本發(fā)明屬于傳感器分析裝置領(lǐng)域，特別涉及一種針對電阻、電壓、電流型旁熱式氣體傳感器的自適應(yīng)智能分析裝置。系統(tǒng)可以覆蓋當(dāng)前所有旁熱式氣體傳感器的測試需求，并且具有測量范圍大、測量連續(xù)無需換擋、支持多種配氣方式、環(huán)境溫濕度可控等特點(diǎn)。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，用于生產(chǎn)生活的氣體種類和數(shù)量不斷增多，與此同時(shí)，排放的各類有毒有害氣體也迅速增加，使得人們面臨的健康與安全的威脅也越來越多，因此發(fā)展高性能的氣體傳感器具有重要的意義。氣體傳感器分為半導(dǎo)體傳感器、紅外傳感器、電化學(xué)傳感器等多種，其中半導(dǎo)體傳感器具有體積小、安裝便捷、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此在民用市場應(yīng)用極其廣泛，每年市場銷量達(dá)到數(shù)百萬支。相應(yīng)地，對于半導(dǎo)體傳感器的研發(fā)和測量也獲得極大的關(guān)注。

半導(dǎo)體傳感器從器件結(jié)構(gòu)可以分為旁熱式傳感器、直熱式傳感器兩類，旁熱式傳感器穩(wěn)定性高、一致性好，所以占據(jù)了市場的主導(dǎo)地位。旁熱式傳感器是指加熱絲和信號電極之間電學(xué)隔離的結(jié)構(gòu)，典型的器件制作過程為：將敏感材料涂覆在中空的陶瓷管上，陶瓷管兩端制作有兩個(gè)環(huán)狀電極，使用Ni-Cr加熱絲穿過陶瓷管，通過控制Ni-Cr加熱絲的電流來控制敏感材料的工作溫度，使得傳感器工作在一定的工作溫度下，以取得大的靈敏度、快的響應(yīng)恢復(fù)速度以及良好的選擇性和穩(wěn)定性等參數(shù)。

根據(jù)使用的敏感材料和電極設(shè)計(jì)，以及所針對的目標(biāo)應(yīng)用場合的不同，旁熱式傳感器可以輸出電阻(如ZnO、SnO₂)、電壓(如YSZ)或者電流(如WO₃、In₂O₃)信號。對于不同的輸出方式，需要搭建不同的測量設(shè)備。而近年來開發(fā)出的一些新型敏感材料，如有機(jī)半導(dǎo)體(如酞菁)、共軛高分子(如導(dǎo)電聚合物)、新型碳材料(如碳納米管、石墨烯)等，可以輸入多種信號，導(dǎo)致相應(yīng)傳感器的測量過程非常繁瑣，經(jīng)常在某個(gè)設(shè)備上測量完畢后又轉(zhuǎn)移到另一套設(shè)備中，而不同的氣敏分析儀器氣室結(jié)構(gòu)、氣氛濃度均勻度、控溫準(zhǔn)確度都很難達(dá)到統(tǒng)一，測量結(jié)果無法橫向比較，導(dǎo)致難以判斷出采用哪種輸出信號是最優(yōu)化的。

同時(shí)，現(xiàn)有氣敏分析設(shè)備普遍存在氣室溫濕度不可控、測量范圍窄、需要人工換擋等弊端，難以適應(yīng)各自新型敏感材料、新結(jié)構(gòu)傳感器的研發(fā)和測試需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提供了一種針對旁熱式傳感器、能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器測量模式自動判斷的全自動智能分析裝置。

本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是集成了電阻、電壓和電流三種測量模式，各模式可單獨(dú)啟動，也可由反饋判定模塊依次開啟并快速切換，然后自動判別或手動確認(rèn)傳感器的最佳測量模式；測量電路根據(jù)反饋信號值自動調(diào)節(jié)取樣電阻，從而無需手動換擋即可實(shí)現(xiàn)大范圍的測量；氣室內(nèi)集成多個(gè)傳感器插座、靜態(tài)配氣系統(tǒng)可以同時(shí)分析多個(gè)傳感器，并提供便利的氣體稀釋和液體蒸發(fā)配氣方式；氣室可連接動態(tài)配氣系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的應(yīng)用環(huán)境模擬；環(huán)境溫度和環(huán)境濕度可智能調(diào)控，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器實(shí)際工作環(huán)境的模擬。此外，智能分析裝置配置了相應(yīng)的上位機(jī)軟件單元，能夠記錄測量數(shù)據(jù)并直接換算成相應(yīng)模式的不同靈敏度表示形式(如電阻型的可表示為Rg、Rg/Ra、Ra/Rg、|Ra-Rg|/Ra等)，并且可自動判斷傳感器的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間，自動存儲測試條件。

