阅读说明：本技术 基于气敏半导体的臭氧探空仪及监测方法 (Ozone sonde based on gas-sensitive semiconductor and monitoring method ) 是由 林伟立 王垚 李梓铭 王馨悦 于 2020-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于气敏半导体的臭氧探空仪及监测方法,涉及臭氧监测领域。臭氧探空仪包括：探空载体,所述探空载体上搭载有第一存储器、环境传感器、逻辑控制器和至少一个臭氧传感器,所述逻辑控制器分别与所述探空载体、所述第一存储器、所述环境传感器和每个所述臭氧传感器连接。本发明适用于临近空间的臭氧监测,能够方便快捷地得到环境中的臭氧含量,可以在探空仪器上实现臭氧监测,能够满足仪器在在临近空间低温低压环境下长期原位测量臭氧的需求。(The invention discloses an ozone sonde based on a gas-sensitive semiconductor and a monitoring method, and relates to the field of ozone monitoring. The ozone sonde includes: the air sounding carrier is provided with a first storage, an environment sensor, a logic controller and at least one ozone sensor, and the logic controller is connected with the air sounding carrier, the first storage, the environment sensor and each ozone sensor. The invention is suitable for monitoring ozone in the adjacent space, can conveniently and quickly obtain the ozone content in the environment, can realize ozone monitoring on a sounding instrument, and can meet the requirement of the instrument for long-term in-situ ozone measurement in the low-temperature and low-pressure environment of the adjacent space.)

基于气敏半导体的臭氧探空仪及监测方法

技术领域

本发明涉及臭氧监测领域，尤其涉及基于气敏半导体的臭氧探空仪及监测方法。

背景技术

目前，对于常用臭氧的原位测量通常是基于紫外光度法和电化学法等。紫外光度法由专门的实验室观测仪器进行观测，通常固定在实验室中进行环境臭氧观测，由气泵从室外抽气至仪器中进行测量，因此，通过探空仪进行臭氧监测，通常使用电化学法。

然而电化学法需要有电解池，电解池空间有限，决定了该方法无法进行长时间的测量，一般只用于臭氧的一次性垂直廓线测量，持续时间一般不超过2小时，并且电解池内的溶液受温度影响明显，在低温下容易凝结，因此，导致该方法难以完成长时间的高空臭原位氧监测任务。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于气敏半导体的臭氧探空仪及监测方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种基于气敏半导体的臭氧探空仪，包括：探空载体，所述探空载体上搭载有第一存储器、环境传感器、逻辑控制器和至少一个臭氧传感器，所述逻辑控制器分别与所述探空载体、所述第一存储器、所述环境传感器和每个所述臭氧传感器连接，其中：

所述臭氧传感器包括：气敏半导体材料和信号处理电路，所述气敏半导体材料用于在与不同浓度的臭氧分子接触时产生对应的电信号，所述信号处理电路用于对所述气敏半导体材料产生的电信号进行识别和处理，得到臭氧数据；所述探空载体用于向所述逻辑控制器发送控制信号，所述逻辑控制器用于根据所述控制信号读取存储在所述第一存储器内的系统程序，根据所述系统程序获取所述臭氧传感器监测到的臭氧数据，以及所述环境传感器采集环境的环境信息，所述探空载体还用于接收所述逻辑控制器发送的所述臭氧数据和所述环境信息。

本发明提供的臭氧探空仪，通过包含气敏半导体材料的臭氧传感器对气流中的臭氧进行监测，通过气敏半导体材料对臭氧分子敏感的特性，生成相应的电信号，然后进行检测，能够方便快捷地得到环境中的臭氧含量，由于半导体传感器具有自身体积小、重量轻、结构简单、寿命长的优点，且测量精度受温度和压力变化的影响小，只需要简单的预热就可以正常工作，因此可以在探空仪器上实现臭氧监测，能够满足仪器在在临近空间低温低压环境下长期原位测量臭氧的需求，有助于在近地面上实现更广泛的观测，而且在边界层垂直廓线探测上具有广阔的应用前景。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种臭氧监测方法，使用如上述技术方案所述的臭氧探空仪监测环境中的臭氧数据。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为本发明臭氧探空仪的实施例提供的结构框架示意图；

