專利名稱：碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器及其溫度測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體溫度檢測(cè)領(lǐng)域，特別是一種基于碳納米管薄膜及氣體放電原理的 電離式氣體溫度傳感器及其溫度測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
隨著各行各業(yè)氣體檢測(cè)的迫切需要以及納米技術(shù)的發(fā)展，納米傳感器已獲得長(zhǎng)足 的進(jìn)展。尤其是隨著20世紀(jì)末期碳納米管的發(fā)現(xiàn)，碳納米管在氣體、溫度、濕度檢測(cè)領(lǐng)域展 現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。碳納米管溫敏傳感器中的碳納米管薄膜兩電極電離式傳感器，以其 檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)氣體范圍寬、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，成為氣體溫度檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。碳納 米管薄膜兩電極電離式氣體溫度傳感器基于氣體放電原理，用碳納米管作為敏感材料，具 有常規(guī)傳感器不可替代的優(yōu)點(diǎn)一是碳納米管的比表面積大，在傳感器整體尺寸較小的情 況下，可大大提高電極的面積；二是基于碳納米管納米級(jí)的尖端曲率半徑，使傳感器工作電 壓極大降低，并在碳納米管尖端附近獲得極強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度，在低電壓下使被測(cè)氣體電離；三 是大大縮小了傳感器的尺寸，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。因此，它在生物、化學(xué)、機(jī)械、航空、軍事等方面具 有廣泛的發(fā)展前途?，F(xiàn)有的碳納米管薄膜兩電極電離式氣體溫度傳感器由浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與 儀器科學(xué)學(xué)院的惠國華、陳裕泉教授在120微米極間距的條件下進(jìn)行了研制，研究了 CNT薄 膜陰極兩電極傳感器的溫敏特性(圖1)，即空氣中擊穿電壓與溫度的關(guān)系。該兩電極傳感 器在溫度為10攝氏度時(shí)擊穿電壓高達(dá)360伏，溫度為60攝氏度時(shí)擊穿電壓也在150伏以 上，工作電壓高，沒有構(gòu)成碳納米管薄膜兩電極氣體溫度傳感器。因此，目前對(duì)碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器及其溫度測(cè)量方法的研究，成 為亟待解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一，是提供一種碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器，將傳統(tǒng)碳 納米管薄膜兩電極傳感器的輸出電流分為電子流與離子流，建立本發(fā)明電離式氣體溫度傳 感器收集極收集的離子流與氣體溫度的單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，克服碳納米管薄膜兩電極傳感器溫 敏特性的工作電壓高、量程范圍窄的問題。本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，測(cè)量氣體溫度 靈敏度高。本發(fā)明的另一目的，是提供一種基于碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器的溫度 測(cè)量方法，由碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器測(cè)量待測(cè)氣體溫度；該溫度測(cè)量方法要 求的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能測(cè)量易燃易爆及有毒氣體溫度，采用數(shù)據(jù)融合算法，測(cè)量氣體溫度準(zhǔn) 確度高。本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。所述碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器，其特征在于包括三個(gè)自上而下依次 分布的第一電極、第二電極和第三電極，所述第一電極由內(nèi)表面附著有分布著碳納米管薄膜的金屬膜基底以及設(shè)有透氣孔的電極構(gòu)成；第二電極由中心設(shè)有引出孔的引出極極板構(gòu) 成；第三電極由板面設(shè)有盲孔的收集極構(gòu)成；該三個(gè)電極分別通過絕緣支柱相互隔離。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征還在于所述三個(gè)電極中相鄰兩個(gè)電極間的極間距為30 250 μ m ；所述第一電極與第二 電極極板正對(duì)面積為0. 01 170mm2，第二電極與第三電極極板正對(duì)面積為0. 01 190mm2。所述第一電極的電極表面的透氣孔為1 4個(gè)，在電極內(nèi)側(cè)表面附著的金屬膜基 底上生長(zhǎng)或者絲網(wǎng)印刷有碳納米管薄膜；所述第二電極引出極中心設(shè)有1 4個(gè)引出孔；所述第三電極收集極盲孔與第二電極的引出孔相對(duì)應(yīng)，盲孔的數(shù)量為1 4個(gè)。