CN201311407Y - 能够补偿温度和老化效应的化学电阻传感器系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种能够补偿温度和老化效应的化学电阻传感器系统，该系统包括暴露在要检测其中是否存在可燃气体和/或其浓度的周围环境空气中的传感元件和与周围环境空气隔离的温度补偿元件。该传感元件和温度补偿元件串联电连接，并在响应温度变化和温度周期性变化方面具有相似的性能。尽管传感元件的电阻可能会响应于温度的变化而变化，但作为传感元件两端的电压降的化学电阻传感器系统输出依然保持不变。因此，化学电阻传感器系统能够在经受到温度变化和/或经过较长的时间后仍可以准确而稳定地检测环境中可燃性气体的存在。

Description

能够补偿温度和老化效应的化学电阻传感器系统

技术领域

本发明涉及一种可燃气体(flammable vapor)传感器，特别是涉及一种能够补偿温度和老化效应的化学电阻传感器系统。

背景技术

这部分的陈述仅仅提供与本发明有关的背景信息，而不构成现有技术。

对许多应用来说，检测可燃气体或化学成分的存在性是很重要的，包括例如，检测可燃气体的浓度是否超过了易燃界限。

在本领域已知的技术中有许多种不同的可燃气体传感器系统都能够用来检测可燃气体的存在和浓度。例如，测电导率的传感器系统、光学传感器系统、和表面声波传感器系统都能使用。

一种类型的测电导率的(conductiometric)传感器是聚合物-吸收法化学电阻传感器。聚合物-吸收法化学电阻传感器包括具有一对电极的传感器探头和传感元件。该探头是传感器电路的一部分。通常，该传感元件采取的形式为横跨两个电极的聚合传感器膜。传感器膜暴露在周围空气中。聚合传感器的准确成分根据可燃气体而变化，以使得当它暴露在周围空气中的时候传感器膜能够吸收可燃气体。

当暴露在可燃气体中并吸收可燃气体时，传感器膜膨胀并且经历体积变化。体积的变化导致该膜的电阻的变化，而这种电阻的变化可以通过电极来测量。

典型地处理器或控制单元耦合到传感器电路。处理器监测传感器膜的电阻以确定可燃气体是否存在以及其浓度。处理器能够耦合到用户接口。典型地，该用户接口包括一个在可燃气体浓度超过预定阈值时产生信号的指示装置。

然而，传感器膜的电阻不但根据对可燃气体的吸收变化，还会根据环境温度的变化而变化。如果传感器膜具有正的电阻温度系数，传感器膜的电阻会随着环境温度的上升而增大。如果传感器膜具有负的电阻温度系数，传感器膜的电阻会随着环境温度的上升而减小。传感器膜具有正温度系数还是负温度系数取决于传感器膜的成分和它的使用情况。

因为对可燃气体的检测是基于当传感器吸收可燃气体时传感器膜的电阻发生的变化的，所以引起传感器膜电阻的变化的环境温度变化能够给传感器系统准确检测可燃气体存在的能力带来负面影响。例如，如果传感器膜有正的电阻温度系数并在吸收到可燃气体时电阻增大，则环境温度的升高可能导致传感器系统生成一个错误信号，而在不存在可燃气体时指示存在可燃气体。

典型的化学电阻传感器随着时间的老化会引起其性能的偏移，特别是当化学电阻传感器受温度周期性变化的影响的时候。在温度和老化的共同影响下，化学电阻传感器不能准确检测到可燃气体的存在和其浓度。

发明内容

本实用新型的目的是：克服现有的化学电阻传感器易受温度和老化的影响因此不能准确检测可燃气体的存在和浓度的缺陷，提供一种对温度和老化进行补偿的化学电阻传感器系统，该系统能够更加准确地对可燃气体的存在作出响应。指示可燃气体的存在的传感器系统输出电压不受环境温度变化和传感器系统老化的影响。在一种形式中，化学电阻传感器系统包括用于检测可燃气体存在的传感元件和与传感元件串联电连接的温度补偿元件。传感元件和温度补偿元件以相似的方式(例如，具有公知的温度相关的性能)对温度变化作出响应。温度补偿元件与周围环境隔离。

