别的气体，所以，本实用新型通过改变压电薄膜721上敏感材料的类别即可使所述气体检测装置应用于不同的领域及检测不同类别的气体，其应用范围较广，实用性较好；此外，本实用新型在压电薄膜721上所使用的敏感材料能够吸附与其相适应的气体，提高了压电薄膜传感器检测的灵敏度和谐振波换能效率。

进一步地，本实用新型所述点阵式压电薄膜传感器7上的气体通道71设置数量不限于一个，以通过多个气体通道71的设置来检测具有多种气体类别的待测气体，而当点阵式压电薄膜传感器7上的气体通道71设置数量超过一个时，所有的气体通道71并排设置，以同时检测待测气体的多种类别。进一步地，同一气体通道71内压电薄膜721所涂抹的敏感材料为同一类别的敏感材料，且能够吸附同一种类别的待测气体；不同气体通道71内压电薄膜721所涂抹的敏感材料的类别不同。

进一步地，本实用新型所述所述信号采集分析处理模块负责将点阵式压电薄膜传感器7所产生的电信号放大、滤波，后应用相应的软件分析谐振波的振幅和传播时间，并得到相应的幅频特性曲线，而后根据分析所得幅频特性曲线即可计算出待测气体所含的气体类别，而根据幅频特性曲线所显示的振幅，还可以计算得出同一类别气体的浓度，因此，在本实用新型中，所述信号采集分析处理模块所获知的待测气体的信息包括待测气体所包含气体的类别及各气体相应的浓度。此外，在本实用新型中，所述信号采集分析处理模块具体包括依次连接的激光振动仪8、锁相放大器9和波形数据分析软件10，其中，所述激光振动仪8连接点阵式压电薄膜传感器7，以通过激光检测所述电信号的幅频特性，所述锁相放大器9将激光振动仪8所获取的幅频特性进行放大、滤波处理后向波形数据分析软件10传递信号，所述波形数据分析软件10采用LabVIEW软件，用以获取谐振波的幅频特性曲线，并根据所述幅频特性曲线获知待测气体的信息。

进一步地，本实用新型所述基于点阵式压电薄膜传感器7的气体检测装置还包括储放有所述待测气体的待测气体罐1、储放有氮气的氮气罐2及混合气室3。其中，所述待测气体罐1连接点阵式压电薄膜传感器7，以将所述待测气体通入气体通道71内。所述氮气罐2连接点阵式压电薄膜传感器7，以将所述氮气通入气体通道71内，所述氮气和待测气体错开通入气体通道71内，以利用常温下氮气化学性质的稳定性来排尽测试前所述气体检测装置内的其他气体，从而提高所述气体检测装置检测的准确性。所述混合气室3分别连接点阵式压电薄膜传感器7、待测气体罐1和氮气罐2，用以混合所述待测气体和氮气、并将混合得到的混合气体通入气体通道71内，以在利用氮气排尽气体通道71内的气体后再利用氮气将待测气体带入气体通道71内；优选地，所述氮气罐2和混合气室3之间设置有第一流量控制器4，所述氮气罐2和点阵式压电薄膜传感器7之间设置有第二流量控制器5，以通过第一流量控制器4和第二流量控制器5的设置来控制氮气通入气体通道71和混合气室3。进一步地，所述混合气室3上设置有可开合的混合排气孔31；所述点阵式压电薄膜传感器7上设置有可开合的气道排气孔73，所述气道排气孔73与点阵式压电薄膜传感器7上所有的气体通道71均连通。

本实用新型所述气体检测装置用于检测气体的类别与浓度，其检测测试过程如下：首先，将第一流量控制器4、第二流量控制器5、混合排气孔31和气道排气孔73打开，然后，氮气罐2将氮气通入点阵式压电薄膜传感器7的气体通道71和混合气室3内，待排尽所述气体检测装置内的其他气体后关闭氮气罐2、第一流量控制器4、混合排气孔31和气道排气孔73；接着，打开氮气罐2和待测气体罐1，氮气和待测气体在混合气室3内混合后输入点阵式压电薄膜传感器7中，同时，信号发生器6产生激励，该激励使气体通道71内产生谐振波，谐振波在压电薄膜721的作用下定向传播，并被引导至压电薄膜传感器中敏感材料所在处的敏感区域，而谐振波在压电薄膜721上、下电极间多次地来回反射，反射产生的反射波被点阵式压电薄膜传感器7探头接收形成电信号，点阵式压电薄膜传感器7将该电信号输出到信号采集分析处理模块中；信号采集分析处理模块中激光振动仪8发射激光检测电信号的幅频特性，后输至锁相放大器9中进行放大、滤波处理，所得到的信号由LabVIEW软件获取，LabVIEW软件再将该信号转换成与其成一定关系的信号输出，并得到相应的幅频特性曲线；最后，关闭待测气体罐1，打开第一流量控制器4、第二流量控制器5、混合排气孔31和气道排气孔73，氮气罐2将氮气充入点阵式压电薄膜传感器7和混合气室3中，排除点阵式压电薄膜传感器7和混合气室3中的残留气体，即完成检测测试。

在本实用新型中，每一气体通道71内压电薄膜721排布在柔性基底上，且排布规律可调，具体是根据被测对象的实际要求进行。

上述说明是针对本实用新型较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本实用新型的专利申请范围，凡本实用新型所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本实用新型所涵盖专利范围。