本發(fā)明還給出了一種基于碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器的氣體溫度測(cè)量 方法，該方法包括下述步驟(1)選擇三個(gè)電極中相鄰兩個(gè)電極的極間距設(shè)定為30 250 μ m的碳納米管薄膜 電離式氣體溫度傳感器；(2)將碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器放置在待測(cè)氣體溫度環(huán)境中；(3)對(duì)碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器的第一電極加載電壓為0V，第二電極 加載電壓2 200V，第三電極加載電壓1 180V ；(4)在待測(cè)氣體溫度測(cè)量范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)不同的溫度標(biāo)定值，測(cè)量傳感器輸出的氣體 放電離子流值；(5)將步驟中測(cè)得的傳感器輸出離子流值與相應(yīng)的溫度標(biāo)定值，組成不同的 實(shí)驗(yàn)標(biāo)定樣本，然后采用分段插值技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定樣本進(jìn)行插值，獲得插值數(shù)據(jù)，得到插值 樣本，并根據(jù)包含了實(shí)驗(yàn)標(biāo)定樣本及插值樣本的所有樣本組建氣體溫度測(cè)量數(shù)據(jù)庫；(6)采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)融合儀，建立氣體溫度傳感器的溫度測(cè)量模型， 分別以氣體溫度測(cè)量數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)融合儀的輸入樣本和期望輸出樣本，并以量 程范圍內(nèi)不同的數(shù)據(jù)分別作為數(shù)據(jù)融合儀的訓(xùn)練樣本和檢驗(yàn)樣本進(jìn)行訓(xùn)練和檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié) 果滿足實(shí)測(cè)誤差要求時(shí)，數(shù)據(jù)融合儀輸出傳感器的溫度準(zhǔn)確測(cè)量模型；(7)將碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器實(shí)測(cè)時(shí)輸出的離子流值輸入步驟(6) 獲得的氣體溫度測(cè)量模型，該模型輸出氣體溫度的準(zhǔn)確測(cè)量值。本發(fā)明方法特征還在于所述碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器中，第二電極電位高于第一電極電位， 第三電極電位低于第二電極電位且高于第一電極電位。所述建立氣體溫度測(cè)量數(shù)據(jù)庫，是將實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)與插值數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)庫，將傳 感器輸出離子流值及其插值數(shù)據(jù)作為輸入樣本，將氣體溫度標(biāo)定值及其插值數(shù)據(jù)作為期望 輸出樣本。所述采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)建立氣體溫度測(cè)量模型，是采用分段插值技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣本 進(jìn)行插值，建立氣體溫度傳感器的溫度準(zhǔn)確測(cè)量模型?；谔技{米管薄膜電離式氣體溫度傳感器的氣體溫度測(cè)量方法，由碳納米管薄膜 電離式氣體溫度傳感器測(cè)量待測(cè)氣體溫度；由傳感器電壓源供電；由PA級(jí)電流測(cè)量系統(tǒng)檢 測(cè)傳感器輸出；調(diào)整電極間距，調(diào)整電極電壓，在待測(cè)氣體中進(jìn)行傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)；基于 分段插值技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，獲得插值數(shù)據(jù)；將包含了實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)及插值數(shù)據(jù)的所有數(shù)據(jù)組成氣體溫度測(cè)量數(shù)據(jù)庫，獲得傳感器的單值溫度敏感特性；根據(jù)氣體溫度 測(cè)量數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)，建立氣體溫度傳感器的溫度準(zhǔn)確測(cè)量模型；將實(shí) 測(cè)時(shí)傳感器的輸出實(shí)時(shí)地輸入氣體溫度測(cè)量模型，就可以得到氣體溫度的實(shí)測(cè)結(jié)果。該氣 體溫度測(cè)量方法克服了碳納米管薄膜兩電極傳感器工作電壓高、測(cè)量范圍窄的問題，要求 的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能測(cè)量易燃、易爆及有毒氣體溫度，并且成本低，測(cè)量氣體溫度靈敏度高、 準(zhǔn)確度高，適合于推廣使用。