在另一种形式中，化学电阻传感器系统包括传感元件和温度补偿元件，该传感元件用来检测要监视其中是否存在可燃气体的周围环境空气中的可燃气体的存在性，而温度补偿元件与周围环境隔离。传感元件和温度补偿元件中的每一个的电阻以已知的方式响应于周围环境的温度变化而改变。

在又一种形式中，化学电阻传感器系统包括第一电阻器和第二电阻器。第一电阻器暴露到要监视其中是否存在可燃气体的周围环境的空气中。第二电阻器与周围环境的空气隔离，并且和第一电阻器串联连接。第二电阻器的电阻温度系数大致与第一电阻器相等，因此当周围环境温度变化的时候，第一电阻器和第二电阻器二者的电阻会改变基本上相同的数量，从而第一电阻器两端的电压降基本上保持恒定。

根据本文提供的描述，更多的可应用领域会变得更加明显。应当理解，这里的描述和具体例子只是用来说明，而不会限制本发明范围。

附图说明

本文中对附图的描述仅仅是为了说明，而不打算以任何形式限制本发明的范围。

图1是根据本发明教导的化学电阻传感器系统的框图；和

图2是根据本发明第一实施例的化学电阻传感器系统的传感器探头的示范电路简图；和

图3是根据本发明第二实施例的化学电阻传感器系统的传感器探头的示范电路简图。

在这几幅图中，相应的附图标记表示对应的部件。

具体实施方式

下面的描述实际上只是示例性的，并不限制本发明的公开、应用或使用。

附图1总体上描述了一个示例性化学电阻传感器系统10的主要部件。传感器系统10主要包括化学电阻传感器探头12、控制单元14、和用户接口(interface)16。传感器探头12包括温度补偿元件20。

传感器探头12与外部环境17相互作用来检测感兴趣的化学成分或者可燃气体18的存在。传感器探头12基于对外部环境17中的可燃气体18的持续检测而生成原始的输出信号19a。控制单元14处理原始输出信号19a。控制单元14将计算后的输出19b传送给用户接口16，以中转对来自传感器探头12的原始输出信号19a的分析。控制单元14能够向探头12提供操作命令和电能，例如，都通过22来表示。

用户接口16向用户提供关于传感器系统10的状态的信息，例如系统10是否检测到可燃气体18的存在。用户接口16可以是本领域公知的从一个简单的报警信号到复杂的电脑显示的各种不同形式。

传感器探头12能够采用多种不同的传感器探头的形式。例如，传感器探头12采用的形式可以是题目为“耐用化学电阻传感器(Robust Chemiresistor Sensor)”的第7,113,304号美国专利中所描述的传感器探头中的任何一个。传感器探头12可以包括导电的传感器元件或膜，其吸收可燃气体18并在吸收可燃气体时改变电阻。传感器膜可以是本领域中公知的任何一种适合的传感器膜，例如2003年4月11日申请的专利申请号为NO.10/411,805的题目为“气体传感器和其所用的材料(VaporSensor and Materials Therefor)”美国专利中描述的那些传感器。本文中并入这些专利的全部内容作为参考。

参考附图2，示出了一个传感器探头12的示范电路框图简图，总体用30表示。在本实施例中，传感器探头12包括一个以第一电阻器31形式存在的传感元件和一个以第二电阻器32形式存在的温度补偿元件。第一和第二电阻器31和32串联电连接，以形成分压电路。第一电阻器31暴露到其中的可燃气体的存在性和或可燃气体浓度要被监测的周围环境中，并且第一电阻器31的电阻受可燃气体的存在性的影响。第二电阻器32与要监测的周围环境相隔离，并且当可燃气体存在的时候第二电阻器32的阻值并不受可燃气体的影响。因此，第二电阻器32作为参考元件来确定可燃气体对第一电阻器31的影响。优选地，第二电阻器32通过涂层、覆盖物、或者外壳与所要监测的周围环境相隔离。