图2为本发明臭氧探空仪的其他实施例提供的单臭氧传感器结构框架示意图；

图3为本发明臭氧探空仪的其他实施例提供的多臭氧传感器结构框架示意图；

图4为本发明臭氧探空仪的其他实施例提供的单臭氧传感器数据流程示意图；

图5为本发明臭氧探空仪的其他实施例提供的多臭氧传感器数据流程示意图

图6为本发明臭氧探空仪的实施例提供的校准流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

目前，临近空间臭氧的原位测量通常是基于电化学方法。气泵将含有臭氧的空气抽入反应池内的中性碘化钾溶液中，臭氧与碘化钾发生化学反应生成自由碘，同时会产生自由电子转移。电子转移量与参加反应的臭氧含量成正比，在外部电路中测量传导电流的大小，进而计算出抽入反应池内空气的臭氧含量。由于用到化学反应溶液，该方法不适合极低温环境，且溶液寿命有限，不适宜长时间的观测。本发明设计并制作了一种小型化的臭氧探测仪器，使其能够通过探空载体在临近空间距地18-25km高度大气进行长时间的、原位的臭氧测量，从而解决了在临近空间低温低压环境下长期原位测量臭氧存在的问题。

如图1所示，为本发明臭氧探空仪的实施例提供的结构框架示意图，该臭氧探空仪包括：探空载体1，探空载体1上搭载有第一存储器2、环境传感器3、逻辑控制器4和至少一个臭氧传感器5，逻辑控制器4分别与探空载体1、第一存储器2、环境传感器3和每个臭氧传感器5连接，其中：

臭氧传感器5包括：气敏半导体材料和信号处理电路，气敏半导体材料用于在与不同浓度的臭氧分子接触时产生对应的电信号，信号处理电路用于对气敏半导体材料产生的电信号进行识别和处理，得到臭氧数据；探空载体1用于向所述逻辑控制器4发送控制信号，逻辑控制器4用于根据控制信号读取存储在第一存储器2内的系统程序，根据系统程序获取臭氧传感器5监测到的臭氧数据，逻辑控制器4还用于控制环境传感器3采集环境的环境信息，探空载体1还用于接收逻辑控制器4发送的臭氧数据和环境信息。

应理解，存储在第一存储器2内的系统程序可以由Python、C语言等预先编写，第一存储器2可以为存储卡，可以设置在逻辑控制器4上，可以替换。

下面对系统程序的功能进行说明。

1.采集功能：程序在启动时，分别创建若干进程，每个进行分别创建相应的计划任务，这些计划任务用以获取各类信号，如臭氧传感器5信号、环境传感器3信号和卫星定位信号，或者4G、5G或射频数据发送，或者数据合并等。

2.处理功能：获取原始信号后，程序对信号进行处理与加工。从指令端的控制信号获取时间、经纬度、高度值；从臭氧传感器5信号获取臭氧值；从环境传感器3信号获取温度、湿度、气压值；从卫星定位获取详细地理位置信息。

通过计划任务将若干组原始数据进行合并处理，生成观测结果数据，并进行存储。

程序获得观测结果数据后，将其导入订正公式进行处理，得到质控与订正数据，并进行存储。

3.传输功能：通过控制外部通信模块8将各类数据通过4G、5G或射频等方式发送至指定服务器。

4.显示功能：将所需显示的内容推送到显示屏上进行显示，或者显示操作系统界面。

具体地，臭氧传感器5可以为Aeroqual SM50系列的传感器，环境传感器3可以为I2C BME680型号的传感器，臭氧传感器5和环境传感器3可以主动将采集到的臭氧数据和环境数据以预设的频率发送给逻辑控制器4，也可以接收逻辑控制器4发送的指令，根据指令被动地将采集到的臭氧数据和环境数据返回给逻辑控制器4。应理解，传感器的数量至少为一个，可以根据实际需求设置多个传感器，以提高臭氧监测的准确度。

如图2所示，提供了一种示例性的单臭氧传感器5结构示意图，该臭氧传感器5由12V电源稳压模块14供电，通过对气流中的臭氧进行监测，得到臭氧数据，通过内部通信模块9发送给逻辑控制器4，进行后续的存储和发送给探空载体1。

如图3所示，提供了一种示例性的多臭氧传感器5结构示意图，每个臭氧传感器均由12V电源稳压模块14分别供电，这些臭氧传感器5通过对气流中的臭氧进行监测，得到多份臭氧数据，分别通过独立的内部通信模块9发送给逻辑控制器4，逻辑控制器4对多份臭氧数据进行分别存储和发送给探空载体1。

应理解，在使用本发明提供的臭氧探空仪进行臭氧监测时，还需要预先对仪器进行校准，校准流程如图6所示，通过臭氧发生器产生不同浓度的臭氧，然后通过臭氧检测器分别进行多次测量，将得到的测量结果进行拟合度计算，从而进行质控与订正。

本实施例提供的臭氧探空仪，通过包含气敏半导体材料的臭氧传感器5对气流中的臭氧进行监测，通过气敏半导体材料对臭氧分子敏感的特性，生成相应的电信号，然后进行检测，能够方便快捷地得到环境中的臭氧含量，由于半导体传感器具有自身体积小、重量轻、结构简单、寿命长的优点，且测量精度受温度和压力变化的影响小，只需要简单的预热就可以正常工作，因此可以在探空仪器上实现臭氧监测，能够满足仪器在在临近空间低温低压环境下长期原位测量臭氧的需求，有助于在近地面上实现更广泛的观测，而且在边界层垂直廓线探测上具有广阔的应用前景。