本發(fā)明由于采取了碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器來測(cè)量溫度，可實(shí)現(xiàn)各種 氣體溫度的測(cè)量，準(zhǔn)確度為1%。該結(jié)構(gòu)的傳感器采用碳納米管薄膜做電極，以碳納米管納 米級(jí)的尖端曲率半徑可實(shí)現(xiàn)將傳感器工作電壓降至200伏以下的安全實(shí)用范圍。通過調(diào)節(jié) 傳感器電極相鄰兩個(gè)電極的極間距和電極電壓，在溫度測(cè)量范圍內(nèi)，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中 碳納米管薄膜兩電極傳感器工作電壓高、測(cè)溫范圍窄的問題，并且工作電壓低于200伏，測(cè) 溫范圍更寬，可用于易燃、易爆、有毒氣體的溫度測(cè)量。本發(fā)明由于采取了基于碳納米管薄 膜電離式氣體溫度傳感器的溫度測(cè)量方法，將碳納米管薄膜電離式傳感器技術(shù)、PA級(jí)電流 測(cè)量技術(shù)、分段插值技術(shù)以及數(shù)據(jù)融合技術(shù)集成在一起，可實(shí)現(xiàn)氣體溫度的準(zhǔn)確測(cè)量。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)碳納米管薄膜兩電極溫度傳感器的擊穿電壓與空氣環(huán)境溫度的 關(guān)系。圖2是本發(fā)明碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明基于碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器立體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；圖4是本發(fā)明碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器輸出的氣體放電離子流與空 氣環(huán)境溫度的單值關(guān)系；圖5是本發(fā)明碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器輸出的氣體放電離子流與氮 氣環(huán)境溫度的單值關(guān)系。圖中1、第一電極；2、第二電極；3、第三電極；4、設(shè)有透氣孔的電極；5、金屬膜基 底；6、碳納米管薄膜；7、絕緣支柱。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。實(shí)施例1如圖2、圖3所示，該碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器，包括由三個(gè)依次自上 而下相互疊加的電極構(gòu)成，該三個(gè)相互疊加電極分別設(shè)有第一電極1、第二電極2和第三電 極3，其第一電極1由內(nèi)表面附著有分布著碳納米管薄膜的金屬膜基底5以及設(shè)有透氣孔的 電極4構(gòu)成；第二電極2由中心設(shè)有引出孔的引出極極板構(gòu)成；第三電極3由電極板面設(shè)有 盲孔的收集極構(gòu)成；該三個(gè)電極分別通過絕緣支柱7相互隔離。圖2所示的碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器實(shí)施例中，第一電極1的電極表 面的透氣孔有2個(gè)，透氣孔為圓形；在該透氣孔的一側(cè)表面附著有金屬膜基底5，其上分布 有碳納米管薄膜6，且該碳納米管管口向下。第二電極2中心設(shè)有1 4個(gè)引出孔，圖2、圖 3中給出了設(shè)置一個(gè)引出孔、且引出孔為圓形的實(shí)施例。第三電極3收集極盲孔與第二電極的引出孔相對(duì)應(yīng)，盲孔的數(shù)量為1 4個(gè)，圖2、圖3中給出了設(shè)置一個(gè)盲孔、且盲孔為圓柱 體結(jié)構(gòu)的實(shí)施例。絕緣支柱7分別設(shè)置在分布著碳納米管薄膜的金屬膜基底5與第二電極 2之間、第二電極2與第三電極3之間，即絕緣支柱7分布于第二電極2正對(duì)第一電極1的 表面兩側(cè)及第三電極3的內(nèi)側(cè)表面的兩側(cè)。本發(fā)明第一電極1采用硅片材料制作，第一電極1的一側(cè)表面附著有金屬膜基底 5 ；所述碳納米管薄膜6，可采用酞菁鐵做為催化劑，并采用碳源，在金屬膜基底5上生長(zhǎng)制 作碳納米管薄膜6，或者絲網(wǎng)印刷碳納米管薄膜6。第二電極2和第三電極3均采用硅片制 作。第一電極1和第三電極3內(nèi)側(cè)面、第二電極2的兩側(cè)面均設(shè)有金屬膜。本發(fā)明第一電極1中的電極上有2個(gè)透氣孔，便于待檢測(cè)氣體進(jìn)入電極間隙；金屬 膜基底5附著在第一電極1 一側(cè)表面，具有導(dǎo)電能力；第二電極2上有引出孔；第三電極3 收集極可收集氣體電離產(chǎn)生的正離子流。第一電極1與第二電極2之間、第二電極2與第 三電極3之間通過絕緣支柱7相互隔離；被測(cè)氣體通過傳感器周邊電極間的間隙進(jìn)入傳感 器相鄰兩個(gè)電極的間隙中。本發(fā)明采取上述結(jié)構(gòu)的碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器在測(cè)量氣體溫度時(shí)， 第二電極電位高于第一電極電位，第三電極電位低于第二電極電位并高于第一電極電位。 第二電極與第一電極形成電子流回路，第三電極與第一電極形成離子流回路，實(shí)現(xiàn)將電子 流與離子流分離。碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器輸出的離子流與氣體溫度之間，在 第二電極施加一定電壓的基礎(chǔ)上，呈現(xiàn)單值關(guān)系(圖4、圖5所示)。