整个公开内容中，术语“暴露”或者“暴露到周围环境中”指的是一部件暴露在要监测其中是否存在可燃气体的外围环境的空气中的这样一种情况，而术语“隔离”或者“与周围环境隔离”指的是以下这种情况，其中一部件与所要监测的外部环境的空气隔离，从而与该环境中可能有的可燃气体隔离，但并不会不受环境中的温度变化的影响。

传感器探头12的输出电压等于第一电阻器31上的电压降。在存在可燃气体的情况下，暴露给外部环境的第一电阻器31，相对于第二电阻器32改变阻值(其与周围环境进而与可燃气体隔离)，导致第一电阻器31上的电压降发生改变。对应于该电压降的信号被传送到控制单元14，以指示可燃气体的存在性和/或浓度。

第一电阻器31和第二电阻器32具有类似的特性，特别是类似的与温度相关的特性。优先地，第一电阻器31和第二电阻器32具有相似的或相同的电阻温度系数α，因此第一电阻器31和第二电阻器32根据温度变化和周期性变化以类似的方式变化它们的阻值。

具体而言，传感器探头12在温度T₁的输出电压V_out(其等于第一电阻器31上的电压降)可描述成：

$V_{\mathrm{out}\left(T1\right)}=\frac{R1}{R1+R2}V$

这里，V是施加到电路30上的电压，R1和R2分别是第一电阻器31和第二电阻器32在温度T1时的电阻值。

当周围环境温度升高ΔT(从T₁到T₂)时，电阻器31的阻值从R1变化到R1(1+αΔT)，并且第二电阻器32的阻值从R2变化到R2(1+αΔT)，其中α是电阻温度系数并且可正可负。

传感器探头在温度T2时的输出电压V_out可被描述为：

$V_{\mathrm{out}\left(T2\right)}=\frac{R1(1+\mathrm{\α\ΔT})}{R1(1+\mathrm{\α\ΔT})+R2(1+\mathrm{\α\ΔT})}V=\frac{R1}{R1+R2}V$

因为第一电阻器31和第二电阻器32具有相似或相同的与温度相关的性能，例如温度和/或传感器老化等环境因素将导致第一电阻器31和第二电阻器32的电阻值的变化。结果是，输出电压(即，第一电阻器31两端的电压降)不受温度变化和/或传感器老化的影响。V_out仅在第一电阻器31的电阻值由于可燃气体的存在而发生变化时才会变化，因为第二电阻器32的电阻值不会因为可燃气体的存在而变化。

参照附图3，根据本发明第二实施例的传感器探头的示范电路框图简图用附图标记40来表示。电路40包括传感元件和温度补偿元件，它们被设置成电桥电路的形式。传感元件包括第一电阻器41和第二电阻器42。温度补偿元件包括第三电阻器43和第四电阻器44。第一电阻器41和第二电阻器42暴露在其中的可燃气体的存在和/或浓度要被监测的周围环境中，而第三电阻器43和第四电阻器44与周围环境隔离并且用作参考元件。该电桥电路优选为惠斯登电桥，其包括四条臂，两臂包括在第一侧50中，两臂包括在第二侧52中。第一电阻器41和第三电阻器43串联连接在第一侧50，第二电阻器42和第四电阻器44串联连接在第二侧52。每一侧50或52有一个电阻器暴露在周围环境中而另一个电阻器与周围环境相隔离。同一侧的电阻器具有相似的特性，特别是相似的温度相关特性。传感器探头的输出电压是两侧50和52的中点之间的电压降。