本發(fā)明所述的旁熱式氣體傳感器的智能分析裝置結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所述，其特征在于：智能分析裝置包括主控制單元(1)、測試底座(2)、氣罩(3)、環(huán)境濕度控制單元(4)、上位機(jī)軟件單元(5)。

本發(fā)明所述的主控制單元(1)內(nèi)部包含反饋判定模塊(10)、電阻測量模塊(11)、電壓測量模塊(12)、電流測量模塊(13)、加熱電流控制模塊(14)、總控制模塊(15)、環(huán)境溫度控制模塊(16)、環(huán)境濕度控制模塊(17)、通信管理模塊(18)、電源模塊(19)。其中，電源模塊(19)用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為各個(gè)模塊所需的工作電壓，其開啟和關(guān)閉由前面板的電源開關(guān)(105)控制。

本發(fā)明所述的主控制單元(1)內(nèi)部包含的電阻測量模塊(11)、電壓測量模塊(12)和電流測量模塊(13)由多組取樣電阻構(gòu)成，可起到分阻、分壓或者分流的作用，并分別通過各自的微控制器(電阻模塊微控制器，電壓模塊微控制器、電流模塊微控制器)進(jìn)行判斷和選擇。反饋判定模塊(10)可自動開啟電阻、電壓和電流三個(gè)測量模塊并進(jìn)行快速切換，測量模塊將所有數(shù)據(jù)都上傳至總控制(15)上，總控制模塊(15)將信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過通信管理模塊(18)上傳至上位機(jī)軟件單元(5)進(jìn)行靈敏度和響應(yīng)恢復(fù)特性的分析。數(shù)值分析可借助上位機(jī)軟件單元(5)選擇自動模式或手動模式，如果選擇自動模式，系統(tǒng)可根據(jù)通入目標(biāo)氣體前后引起的電阻、電壓及電流的變化結(jié)果，自動確定變化最顯著的數(shù)據(jù)為唯一的測試結(jié)果；如果選擇手動模式，則可以根據(jù)三種測量模式的變化曲線手動確定測量模式并保留結(jié)果。為操作方便，在主控制單元(1)的前面板上設(shè)有自動(101)、電阻(102)、電壓(103)和電流(104)四個(gè)控制開關(guān)，分別連接反饋判定模塊(10)、電阻測量模塊(11)、電壓測量模塊(12)和電流測量模塊(13)。對于已知類型的傳感器元件，可直接選擇適宜的測量模塊，對未知類型的傳感器元件，也可在自動模式下啟動反饋判定模塊(10)先確定適宜的測量模塊然后再用手動方式直接在主控制單元(1)前面板上選擇該測量模塊繼續(xù)測試。

本發(fā)明所述的測試底座(2)內(nèi)部設(shè)有8個(gè)傳感器插座(21)、液體蒸發(fā)器(22)、風(fēng)扇(23)、溫濕度傳感器(24)、照明(25)、動態(tài)配氣通道(26)。測試底座的前面板設(shè)有觸摸控制屏(27)、風(fēng)扇控制開關(guān)(28)和照明控制開關(guān)(29)。傳感器插座(21)內(nèi)部連接測量電路，測量電路與電阻測量模塊(11)、電壓測量模塊(12)、電流測量模塊(13)和加熱電流控制模塊(14)連接，從而能夠?qū)崿F(xiàn)多種測量模式。傳感器插座(21)內(nèi)部還連接加熱電路，加熱電路由加熱電流控制模塊(14)控制，傳感器的工作溫度通過調(diào)整加熱電流控制。觸摸控制屏(27)內(nèi)部連接總控制模塊(15)，經(jīng)過通信管理模塊(18)的處理，能夠控制加熱電流控制模塊(14)、環(huán)境溫度控制模塊(16)、環(huán)境濕度控制模塊(17)。在觸摸控制屏(27)的操作界面上設(shè)有加熱電流(271)可設(shè)置各個(gè)傳感器的加熱電流，環(huán)境溫度(272)可設(shè)置傳感器工作的環(huán)境溫度，環(huán)境濕度(273)可設(shè)置傳感器工作的環(huán)境濕度，蒸發(fā)溫度(274)可設(shè)置其室內(nèi)液體蒸發(fā)器(22)的工作溫度，電流統(tǒng)設(shè)(275)可統(tǒng)一設(shè)置各傳感器的加熱電流，安全關(guān)機(jī)(276)可進(jìn)行預(yù)關(guān)機(jī)。測試底座(2)內(nèi)的動態(tài)配氣通道(26)最后用導(dǎo)管從底座后面板引出，可用于接入動態(tài)配氣裝置。