通過分段插值及數(shù)據(jù) 融合，實(shí)現(xiàn)了氣體溫度的測(cè)量準(zhǔn)確度。碳納米管薄膜電離式傳感器技術(shù)、PA級(jí)電流測(cè)量 技術(shù)、分段插值技術(shù)以及數(shù)據(jù)融合技術(shù)是本發(fā)明溫度測(cè)量方法的特征。下面通過一個(gè)具體實(shí)例，對(duì)本發(fā)明碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器測(cè)量氣體 溫度的方法做進(jìn)一步說明。采用極間距固定的碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器，實(shí)驗(yàn)獲得了空氣中的單 值溫度特性(圖4所示)，傳感器輸出的離子流輸入數(shù)據(jù)融合建立的氣體溫度測(cè)量模型，獲 得了準(zhǔn)確度小于的空氣中的溫度測(cè)量值。圖4所示的碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器檢測(cè)空氣環(huán)境溫度的實(shí)施例中， 實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件為相對(duì)濕度25. 7% RH、大氣壓力94. IKPa0氣體溫度傳感器三個(gè)電極相鄰電 極間的極間距均為170 μ m，傳感器的第一電極1與第二電極2極板正對(duì)面積為17mm2，第二 電極2與第三電極3極板正對(duì)面積為190mm2。傳感器第一電極陰極電壓為0V，第二電極引 出極加載電壓70V，第三電極收集極加載電壓IOV0隨著溫度的升高，收集極收集到的離子 流增大，離子流與溫度之間呈現(xiàn)單值上升關(guān)系。在20 110°C溫度范圍內(nèi)，獲得了 19組實(shí) 驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)。氣體溫度傳感器離子流值作為輸入樣本，氣體溫度標(biāo)定值作為期望輸出樣本 數(shù)據(jù)。采用分段線性插值對(duì)19組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定樣本數(shù)據(jù)插值，在20 110°C溫度范圍內(nèi)以1°C 為間距進(jìn)行等間距插值，并在溫度注意值(即氣體溫度臨界值)附近進(jìn)行密集插值，共獲得 119組插值數(shù)據(jù)，并與19組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)庫；選用119組插值數(shù)據(jù)與1組實(shí)驗(yàn)標(biāo) 定數(shù)據(jù)共120組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，剩余的不同于訓(xùn)練樣本的18組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn) 樣本，輸入數(shù)據(jù)融合儀，通過訓(xùn)練檢驗(yàn)，獲得空氣中溫度測(cè)量模型。該溫度測(cè)量模型的線性 度為0. 33%,18組檢驗(yàn)樣本的檢驗(yàn)結(jié)果引用誤差最大值為0. 36%，達(dá)到了 的溫度測(cè)量 準(zhǔn)確度。
實(shí)施例2本實(shí)施例傳感器基本結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，所不同的是碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器的三個(gè)電極中相鄰兩個(gè)電極的極間距均為 170 μ m，第一電極1的透氣孔為2個(gè)、第二電極2的引出孔為1個(gè)，第三電極3的盲孔為1 個(gè)。采用上述極間距固定的碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器，實(shí)驗(yàn)獲得了氮?dú)庵?的單值溫度特性(圖5所示)，傳感器輸出的離子流值輸入數(shù)據(jù)融合建立的溫度測(cè)量模型， 獲得了準(zhǔn)確度小于的氮?dú)庵械臏囟葴y(cè)量值。圖5所示的碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器檢測(cè)氮?dú)猸h(huán)境溫度的實(shí)施例中， 實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件為相對(duì)濕度26. 2% RH、大氣壓力94. OKPa0氣體溫度傳感器三個(gè)電極相鄰電 極間的極間距均為170 μ m，傳感器的第一電極1與第二電極2極板正對(duì)面積為17mm2，第二 電極2與第三電極3極板正對(duì)面積為190mm2。傳感器第一電極1陰極電壓為0V，第二電極 2引出極加載電壓70V，第三電極3收集極加載電壓IOV0隨著溫度的升高，收集極收集到的 離子流增大，離子流與溫度之間呈現(xiàn)單值上升關(guān)系。在19. 5 110. 1°C溫度范圍內(nèi)，獲得了 22組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)。采用分段線性插值對(duì)22組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定樣本數(shù)據(jù)插值，在19. 