具体而言，传感器探头在温度T1时的输出电压可描述为以下这样：

$V_{\mathrm{out}\left(T1\right)}=[\frac{R1}{R1+R3}-\frac{R4}{R2+R4}]V$

其中V是施加到传感器探头12上的电压，R1、R2、R3和R4分别代表第一电阻器41、第二电阻器42、第三电阻器43和第四电阻器44在温度T₁时的电阻值。

第一电阻器41和第三电阻器43串联在相同侧50中并且有相似的或相同的电阻温度系数β。第一电阻器41和第三电阻器43在温度T2时的电阻值分别由R1和R3变化到R1(1+βΔT)和R3(1+βΔT)，这里ΔT＝T₂-T₁。

第二电阻器42和第四电阻器44串联在相同侧52并且有相似的或相同的电阻温度系数γ。第二电阻器42和第四电阻器44在温度T2时的电阻值分别由R2和R4变化到R2(1+γΔT)和R4(1+γΔT)。

因此，传感器探头在温度T₂时的输出电压可以描述为以下这样：

$V_{\mathrm{out}\left(T2\right)}=\left[\frac{R1(1+\mathrm{\β\ΔT})}{R1(1+\mathrm{\β\ΔT})+R3(1+\mathrm{\β\ΔT})}\right]-\left[\frac{R4(1+\mathrm{\γ\ΔT})}{R2(1+\mathrm{\γ\ΔT})+R4(1+\mathrm{\γ\ΔT})}\right]V=[\frac{R1}{R1+R3}-\frac{R4}{R2+R4}]V$

因为(暴露的)第一电阻器41和(隔离的)第三电阻器43具有相似的特性，温度变化/周期性变化不影响第一侧50的第一电阻器41两端的电压降。相似地，因为(暴露的)第二电阻器42和(隔离的)第四电阻器44具有相似的特性，温度变化/周期性变化不影响第二电阻器42两端的电压降。因此，两侧50和52中点之间的传感器探头12的电压输出V_out保持不受温度相关的因素影响，例如温度变化和温度周期性变化导致的传感器系统的老化。电压输出V_out仅在可燃气体存在时才会发生改变，因为此时电桥电路同一侧中的两个电阻器的电阻值不会以相似的方式变化。

应当理解和意识到，虽然在图3所示的电桥电路中有两个电阻器41和42暴露在周围环境中，但是通过使用在电桥电路中仅有一个暴露电阻器也能得到相似的补偿效应。

通过利用化学电阻传感器系统的结构，温度补偿元件会对传感元件的电阻值由于周围温度变化而发生的变化进行补偿。因此，化学电阻传感器系统能够区分由可燃气体存在引起的阻值变化和由周围环境温度变化引起的阻值变化。因此，本发明的化学电阻传感器能够更加准确地检测可燃气体18的存在。

通过本发明的概念也能实现对随着工作时间经过而发生的电阻偏移的补偿。典型的化学电阻传感器系统的老化特性包括电阻值随时间发生偏移，特别是当化学电阻传感器系统受温度周期变化的影响的时候。通过使用一个隔离的电阻器作为参考元件，传感器探头能够更加稳定并且因为传感探头输出电压的相对本性而不受温度相关因素的影响。

因为传感器系统的输出电压由隔离电阻器作出了补偿，所以化学电阻传感器系统不需要额外的分析软件来分析温度和老化效应，因而结构更加简单。

虽然用作温度或老化补偿元件的隔离电阻器是在分压器和惠斯登电桥电路的环境中描述的，但是应当理解和意识到，在不脱离本文所公开的本发明的精神的情况下，作为温度或老化补偿元件的隔离电阻器也能够用在其它电路中。

该描述实际上只是示范性的，因而，不偏离本发明旨意的变化都在本发明的范围内。这种变化不应被当作偏离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1、一种化学电阻传感器系统，其特征在于包括：