本發(fā)明所述的氣罩(3)體積為20L，內(nèi)部材質(zhì)為不銹鋼，不銹鋼的周圍布滿均勻的絕緣加熱絲(31)，外部使用絕緣材料(32)隔熱，環(huán)境溫度控制模塊(16)通過均勻分布在氣罩(3)的加熱絲(31)和溫濕度傳感器(24)調(diào)節(jié)氣室的整體溫度，也就是實(shí)現(xiàn)傳感器工作時(shí)環(huán)境溫度的模擬。氣罩(3)可通過翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸(37)與測試底座(2)構(gòu)成打開或封閉的氣室。在封閉的氣室里，可進(jìn)行動態(tài)配氣和靜態(tài)配氣，其中動態(tài)配氣在連接動態(tài)配氣裝置后，直接將配置好的背景氣體和目標(biāo)氣體注入氣室即可。靜態(tài)配氣可分為氣體稀釋和液體蒸發(fā)配氣兩種，氣體稀釋配氣可由氣罩(3)的上端的注氣孔(33)或下端的注液孔(34)注入(具體視氣體的摩爾質(zhì)量而定)氣室；液體蒸發(fā)配氣則從下端的注液孔(34)用注射器或微量進(jìn)樣器注入液體蒸發(fā)器(22)，液體蒸發(fā)器(22)的蒸發(fā)溫度可操作觸摸控制屏(27)上的蒸發(fā)溫度(274)設(shè)置。靜態(tài)配氣時(shí)可開啟風(fēng)扇(23)輔助配氣，開啟照明(25)輔助觀察。在氣罩(3)頂部設(shè)有器件觀察窗(35)用于觀察傳感器的工作情況，與液體蒸發(fā)器(22)對應(yīng)位置的上端設(shè)有液體觀察窗(36)用于觀察液體配氣時(shí)氣體揮發(fā)情況。

本發(fā)明所述的環(huán)境濕度控制單元(4)主要由干燥氣體(41)及其調(diào)節(jié)閥(43)、飽和濕度氣體(42)及其調(diào)節(jié)閥(44)和濕度混合室(45)構(gòu)成，系統(tǒng)內(nèi)部連接濕度控制模塊(17)與觸摸控制屏(27)，外部通過濕度混合室(45)直接從氣箱底座(2)接入氣室。操作時(shí)可通過環(huán)境濕度(273)設(shè)定按鈕設(shè)定環(huán)境濕度值，濕度控制模塊(17)會根據(jù)氣室內(nèi)的溫濕度傳感器(24)反饋回來的濕度的值自動調(diào)節(jié)環(huán)境濕度，以準(zhǔn)確控制氣室內(nèi)的環(huán)境濕度。

本發(fā)明所述的上位機(jī)軟件單元(5)可根據(jù)通信管理模塊(18)提供的信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并在軟件界面上繪制出電阻(電壓或電流)-時(shí)間曲線，軟件內(nèi)集成了相應(yīng)的運(yùn)算，可以自動篩選最佳的測量模式，直接實(shí)現(xiàn)各模式不同靈敏度類型(如電阻型可表示為Rg/Ra、Ra/Rg、|Ra-Rg|/Ra等)的換算，計(jì)算器件對不同目標(biāo)氣體的響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間，并記錄測試的環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、器件工作溫度等參數(shù)。

系統(tǒng)工作原理為：首先通過環(huán)境溫度控制模塊(16)和環(huán)境濕度控制模塊(17)將傳感器的測試環(huán)境調(diào)節(jié)到所需模擬的應(yīng)用場合；將傳感器接入到傳感器插座(21)中，通過加熱電流控制模塊(14)調(diào)節(jié)傳感器的工作電流，進(jìn)而控制敏感材料層的工作溫度，最終找到傳感器的最佳工作條件；選擇測量模式，若開啟自動模式開關(guān)(101)，反饋判定模塊(10)會依次開啟電阻測量模塊(11)、電壓測量模塊(12)和電流測量模塊(13)并快速切換，借助上位機(jī)軟件單元(5)可選擇自動確定最適宜的測量模式，或是手動選擇以便對比分析三種測量模式；若單獨(dú)啟動電阻模式控制開關(guān)(102)、電壓模式控制開關(guān)(103)或電流測試模式的控制開關(guān)(104)，系統(tǒng)則只啟動選定的測量模塊，只記錄單一測量模式采集的圖形和數(shù)據(jù)；傳感器的信號通過測量模塊進(jìn)入總控制模塊(15)，處理后的數(shù)字信號輸入通信管理模塊(18)，并上傳至上位機(jī)軟件單元(5)，上位機(jī)軟件單元(5)可將采集到的信號換算成不同類型的靈敏度，計(jì)算響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間，同時(shí)儲存測試條件。

