本发明属于气体检测技术领域，特别是涉及一种基于sno2基气敏传感器实现同性质气体浓度同时定量的方法。
背景技术：
t.seiyama于1962年研制成首只氧化物半导体气敏传感器元件；n.taguchi于1968年实现了sno2气敏传感器的商品化。随着人工智能、材料科学学科的发展，气体传感器也取得了长足的发展；在大气监测、有毒气体检测、汽车尾气的实时测定、爆炸物品的安全检查、航空航天、军事国防等方面越来越显示出气体传感器的重要作用。其中，sno2在气敏性能方面，主要通过多孔材料的制备、纳米结构材料的制备、薄膜的制备、负载贵金属和掺杂氧化物等方法实现了响应值的提高及响应-恢复时间的缩短；同时，sno2基传感器具有制作成本低、工艺流程简单等特点，被广泛应用于还原性气体和有毒气体的检测。然而，sno2基气敏传感器存在的最大问题是对目标气体选择性较差。在某一特定环境下，经常两种或多种有害气体同时存在，该类传感器的响应值是几种混合气体的综合体现，故无法对混合气体中的各组分或单一组分准确定量。这也是制约这种传感器发展的一个瓶颈。国内外学者提高对目标气体的选择性，归纳为以下五大类型：
1)最佳工作温度的选择：基于传感器对气体的吸附随温度的升高降低而活化气体分子随温度的升高而增多之间的矛盾，传感器对气体的响应值随温度出现“钟形曲线”分布特征，但不同气体对应的曲线顶点出现在不同的温度，从而可以用于提高材料对目标气体的选择性。例如，w.j.moon等通过cuo涂覆在sno2-zno表面，制备传感器材料；该传感器200℃工作时，对co的选择性为6；在350℃工作时，对h2的选择性为4，这是大家普遍采用的方法。
2)温度调制法：基于传感器材料对不同气体的响应值及吸附脱附速率不同，通过施加周期性的按正弦函数曲线变化的温度，不同气体的响应值曲线会出现不同的形状。因此，可以通过形状来区分气体。例如，j.r.huang利用温度调制的方法，实现了对co和ch4同时存在时的区分。该方法的定量必须依赖于图形显示将两种气体辨别出来。然而，当混合气体同时出现时，该类传感器对混合气体的响应曲线极其复杂，从而无法对其中的某一种气体定量。
3)过滤层法：基于过滤层中的活性物质或催化剂可以选择性的与干扰气体发生化学反应，从而可以实现对目标气体的选择性检测。例如，a.cabot等在sno2敏感层上方加pt或pd负载的介孔氧化硅作为催化层，co和ch4同时存在时，催化层选择性的氧化co分子，从而提高了对ch4的选择性。然而，由于气体在过滤层的扩散需要一定时间，材料对气体的响应时间和恢复时间变长。
4)制备工艺与粒径控制法：基于提出的晶粒尺寸效应，当sno2的粒径越接近6nm时(sno2的德拜长度大约为3nm)，材料电导由晶粒间的颈部控制，对气体的响应值高；而不同气体对材料的耗尽层不相同，从而体现出了对目标气体的选择性差异。因此，不同制备工艺制备出粒径接近德拜长度的纳米材料在一定程度上可以提高对目标气体的选择性和响应值。例如，t.samerjai等通过火焰喷雾法制备了pt负载的wo3敏感层；在co、c2h4和c2h5oh为干扰气体，当pt含量为1wt％时，材料在150℃工作对h2有较好的选择性。
5)元素的掺杂或负载法：一般情况下，元素的负载或掺杂均会引起材料晶粒细化，因此，该类方法对选择性的影响应考虑的因素应包括颗粒大小的影响。h.j.kim通过溶剂热法制备了cr掺杂的nio材料，发现cr掺杂可以明显提高对甲基的选择性响应。
上述几种方法的共同特点是，提高了对目标气体的选择性。但是，当两种气体同时存在时，单独一种传感器响应值是对两种气体响应的综合体现；故无法得出两种气体各自的浓度。
技术实现要素：
为了解决现有技术的不足，本发明通过两种同性质气体之间相互作用规律及机理，得出对应的两种传感器对目标气体的选择性值，结合两种传感器响应值与气体浓度建立方程组的思想，解析出最终的两种气体的各自浓度，从而实现同性质气体浓度的同时定量。
本发明的目的是提供一种基于sno2基气敏传感器实现同性质气体浓度同时定量的方法，具体过程如下：
s1：通过sno2基气敏传感器对相同浓度的第一气体和第二气体分别进行检测，得到各自响应值，第一气体的响应值和第二气体的响应值之比即为第二气体存在时对第一气体的选择性值，记为ss1/s2；第二气体的响应值和第一气体的响应值之比即为第一气体存在时对第二气体的选择性值，记为ss2/s1；
s2：对单一的第一气体，采用第一气体气敏传感器测定第一气体的响应值rs1，第一气体的响应值与浓度的关系如式(1)所示，通过式(1)确定第一气体的浓度cs1；
将式(1)进行变形，得到式(2)，
式(1)和(2)中，rs1表示第一气体气敏传感器在工作温度下时对第一气体的响应值，k1表示第一气体气敏传感器的灵敏度系数，cs1表示第一气体的浓度，n1表示第一气体浓度的幂指数；
s3：对同性质的第一气体和第二气体的混合气体，采用sno2基的第一气体气敏传感器测定第一气体的响应值r's1，对式(2)进行修正，得到混合气体中第一气体的响应值r's1与第一气体浓度和第二气体浓度的关系，具体如式(3)所示；
式(3)中，cs1为第一气体的浓度；cs2为第二气体的浓度；r's1表示第二气体存在时第一气体的响应值，ss1/s2表示第二气体存在时对第一气体的选择性值；k1表示第一气体气敏传感器的灵敏度系数；n1表示第一气体浓度的幂指数；
s4：同理，采用s2～s3的方法，采用sno2基的第二气体气敏传感器，得到混合气体中第二气体的响应值r's2与第一气体浓度和第二气体浓度的关系，具体如式(4)所示；
