[发明专利]碳纳米管薄膜三电极气体温度传感器及其温度测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及气体温度检测领域，特别是一种基于碳纳米管薄膜及气体放电原理的三电极气体温度传感器及其温度测量方法。

背景技术

随着各行各业气体检测的迫切需要以及纳米技术的发展，纳米传感器已获得长足的进展。尤其是随着20世纪末期碳纳米管的发现，碳纳米管在气体、温度、湿度检测领域展现出诱人的应用前景。碳纳米管温敏传感器中的碳纳米管薄膜两电极传感器，以其检测灵敏度高、检测气体范围宽、响应快等优点，成为气体温度检测领域的研究热点。碳纳米管薄膜两电极气体温度传感器基于气体放电原理，用碳纳米管作为敏感材料，具有常规传感器不可替代的优点：一是碳纳米管的比表面积大，在传感器整体尺寸较小的情况下，可大大提高电极的面积；二是基于碳纳米管纳米级的尖端曲率半径，使传感器工作电压极大降低，并在碳纳米管尖端附近获得极强的电场强度，在低电压下使被测气体电离；三是大大缩小了传感器的尺寸，动态响应快。因此，它在生物、化学、机械、航空、军事等方面具有广泛的发展前途。

现有的碳纳米管薄膜两电极气体温度传感器由浙江大学生物医学工程与仪器科学学院的惠国华、陈裕泉教授在120微米极间距的条件下进行了研制，研究了CNT薄膜阴极两电极传感器的温敏特性(图1)，即空气中击穿电压与温度的关系。该两电极传感器在温度为10摄氏度时击穿电压高达360伏，温度为60摄氏度时击穿电压也在150伏以上，工作电压高，没有构成碳纳米管薄膜两电极气体温度传感器。

因此，目前对碳纳米管薄膜电极气体温度传感器及其温度测量方法的研究，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的之一，是提供一种碳纳米管薄膜三电极气体温度传感器，将传统碳纳米管薄膜两电极传感器的输出电流分为电子流与离子流，建立本发明三电极气体温度传感器收集极收集的离子流与气体温度的单值对应关系，克服碳纳米管薄膜两电极传感器温敏特性的工作电压高、量程范围窄的问题。本发明传感器结构简单，成本低，测量气体温度灵敏度高。

本发明的另一目的，是提供一种基于碳纳米管薄膜三电极气体温度传感器的温度测量方法，由碳纳米管薄膜三电极气体温度传感器测量待测气体温度；该温度测量方法要求的硬件结构简单，能测量易燃易爆及有毒气体温度，采用数据融合算法，测量气体温度准确度高。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

碳纳米管薄膜三电极气体温度传感器，其特征在于：包括三个自上而下依次分布的第一电极、第二电极和第三电极，所述第一电极由内表面粘接有分布着碳纳米管薄膜的基底以及设有透气孔的电极构成；第二电极由中心设有引出孔的引出极极板构成；第三电极由板面设有盲孔的收集极构成；该三个电极分别通过绝缘支柱相互隔离。

本发明的结构特征还在于：

所述三个电极中相邻两个电极的极间距为30～250μm；所述第一电极与第二电极极板正对面积为0.01～17mm²，第二电极与第三电极极板正对面积为0.01～190mm²。

所述第一电极的电极表面的透气孔为1～4个，在电极内侧表面粘接的基底上附着有碳纳米管薄膜；

所述第二电极引出极中心设有1～4个引出孔；

所述第三电极收集极盲孔与第二电极的引出孔相对应，盲孔的数量为1～4个。

本发明还给出了一种基于碳纳米管薄膜三电极气体温度传感器的气体温度测量方法，该方法包括下述步骤：

(1)选择三个电极中相邻两个电极的极间距设定为30～250μm的碳纳米管薄膜三电极气体温度传感器；

(2)将碳纳米管薄膜三电极气体温度传感器放置在待测气体温度环境中；

(3)对碳纳米管薄膜三电极气体温度传感器的第一电极加载电压为0V，第二电极加载电压2～200V，第三电极加载电压1～180V；

(4)在待测气体温度测量范围内，对应不同的温度标定值，测量传感器输出的气体放电离子流值；

(5)将步骤(4)中测得的传感器输出离子流值与相应的温度标定值，组成不同的实验标定样本，然后采用分段插值技术对实验标定样本进行插值，获得插值数据，得到插值样本，并根据包含了实验标定样本及插值样本的所有样本组建气体温度测量数据库；

(6)采用多子网数据融合技术，构建数据融合仪，建立气体温度传感器的温度测量模型，分别以气体温度测量数据库中的数据作为数据融合仪的输入样本和期望输出样本，并以量程范围内不同的数据分别作为数据融合仪的训练样本和检验样本进行训练和检验，检验结果满足实测误差要求时，数据融合仪输出传感器的温度准确测量模型；