附圖說明

圖1：本發(fā)明所述的智能分析裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2：本發(fā)明所述的測試底座俯視圖；

圖3：本發(fā)明所述的測試底座前面板結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4：本發(fā)明所述的氣室結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5：本發(fā)明所述的環(huán)境濕度控制單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6：本發(fā)明所述的主控制單元結(jié)構(gòu)框圖；

圖7：本發(fā)明所述的加熱電流與溫度的校準(zhǔn)曲線；

圖8：本發(fā)明所述的電阻型氣體傳感器的典型結(jié)果；

圖9：本發(fā)明所述的電壓型氣體傳感器的典型結(jié)果；

圖10：本發(fā)明所述的電流型氣體傳感器的典型結(jié)果；

圖11：本發(fā)明所述的自動模式測量所獲得的電阻型氣體傳感器的典型結(jié)果。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，各部分名稱為：主控制單元(1)、測試底座(2)、氣罩(3)、環(huán)境濕度控制單元(4)、上位機(jī)軟件單元(5)。主控制單元的控制面板上有自動(101)、電阻(102)、電壓(103)、電流(104)這4個(gè)測量模式的控制按鈕和電源(105)的控制開關(guān)。

如圖2所示，測試底座(2)內(nèi)部設(shè)有多個(gè)傳感器插座(21)、液體蒸發(fā)器(22)、風(fēng)扇(23)、溫濕度傳感器(24)、照明(25)、動態(tài)的配氣通道(26)。

如圖3所示，測試底座(2)的前面板包括觸摸控制屏(27)、控制開風(fēng)扇關(guān)(28)和照明控制開關(guān)(29)，其中，觸摸控制屏(27)上設(shè)有電流(271)、環(huán)境溫度(272)、環(huán)境濕度(273)、蒸發(fā)溫度(274)、電流統(tǒng)設(shè)(275)、安全關(guān)機(jī)(276)等按鈕。

如圖4所示，氣罩(3)腔壁夾層均勻布滿加熱絲(31)，外部包裹絕緣隔熱材料(32)，氣室壁上設(shè)有注氣孔(33)和注液孔(34)、器件觀察窗(35)和液體觀察窗(36)，氣罩一端安裝了可翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸(37)。其中注氣孔可用膠墊和螺絲(38)密封，觀察窗均使用的是石英玻璃。

如圖5所示，環(huán)境濕度控制單元(4)主要由干燥氣體(41)及其調(diào)節(jié)閥(43)、飽和濕度氣體(42)及其調(diào)節(jié)閥(44)構(gòu)成和濕度混合室(45)構(gòu)成，濕度混合室(45)可直接將濕氣通入氣室。

如圖6所示，主控制單元各部分名稱為：反饋判定模塊(10)、電阻測量模塊(11)、電壓測量模塊(12)、電流測量模塊(13)、加熱電流控制模塊(14)、總控制模塊(15)、環(huán)境溫度控制模塊(16)、環(huán)境濕度控制模塊(17)、通信管理模塊(18)、電源模塊(19)。

如圖7所示，本發(fā)明所提供的旁熱式氣體傳感器的加熱電流與溫度有一定的對應(yīng)關(guān)系，180mA對應(yīng)的是300℃，然后上下每調(diào)節(jié)20mA，溫度上升和下降約40℃。

下面結(jié)合上述附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說明：選用PHILIPS LPC214x ARM7微處理器作為總控制模塊(15)；北京艾立特科技有限公司R121芯片組為電阻測量模塊(11)主芯片、北京艾立特科技有限公司V212芯片組為電壓測量模塊(12)主芯片、北京艾立特科技有限公司I120芯片組為電流測量模塊(13)主芯片，松下電子G310芯片組為電源模塊(19)主芯片，繪制PCB電路板，將各芯片與取樣電阻、以及其他相關(guān)器件焊接至電路板；

通過C51語言編寫程序，實(shí)現(xiàn)：反饋判定模塊(10)的自動判定功能；電阻測量模塊(11)、電壓測量模塊(12)和電流測量模塊(13)的測量功能；加熱電流控制模塊(14)的直流輸出及調(diào)節(jié)功能；總控制模塊(15)對觸摸控制屏(27)指令的處理；環(huán)境溫度控制模塊(16)和環(huán)境濕度控制模塊(17)的調(diào)節(jié)功能；通信管理模塊(18)的軟硬件對接；電源模塊(19)的電源管理；

