一种基于紫外光辅助进行的VOCs气体探测系统和方法

技术领域

本发明涉及气体传感器技术领域，具体而言涉及一种基于紫外光驱动的VOCs气体探测系统和方法。

背景技术

在我国，VOCs是指常温下饱和蒸汽压大于70 Pa、常压下沸点在260℃以下的有机化合物，或在20℃条件下，蒸汽压大于或者等于10 Pa且具有挥发性的全部有机化合物，VOCs参与大气环境中臭氧和二次气溶胶的形成，其对区域性大气臭氧污染、PM2.5污染具有重要的影响，大多数VOCs具有令人不适的特殊气味，并具有毒性、刺激性、致畸性和致癌作用，特别是苯、甲苯及甲醛等对人体健康会造成很大的伤害，此外，VOCs是导致城市灰霾和光化学烟雾的重要前体物，主要来源于煤化工、石油化工、燃料涂料制造、溶剂制造与使用等过程，因此，对VOCs浓度的实时监测是一个非常重要且迫切的任务。

气体传感器是环境监测系统的基础元器件，也是实现测试自动控制的重要技术基础，在工业区域及生活区域中，便携的、灵敏性高的气体传感器能够大大提开环境监测能力，目前，虽然有很多技术手段能够实现对亚ppm级别浓度的VOCs气体进行探测，例如分光光度法、电化学探测法、气相色谱法、液相色谱法等，但是这些方法在成本、操作性及便携性方面还存在巨大的挑战，为了深入、定量的测量气体污染物，特别是富含VOCs的排放气体，考虑到VOCs的易燃易爆特性，亟需研发常温下性能卓越的气体探测方法。

本发明提出一种基于紫外光驱动的VOCs气体探测系统和方法，采用紫外光辅助取代传统加热辅助，可使该系统中的气体传感器的工作温度可以降低至室温，并实现对VOCs气体的精准探测。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于紫外光辅助进行的VOCs气体探测系统和方法，实现在室温环境中对VOCs进行探测。

本发明实施例提供一种基于紫外光辅助进行的VOCs气体探测系统和方法，包括气体探测装置、质量流量控制器、真空泵、数字源表、计算机以及气管和导线若干；气体探测装置作为传感器的气体反应环境，并且在气体探测装置的边缘设置有允许目标气体通过的气体通道，气体通道包括至少一个入口和至少一个出口；质量流量控制器用于控制目标气体以指定流量进入气体探测装置；真空泵用于加速气体探测装置内的气体交换；敏感元件包括石英基底、叉指电极以及涂覆到叉指电极上的氧化锌薄膜，叉指电极与氧化锌薄膜形成敏感层，石英基底黏附固定在气体探测装置内；LED紫外光源被设置为365nm的紫外光，并且用于朝向敏感层发射紫外光，使得敏感层处于紫外光环境中；数字源表用于测量敏感元件的电流；计算机用于控制质量流量控制器及数字源表。

进一步地，设置在气体探测装置内的LED紫外光源与敏感层之间的距离为5cm。

进一步地，LED紫外光源可移动地置于气体探测装置内。

进一步地，LED紫外光源与敏感层均位于传感元件的平面中心位置。

进一步地，LED紫外光源的光斑尺寸大于敏感层的尺寸。

进一步地，质量流量控制器置于气体探测装置外，用于控制目标气体及洁净空气以指定流量进入气体探测装置边缘设置的气体通道入口。

进一步地，真空泵用于加速气体探测装置内的气体交换。

进一步地，数字源表接通气体传感器的电极两端，用于施加电压后测量气体传感器在目标气体中的电流变化。

进一步地，计算机用于控制质量流量控制器及数字源表，并对数字源表的测量结果进一步处理分析。

由以上本发明的实施例的基于紫外光辅助进行的VOCs气体探测系统和方法，其可有效地阻挡外界光源、灰尘等因素对传感器的干扰，提高探测和识别VOCs气体的准确性和敏感度，并且可在365nm的紫外光光场下对VOCs气体室温下达到亚ppm的探测，并具有良好的灵敏度，可以免去常用高温工作环境所带来的安全隐患。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1示出了本发明示例性实施例基于紫外光辅助进行的VOCs气体探测系统和方法的结构示意图。