用于检测周围环境的空气中可燃气体的存在性的传感元件；和

与所述传感元件串联电连接的温度补偿元件，该温度补偿元件与周围环境的空气相隔离；并且

其中，所述传感元件和所述温度补偿元件以相似的形式对温度变化作出响应。

2、如权利要求1所述的化学电阻传感器系统，其特征在于，所述温度补偿元件具有与所述传感元件大约相同的电阻温度系数。

3、如权利要求1所述的化学电阻传感器系统，其特征在于，所述温度补偿元件具有与所述传感元件相等的电阻温度系数。

4、如权利要求3所述的化学电阻传感器系统，其特征在于，所述电阻温度系数是正的。

5、如权利要求3所述的化学电阻传感器系统，其特征在于，所述电阻温度系数是负的。

6、如权利要求1所述的化学电阻传感器系统，其特征在于，所述化学电阻传感器系统提供的输出等于所述传感元件上的电压降。

7、如权利要求1所述的化学电阻传感器系统，其特征在于，所述传感元件和所述温度补偿元件被设置成形成分压器的一部分。

8、如权利要求1所述的化学电阻传感器系统，其特征在于，所述传感元件和所述温度补偿元件被设置成形成电桥电路的一部分。

9、如权利要求1所述的化学电阻传感器系统，其特征在于，所述温度补偿元件通过从包括涂层、覆盖物和外壳的组中选出的部件与周围环境的空气相隔离。

10、一种化学电阻传感器系统，其特征在于包括：

用于检测周围环境的空气中可燃气体的存在性的传感元件，该周围环境的空气要被监测是否存在可燃气体；和

与周围环境相隔离的温度补偿元件，所述温度补偿元件和所述传感元件中的每一个的电阻以已知方式响应于周围环境的温度变化而改变。

11、如权利要求10所述的化学电阻传感器系统，其特征在于进一步包括等于所述传感元件上的电压降的输出。

12、如权利要求10所述的化学电阻传感器系统，其特征在于，所述传感元件和所述温度补偿元件串联电连接。

13、如权利要求10所述的化学电阻传感器系统，其特征在于所述传感元件和所述温度补偿元件形成分压器。

14、如权利要求10所述的化学电阻传感器系统，其特征在于，所述传感元件和温度补偿元件构成电桥电路。

15、如权利要求14所述的化学电阻传感器系统，其特征在于，所述电桥电路包括具有四臂的惠斯登电桥，每个臂包括一个电阻器，两侧并行连接，每侧包括电桥的两个臂。

16、如权利要求15所述的化学电阻传感器系统，其特征在于，至少一个电阻器暴露到周围环境的空气中，其它的电阻器与周围环境的空气隔离。

17、如权利要求15所述的化学电阻传感器系统，其特征在于，所述传感元件包括第一电阻器和第二电阻器，所述温度补偿元件包括第三电阻器和第四电阻器，第一电阻器和第二电阻器中的一个与第三电阻器和第四电阻器中的一个串联连接在所述惠斯登电桥的第一侧中，第一电阻器和第二电阻器中的另一个与第三电阻器和第四电阻器中的另一个串联连接在所述惠斯登电桥的第二侧中，第一电阻器和第二电阻器位于所述惠斯登电桥的相对的臂上。

18、如权利要求17所述的化学电阻传感器系统，其特征在于，所述传感器系统的输出电压是在所述第一侧的中点和所述第二侧的中点之间测量的电压。

19、如权利要求10所述的化学电阻传感器系统，其特征在于，所述温度补偿元件具有和所述传感元件相等的电阻温度系数。

20、一种化学电阻传感器系统，其特征在于包括：

暴露在周围环境的空气中的第一电阻器，该周围环境的空气要被监测是否存在可燃气体；和

与所述第一电阻器串联连接并与外部环境的空气隔离的第二电阻器，

其中，所述第二电阻器具有和所述第一电阻器大约相等的电阻温度系数，以便当受到周围环境的温度变化的影响时，所述第一电阻器和所述第二电阻器的电阻值改变的数量基本上相同，并且所述第一电阻器上的电压降保持恒定。

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