通過C51語言編寫程序，實(shí)現(xiàn)總控制模塊(15)與觸摸控制屏(27)的對接，實(shí)現(xiàn)在觸摸控制屏(27)上設(shè)置環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、加熱電流、液體蒸發(fā)溫度。

通過VC語言編寫程序，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件單元(5)對傳感器的靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間的分析功能。

實(shí)施例1

本實(shí)施例使用北京天盛科技有限公司的已知的電阻型的MQ135型旁熱式氣體傳感器為測試器件，以提供上述氣敏分析裝置用于分析器件的具體方法，其步驟如下：

1、連接好智能分析裝置的電路，將器件直接插入傳感器插座(21)，然后蓋上氣罩(3)以構(gòu)成封閉的氣室。

2、設(shè)定工作條件：在觸摸控制屏(27)上設(shè)置環(huán)境溫度(272)為300℃，環(huán)境濕度(273)為30％RH，模擬某化工廠廢氣排出口的溫度和濕度。然后設(shè)置目標(biāo)傳感器的加熱電流(271)為180mA。

3、使用動態(tài)配氣系統(tǒng)配氣：連接動態(tài)配氣系統(tǒng)，通入純凈的空氣作為背景氣體。

4、選擇測試模式：MQ135為已知的電阻型氣體傳感器，有兩種測量模式可選，可優(yōu)先選擇電阻測量模式，開啟控制開關(guān)(102)即可；也可開啟自動測量模式，開啟控制開關(guān)(101)。

5、開啟上位機(jī)軟件單元(5)，如果選擇電阻測量模式，系統(tǒng)只啟動電阻測量模塊(11)，上位機(jī)軟件單元也只將給出電阻的變化的圖形和數(shù)據(jù)；如果選擇自動測量模式，系統(tǒng)將依次開啟電阻、電壓和電流三個(gè)測量模式并快速切換，上位機(jī)軟件單元也將同步記錄電阻、電壓和電流的變化的圖形和數(shù)據(jù)。

6、待器件的電阻值穩(wěn)定后，通入100ppm的目標(biāo)氣體氨氣，待器件的電阻值在目標(biāo)氣體的氣氛中穩(wěn)定后，停止通入目標(biāo)氣體，再次通入背景氣體，待器件在背景氣體中的電阻值再次穩(wěn)定后，可以選擇停止測試或進(jìn)行下一輪的測試。測試結(jié)束后，則可以直接將數(shù)據(jù)存儲為txt或xls格式。圖8是根據(jù)測試結(jié)果繪制的典型的電阻型氣體傳感器的氣敏特性圖。

實(shí)施例2

本實(shí)施例使用北京易尋方達(dá)科技有限公司的電壓型旁熱式氣體傳感器YSZ300為測試器件，提供電壓型器件的具體測試方法。具體實(shí)施步驟與實(shí)施例1不同的是：

1、可選的測試模式改為自動或電壓兩種。

2、環(huán)境條件設(shè)為600℃，濕度可設(shè)為30％RH。

3、背景氣體是N₂，測試氣體為NO，濃度為100ppm。

4、圖9是電壓型氣體傳感器的典型測試結(jié)果，說明設(shè)備成功獲得了電壓型傳感器的特性。

實(shí)施例3

本實(shí)施例使用北京艾立特科技有限公司的電流型旁熱式氣體傳感器WO101為測試器件，提供電流型器件的具體測試方法。具體實(shí)施步驟與實(shí)施例1不同的是：

1、可選的測試模式改為自動或電流兩種。

2、環(huán)境條件設(shè)置為30℃，濕度可設(shè)為30％RH。

3、測試氣體為H₂S，濃度為100ppm。

4、圖10是電流型氣體傳感器的典型測試結(jié)果，說明設(shè)備成功獲得了電流型傳感器的特性。

實(shí)施例4

本實(shí)施例使用北京艾立特科技有限公司的電阻型旁熱式氣體傳感器RG003為測試器件，通過自動模式測量傳感器的特性，以提供上述氣敏分析裝置用于分析器件的具體方法。具體實(shí)施步驟與實(shí)施例1不同的是：

1、可選的測試模式改為自動。

2、環(huán)境條件設(shè)為100℃，濕度可設(shè)為30％RH。

3、測試氣體為NO₂，濃度為10ppb。

4、圖11是本發(fā)明所述的自動模式的氣體傳感器的典型結(jié)果對比?？梢钥闯鱿到y(tǒng)自動選擇電阻模式進(jìn)行分析，排除了電壓和電流模式，獲得了正確的測試結(jié)果。