5 110. 1°C 溫度范圍內(nèi)以1°C為間距進(jìn)行等間距插值，并在溫度注意值(即氣體溫度臨界值)附近進(jìn)行 密集插值，共獲得137組插值數(shù)據(jù)，并與22組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)庫；選用137組插值數(shù) 據(jù)與2組實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)共139組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，剩余的不同于訓(xùn)練樣本的20組實(shí)驗(yàn)標(biāo) 定數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)樣本，輸入數(shù)據(jù)融合儀，通過訓(xùn)練檢驗(yàn)，獲得氮?dú)庵袦囟葴y(cè)量模型。該溫度 測(cè)量模型的線性度為0. 28%,20組檢驗(yàn)樣本的檢驗(yàn)結(jié)果引用誤差最大值為0. 33%，達(dá)到了
的溫度測(cè)量準(zhǔn)確度。實(shí)施例3本實(shí)施例基本結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，所不同的是碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感 器的三個(gè)電極中相鄰兩個(gè)電極間的極間距分別為250μπι、30μπι，第一電極1與第二電極2 極板正對(duì)面積為0. 01mm2，第二電極2與第三電極3極板正對(duì)面積為0. 01mm2。第一電極1的電極表面的透氣孔有1個(gè)，透氣孔為四邊形、五邊形或六邊形；第二 電極2中心引出孔為4個(gè)，引出孔為四邊形、五邊形或六邊形；第三電極3盲孔的數(shù)量為4 個(gè)，盲孔為3 6棱柱或棱錐體。本實(shí)施例的溫度測(cè)量方法與實(shí)施例1基本相同，所不同的是傳感器的第一電極陰極電壓為0V，第二電極引出極加載電壓2V，第三電極收集極 加載電壓IV。實(shí)施例4本實(shí)施例基本結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，所不同的是碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感 器的三個(gè)電極中相鄰兩個(gè)電極間的極間距分別為250 μ m、30 μ m，第一電極1與第二電極2 極板正對(duì)面積為100mm2，第二電極2與第三電極3極板正對(duì)面積為120mm2。第一電極1的電極表面的透氣孔有4個(gè)，透氣孔為四邊形、五邊形或六邊形；第二 電極2中心引出孔為2個(gè)，引出孔為四邊形、五邊形或六邊形；第三電極3盲孔的數(shù)量為2 個(gè)，盲孔為3 6棱柱或棱錐體。本實(shí)施例的溫度測(cè)量方法與實(shí)施例1基本相同，所不同的是
傳感器的第一電極陰極電壓為0V，第二電極引出極加載電壓200V，第三電極收集 極加載電壓180V。本發(fā)明通過碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器、pA級(jí)電流測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)傳感器 輸出、分段插值及數(shù)據(jù)融合方法，形成一種新型、可以測(cè)量各種待測(cè)氣體溫度、線性度好、準(zhǔn) 確度高的氣體溫度測(cè)量方法。傳感器直接測(cè)量氣體溫度并輸出PA級(jí)以上微弱離子流；pA級(jí) 電流測(cè)量系統(tǒng)可檢測(cè)氣體溫度傳感器輸出的PA級(jí)離子流；分段插值與數(shù)據(jù)融合方法，可獲 得準(zhǔn)確度高的氣體溫度測(cè)量值。雖然本發(fā)明以上述較佳的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做出了詳細(xì)的描述，但上述實(shí)施例并不 用于限定本發(fā)明。在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案所給出的技術(shù)特征和結(jié)構(gòu)范圍的情況下，對(duì)技 術(shù)特征所作的增加、變形或以本領(lǐng)域同樣內(nèi)容的替換，均應(yīng)屬本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器，其特征在于包括三個(gè)自上而下依次分布的 第一電極、第二電極和第三電極，所述第一電極由內(nèi)表面附著有分布著碳納米管薄膜的金 屬膜基底以及設(shè)有透氣孔的電極構(gòu)成；第二電極由中心設(shè)有引出孔的引出極極板構(gòu)成；第 三電極由板面設(shè)有盲孔的收集極構(gòu)成；該三個(gè)電極分別通過絕緣支柱相互隔離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器，其特征在于所述三 個(gè)電極中相鄰兩個(gè)電極間的極間距為30 250 μ m ；所述第一電極與第二電極極板正對(duì)面 積為0. 01 170mm2，第二電極與第三電極極板正對(duì)面積為0. 01 190mm2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器，其特征在于所述第 一電極的電極表面的透氣孔為1 4個(gè)，在電極內(nèi)側(cè)表面附著的金屬膜基底上生長(zhǎng)或者絲 網(wǎng)印刷有碳納米管薄膜；所述第二電極引出極中心設(shè)有1 4個(gè)引出孔；所述第三電極收集極盲孔與第二電極的引出孔相對(duì)應(yīng)，盲孔的數(shù)量為1 4個(gè)。