图2示出了本发明示例性实施例气体探测装置结构示意图。

图3示出了本发明示例性实施例敏感元件结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件，下面通过参考附图描述的实施例是示范性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

结合图1、2、3示，根据本发明示例性实施例的紫外光辅助模式下的氧化锌基传感器气体探测系统，可有效地阻挡外界光源、灰尘等因素对传感器的干扰，提高探测和识别VOCs气体的准确性和敏感度，并且可在365nm的紫外光下对VOCs气体室温下达到亚ppm的探测，并具有良好的灵敏度，可以免去常用高温工作环境所带来的安全隐患。

结合图1所示实施例，本发明提出一种基于紫外光辅助进行的VOCs气体探测系统和方法的结构包括气体探测装置10、质量流量控制器20、真空泵30、数字源表40、计算机50以及气管60和导线70若干，利用计算机50控制质量流量控制器20和数字源表40，其中质量流量控制器20用于控制目标气体以指定流量进入气体探测装置10，数字源表40接通气体探测装置10的电极两端，用于施加电压后测量气体传感器在目标气体中的电流变化，真空泵30用于加速气体探测装置10内的气体交换。

结合图1所示，气体探测装置10作为传感器的气体反应环境，在气体探测装置10的边缘设置有允许目标气体通过的气体通道，气体通道包括至少一个入口和至少一个出口，在可选的实施例中，入口和出口采用气管80接通形式设计，入口处的气体流量由质量流量控制器20控制，出口处接通真空泵30以加速气体探测装置10内的气体交换。

结合图1所示，数字源表40接通气体探测装置10的电极两端，组成测量电路，用于施加电压后测量气体探测装置10在接触目标气体后的电流变化，质量流量控制器20用于控制目标气体及洁净空气以指定流量进入气体探测装置10边缘设置的气体通道入口。

另外，数字源表40和质量流量控制器20均通过若干导线90用相应接法连接与计算机50，这样，计算机50可以控制质量流量控制器20输出的气体流量，也可以调整数字源表40的测量精度和模式并且读取和存储数字源表40所获取的实验数据。

结合图2所示，气体检测设置10包括敏感元件11、LED紫外光源12及石英外壳13，气体探测装置10的石英外壳13由高纯度石英晶体加工而成，这样，气体探测装置10作为设置在装置外壳内的敏感元件70的工作环境，可以保证有效地阻挡外界光源、灰尘等因素对传感器的干扰，敏感元件11用于探测进入到气体探测装置10内的气体中是否包含VOCs气体以及含量，LED紫外光源12可移动地置于气体探测装置10内，紫外光波长可设置固定为365nm，LED紫外光源12与的敏感元件40之间的距离为5cm，当然，根据实验要求需要不同光强时，可上下移动LED紫外光源12调整与敏感元件11的敏感层之间的距离实现，LED紫外光源12的光斑尺寸大于敏感元件11的敏感层的尺寸，与敏感层均位于传感元件11的平面中心位置，设置在气体探测装置10外的LED紫外光源可以有效降低设置在腔体内的敏感元件所需要的工作温度至室温。

结合图1、2所示，具体的基于紫外光辅助进行的VOCs气体探测系统和方法过程如下，由计算机50控制质量流量控制器20使目标气体以指定流量进入气体探测装置10，在LED紫外光源12发出的紫外光驱动下，敏感元件11与目标气体接触并发生反应，此时，数字源表40接通敏感元件11的电极两端，可以探测到敏感元件11在测量电路中的电流变化，并实时传送给计算机50，真空泵30连接到气体探测装置10边缘设置的气体通道出口，用于加速气体探测装置10内的气体交换，在探测目标气体过程中，当数字源表40传送给计算机50的电流信号趋于平稳时，此时再由计算机50控制质量流量控制器80关闭目标气体的流入，并向气体探测装置10边缘设置的气体通道入口通入洁净空气，直至数字源表40传送给计算机50的电流信号再次趋于平稳时，即一次实验完成。

结合图3所示，敏感元件11包括石英基底111、叉指电极112以及涂覆到叉指电极112上的氧化锌薄膜113，叉指电极112与氧化锌薄膜113形成敏感层，石英基底111黏附固定（例如涂胶固定）在气体探测装置10内，在波长为365nm紫外光驱动下，敏感元件11可以达到高温环境中同样的气敏效果，这使得该探测系统可以实现常温下的VOCs气体探测。

以上实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。