式(4)中，cs1为第一气体的浓度；cs2为第二气体的浓度；r's2表示第一气体存在时第二气体的响应值，ss2/s1表示第一气体存在时对第二气体的选择性值；k2表示第二气体气敏传感器的灵敏度系数；n2表示第二气体浓度的幂指数；
s5：将式(3)与式(4)联立成方程组，解出第一气体和第二气体各自的浓度，如式(5)和式(6)所示，
通过式(5)和式(6)得到第一气体和第二气体在混合气体中各自的浓度。
优选地，所述第一气体为co，所述第二气体为h2。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过两种同性质气体之间相互作用规律及机理，得出对应的两种传感器对目标气体的选择性值，结合两种传感器响应值与气体浓度建立方程组，解析出最终的两种气体的各自浓度，从而完全可以实现同性质气体浓度的同时定量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为不同焙烧温度下sno2对h2的响应曲线图；
图2为不同焙烧温度下sno2对h2响应值与浓度关系图；
图3为sno2基气敏传感器对co和h2的响应曲线图；
图4为应用实例中对应传感器对两种气体的响应曲线图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
需要说明的是，本发明中所检测的对象为同性质气体组成的混合气体中组分浓度的定量方法，可以实现两种或多种同性质气体混合气的准确定量，他们之间在检测温度下不存在化学反应。下面我们就以co作为第一气体，h2作为第二气体，对本发明的方案进行详细的说明。
需要进一步说明的是，在本发明中，关于两种同性质混合气中气体组分定量过程中，通过sno2基待测气体气敏传感器对待测气体定量时的定量参数是通过如下方法确定的：
分别测定不同焙烧温度下制作的sno2基待测气体气敏传感器对待测气体的响应曲线；通过测定结果建立待测气体响应值与待测气体浓度的关系经验式：
将上面公式两端取对数，截距和斜率分别代表ki值和ni值。得到不同焙烧温度下制作的sno2基待测气体气敏传感器对待测气体的响应值与待测气体浓度的线性关系，其中ki值表示待测气体气敏传感器的灵敏度系数；ni表示待测气体浓度的幂指数，这些数据是对混合气体中两种同性质气体同时定量时必须的参数。
我们以待测气体是h2为例，对上述过程进行具体的举例说明；
分别测定500℃、600℃、700℃、800℃焙烧温度下制作的sno2基h2气敏传感器对h2的响应曲线，具体如图1所示；通过上述测定结果建立h2响应值与h2浓度的关系经验式：
同样的，我们以待测气体是co为例，得到co响应值与co浓度的关系经验式：
式(1)和(2)中，s1表示第一气体co，rs1表示co传感器在工作温度下时对co的响应值，k1表示co气敏传感器的灵敏度系数，cs1表示co的浓度，n1表示co浓度的幂指数。
下面，我们以co和h2组成的混合气体为例，采用本发明提供的方法对混合气体中co和h2浓度进行同时定量，具体过程如下：
在混合气中，我们测定对应气敏传感器对co和h2的响应曲线，具体如图3所示，由图3可以看出，先通入co我们可以看到有7.4的响应，而通入h2后，在h2存在的情况下，我们看到co仍然是有7.4的响应，因此可以判断，co和h2之间不存在化学反应过程。此外，我们研究发现，co传感器对co和h2的n值相同，即co对h2的选择性为恒定值。鉴于此，我们对式(2)进行修正，在式(2)左边加上含有h2浓度的项，得到混合气体中co的响应值r's1与co浓度和h2浓度的关系，具体如式(3)所示；
式(3)中，cs1为co的浓度；cs2为h2的浓度；r's1表示h2存在时co的响应值，ss1/s2表示h2存在时对co的选择性值；k1表示co气敏传感器的灵敏度系数；n1表示co浓度的幂指数；
同理，我们采用上述方法得到混合气体中h2的响应值r's2与co浓度和h2浓度的关系，具体如式(4)所示；
式(4)中，cs2为h2的浓度；cs1为co的浓度；r's2表示co存在时h2的响应值，ss2/s1表示co存在时对h2的选择性值；k2表示h2气敏传感器的灵敏度系数；n2表示h2浓度的幂指数；
s5：将式(3)与式(4)联立成方程组，解出co和h2各自的浓度，如式(5)和式(6)所示，
通过式(5)和式(6)得到co和h2在混合气体中各自的浓度。
在上述过程中，需要进一步说明的是，ss1/s2和ss2/s1是通过如下方法得到的：通过对应sno2基气敏传感器对相同浓度的co和h2分别进行检测，得到各自响应值，co的响应值和h2的响应值之比即为h2存在时对co的选择性值，记为ss1/s2；h2的响应值和co的响应值之比即为co存在时对h2的选择性值，记为ss2/s1。
应用实例
我们分别将3000ppm的co和4000ppm的h2混合后，采用上述方法进行定量，分别采用sno2基co气敏传感器和sno2基h2气敏传感器进行测量，各自对目标气体的响应曲线如图4所示，由图4可以看出，sno2基co气敏传感器对co的响应值为34.2，sno2基h2气敏传感器对h2的响应值为43.8，k1和k2均为1，n1是1，n2是0.5，ss1/s2为4，ss2/s1为5；将这些数值分别带入式(5)和式(6)中，得到h2浓度值3033ppm，co浓度值3865ppm，可实现混合气体中两种气体的同时定量，准确度高。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，其保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围以权利要求书为准。