4.基于碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器的氣體溫度測(cè)量方法，其特征在于，該方 法包括下述步驟(1)選擇三個(gè)電極中相鄰兩個(gè)電極的極間距設(shè)定為30 250μ m的碳納米管薄膜電離 式氣體溫度傳感器；(2)將碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器放置在待測(cè)氣體溫度環(huán)境中；(3)對(duì)碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器的第一電極加載電壓為0V，第二電極加載 電壓2 200V，第三電極加載電壓1 180V ；(4)在待測(cè)氣體溫度測(cè)量范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)不同的溫度標(biāo)定值，測(cè)量傳感器輸出的氣體放電 離子流值；(5)將步驟中測(cè)得的傳感器輸出離子流值與相應(yīng)的溫度標(biāo)定值，組成不同的實(shí)驗(yàn) 標(biāo)定樣本，然后采用分段插值技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定樣本進(jìn)行插值，獲得插值數(shù)據(jù)，得到插值樣 本，并根據(jù)包含了實(shí)驗(yàn)標(biāo)定樣本及插值樣本的所有樣本組建氣體溫度測(cè)量數(shù)據(jù)庫；(6)采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)融合儀，建立氣體溫度傳感器的溫度測(cè)量模型，分別 以氣體溫度測(cè)量數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)融合儀的輸入樣本和期望輸出樣本，并以量程范 圍內(nèi)不同的數(shù)據(jù)分別作為數(shù)據(jù)融合儀的訓(xùn)練樣本和檢驗(yàn)樣本進(jìn)行訓(xùn)練和檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果滿 足實(shí)測(cè)誤差要求時(shí)，數(shù)據(jù)融合儀輸出傳感器的溫度準(zhǔn)確測(cè)量模型；(7)將碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器實(shí)測(cè)時(shí)輸出的離子流值輸入步驟(6)獲得 的氣體溫度測(cè)量模型，該模型輸出氣體溫度的準(zhǔn)確測(cè)量值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器的氣體溫度測(cè)量 方法，其特征在于所述碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器中，第二電極電位高于第一電 極電位，第三電極電位低于第二電極電位且高于第一電極電位。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器的氣體溫度測(cè)量 方法，其特征在于所述建立氣體溫度測(cè)量數(shù)據(jù)庫，是將實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)與插值數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù) 庫，將傳感器輸出離子流值及其插值數(shù)據(jù)作為輸入樣本，將氣體溫度標(biāo)定值及其插值數(shù)據(jù) 作為期望輸出樣本。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳納米管薄膜電離式氣體溫度傳感器及其溫度測(cè)量方法，傳感器包括三個(gè)依次分布的第一、第二和第三電極，第一電極設(shè)有透氣孔，其內(nèi)表面附著有分布著碳納米管薄膜的金屬膜基底；第二電極中心設(shè)有引出孔；第三電極板面設(shè)有盲孔；三個(gè)電極相互隔離。方法包括1)放置氣體溫度傳感器；2)在電極上施加電壓；3)測(cè)量傳感器輸出離子流值；4)測(cè)得值與氣體溫度標(biāo)定值組成樣本，并與插值樣本構(gòu)建氣體溫度測(cè)量數(shù)據(jù)庫；5)構(gòu)建數(shù)據(jù)融合儀，建立氣體溫度準(zhǔn)確測(cè)量模型；6)傳感器實(shí)測(cè)值輸入測(cè)量模型，獲得氣體溫度準(zhǔn)確測(cè)量值。該傳感器工作電壓低，測(cè)量氣體溫度靈敏度高，線性度好，準(zhǔn)確度高，可用于易燃、易爆、有毒氣體溫度的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01K7/40GK102072784SQ20111003986
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2011年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月16日
發(fā)明者劉君華, 唐建文, 姜為華, 宋曉慧, 張勇, 張建業(yè), 張晶園, 方靜, 李昕, 牛國平, 王影花, 王曉冰, 王進(jìn) 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)