下面结合图2和图3，对本发明提供的臭氧探空仪进行进一步说明。

可选地，在一些实施例中，还包括：卫星定位模块6，卫星定位模块6与逻辑控制器4连接，用于根据逻辑控制器4的控制指令采集地理位置信息。

可选地，在一些实施例中，还包括：第二存储器7，第二存储器7与逻辑控制器4连接，用于根据逻辑控制器4的控制指令存储臭氧数据、环境信息和地理位置信息。

可选地，在一些实施例中，还包括：外部指令通信模块81，外部指令通信模块81分别与探空载体1和逻辑控制器4连接，用于将探空载体1发出的控制信号发送给逻辑控制器4。

可选地，在一些实施例中，还包括：外部存储通信模块82，外部存储通信模块82分别与探空载体1和逻辑控制器4连接，用于将逻辑控制器4采集到的臭氧数据、环境信息和地理位置信息发送给探空载体1。

可选地，还包括内部通信模块9，内部通信模块9支持TTL、RS232、RS485协议，外部指令通信模块81和外部存储通信模块82支持TTL、RS232、RS485、RS422协议。

可选地，还可以包括4G/5G通信模块10，4G/5G通信模块10与逻辑控制器4连接，用于根据逻辑控制器4的控制指令将臭氧数据、环境信息和地理位置信息发送至预设终端。

如图2、图3所示，环境传感器3、臭氧传感器5、卫星定位模块6、外部指令通信模块81、外部存储通信模块82、4G/5G通信模块10等都通过内部通信模块9与逻辑控制器4连接。

可选地，在一些实施例中，还包括：仪器外壳，卫星定位模块6、第一存储器2、第二存储器7、外部指令通信模块81、外部存储通信模块82、环境传感器3、逻辑控制器4和全部臭氧传感器5设置在仪器外壳的内部。

需要说明的是，仪器外壳可以根据不同环境使用不同材质制作，例如，要求高强度耐冲击时，可以选用航空铝材料，通过CNC、氧化等工艺制作；要求重量轻时，可以选用亚克力等可塑材料，通过激光切割或注塑工艺制作。

可选地，在一些实施例中，还包括：供电模块，供电模块分别与逻辑控制器4和每个臭氧传感器5连接，用于为逻辑控制器4和每个臭氧传感器5供电。

如图2、图3所示，供电模块可以包括开关13、12V电源稳压模块14和5V电源稳压模块15，其中，12V电源稳压模块14为臭氧传感器5供电，5V电源稳压模块15为逻辑控制器4供电，卫星定位模块6、外部指令通信模块81、外部存储通信模块82等可以通过逻辑控制器4供电。

可选地，在一些实施例中，还包括：充电接口16，充电接口16设置在仪器外壳的表面，与供电模块连接，用于连接外部电源为供电模块充电，支持12-48V直流电。

应理解，本发明提供的通信接口和电源接口等，可以使用安全度更高的航空插头，也可以根据要求更换不同型号、种类插头。

在其他实施例中，如图4所示，为单臭氧传感器时的数据流程图，下面结合图4，对单臭氧传感器的数据处理流程进行说明。

首先，对臭氧探空仪进行上电，探空载体发出控制信号，逻辑控制器接收到控制信号后，从控制信号中获取控制信息，然后臭氧传感器监测到臭氧信号，发送给逻辑控制器，经逻辑控制器处理后得到臭氧数据，环境传感器监测到环境信号，发送给逻辑控制器，经逻辑控制器处理后得到环境数据，卫星定位模块监测到定位信号，经逻辑控制器处理后得到定位数据，然后逻辑控制器将控制信息、臭氧数据、环境数据和定位数据打包作为观测结果数据进行存储，并经过质控与订正后存储。然后逻辑控制器将观测结果数据和质控与订正数据进行显示或者通过4G、5G或射频等数据传输方式发送给指定服务器。

其中，控制信息包括探空载体当前的时间、经纬度、高度等，环境信息包括温度、湿度、气压等。

如图5所示，为多臭氧传感器时的数据流程图，区别仅在于多个臭氧传感器采集到了臭氧信号，逻辑控制器将这些臭氧数据作为多份监测结果，与控制信息、环境数据和定位数据打包作为观测结果数据。

可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施例中的部分或全部可选实施方式。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种臭氧监测方法，使用如上述任意实施方式所述的臭氧探空仪监测环境中的臭氧数据。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，例如，步骤的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个步骤可以结合或者可以集成到另一个步骤，或一些特征可以忽略，或不执行。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。