一種用於旁熱式氣體傳感器的智能氣敏分析裝置的製作方法

2023-10-05 01:16:39 2

本發明屬於傳感器分析裝置領域，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智能分析裝置。系統可以覆蓋當前所有旁熱式氣體傳感器的測試需求，並且具有測量範圍大、測量連續無需換擋、支持多種配氣方式、環境溫溼度可控等特點。

背景技術：

隨著現代工業技術的發展，用於生產生活的氣體種類和數量不斷增多，與此同時，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體傳感器、紅外傳感器、電化學傳感器等多種，其中半導體傳感器具有體積小、安裝便捷、成本低廉等優點，因此在民用市場應用極其廣泛，每年市場銷量達到數百萬支。相應地，對於半導體傳感器的研發和測量也獲得極大的關注。

半導體傳感器從器件結構可以分為旁熱式傳感器、直熱式傳感器兩類，旁熱式傳感器穩定性高、一致性好，所以佔據了市場的主導地位。旁熱式傳感器是指加熱絲和信號電極之間電學隔離的結構，典型的器件製作過程為：將敏感材料塗覆在中空的陶瓷管上，陶瓷管兩端製作有兩個環狀電極，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、快的響應恢復速度以及良好的選擇性和穩定性等參數。

根據使用的敏感材料和電極設計，以及所針對的目標應用場合的不同，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。對於不同的輸出方式，需要搭建不同的測量設備。而近年來開發出的一些新型敏感材料，如有機半導體(如酞菁)、共軛高分子(如導電聚合物)、新型碳材料(如碳納米管、石墨烯)等，可以輸入多種信號，導致相應傳感器的測量過程非常繁瑣，經常在某個設備上測量完畢後又轉移到另一套設備中，而不同的氣敏分析儀器氣室結構、氣氛濃度均勻度、控溫準確度都很難達到統一，測量結果無法橫向比較，導致難以判斷出採用哪種輸出信號是最優化的。

同時，現有氣敏分析設備普遍存在氣室溫溼度不可控、測量範圍窄、需要人工換擋等弊端，難以適應各自新型敏感材料、新結構傳感器的研發和測試需求。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明提供了一種針對旁熱式傳感器、能夠實現傳感器測量模式自動判斷的全自動智能分析裝置。

本發明的主要優點是集成了電阻、電壓和電流三種測量模式，各模式可單獨啟動，也可由反饋判定模塊依次開啟並快速切換，然後自動判別或手動確認傳感器的最佳測量模式；測量電路根據反饋信號值自動調節取樣電阻，從而無需手動換擋即可實現大範圍的測量；氣室內集成多個傳感器插座、靜態配氣系統可以同時分析多個傳感器，並提供便利的氣體稀釋和液體蒸發配氣方式；氣室可連接動態配氣系統，能夠實現高精度的應用環境模擬；環境溫度和環境溼度可智能調控，能夠實現傳感器實際工作環境的模擬。此外，智能分析裝置配置了相應的上位機軟體單元，能夠記錄測量數據並直接換算成相應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)，並且可自動判斷傳感器的響應時間和恢復時間，自動存儲測試條件。

本發明所述的旁熱式氣體傳感器的智能分析裝置結構框架圖如圖1所述，其特徵在於：智能分析裝置包括主控制單元(1)、測試底座(2)、氣罩(3)、環境溼度控制單元(4)、上位機軟體單元(5)。

本發明所述的主控制單元(1)內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)、環境溫度控制模塊(16)、環境溼度控制模塊(17)、通信管理模塊(18)、電源模塊(19)。其中，電源模塊(19)用於將輸入電壓轉換為各個模塊所需的工作電壓，其開啟和關閉由前面板的電源開關(105)控制。

本發明所述的主控制單元(1)內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)由多組取樣電阻構成，可起到分阻、分壓或者分流的作用，並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、電壓和電流三個測量模塊並進行快速切換，測量模塊將所有數據都上傳至總控制(15)上，總控制模塊(15)將信號進行模數轉換，並通過通信管理模塊(18)上傳至上位機軟體單元(5)進行靈敏度和響應恢復特性的分析。數值分析可藉助上位機軟體單元(5)選擇自動模式或手動模式，如果選擇自動模式，系統可根據通入目標氣體前後引起的電阻、電壓及電流的變化結果，自動確定變化最顯著的數據為唯一的測試結果；如果選擇手動模式，則可以根據三種測量模式的變化曲線手動確定測量模式並保留結果。為操作方便，在主控制單元(1)的前面板上設有自動(101)、電阻(102)、電壓(103)和電流(104)四個控制開關，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)。對於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後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測試。

本發明所述的測試底座(2)內部設有8個傳感器插座(21)、液體蒸發器(22)、風扇(23)、溫溼度傳感器(24)、照明(25)、動態配氣通道(26)。測試底座的前面板設有觸摸控制屏(27)、風扇控制開關(28)和照明控制開關(29)。傳感器插座(21)內部連接測量電路，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，從而能夠實現多種測量模式。傳感器插座(21)內部還連接加熱電路，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整加熱電流控制。觸摸控制屏(27)內部連接總控制模塊(15)，經過通信管理模塊(18)的處理，能夠控制加熱電流控制模塊(14)、環境溫度控制模塊(16)、環境溼度控制模塊(17)。在觸摸控制屏(27)的操作界面上設有加熱電流(271)可設置各個傳感器的加熱電流，環境溫度(272)可設置傳感器工作的環境溫度，環境溼度(273)可設置傳感器工作的環境溼度，蒸發溫度(274)可設置其室內液體蒸發器(22)的工作溫度，電流統設(275)可統一設置各傳感器的加熱電流，安全關機(276)可進行預關機。測試底座(2)內的動態配氣通道(26)最後用導管從底座後面板引出，可用於接入動態配氣裝置。

本發明所述的氣罩(3)體積為20L，內部材質為不鏽鋼，不鏽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)和溫溼度傳感器(24)調節氣室的整體溫度，也就是實現傳感器工作時環境溫度的模擬。氣罩(3)可通過翻轉轉軸(37)與測試底座(2)構成打開或封閉的氣室。在封閉的氣室裡，可進行動態配氣和靜態配氣，其中動態配氣在連接動態配氣裝置後，直接將配置好的背景氣體和目標氣體注入氣室即可。靜態配氣可分為氣體稀釋和液體蒸發配氣兩種，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量而定)氣室；液體蒸發配氣則從下端的注液孔(34)用注射器或微量進樣器注入液體蒸發器(22)，液體蒸發器(22)的蒸發溫度可操作觸摸控制屏(27)上的蒸發溫度(274)設置。靜態配氣時可開啟風扇(23)輔助配氣，開啟照明(25)輔助觀察。在氣罩(3)頂部設有器件觀察窗(35)用於觀察傳感器的工作情況，與液體蒸發器(22)對應位置的上端設有液體觀察窗(36)用於觀察液體配氣時氣體揮發情況。

本發明所述的環境溼度控制單元(4)主要由乾燥氣體(41)及其調節閥(43)、飽和溼度氣體(42)及其調節閥(44)和溼度混合室(45)構成，系統內部連接溼度控制模塊(17)與觸摸控制屏(27)，外部通過溼度混合室(45)直接從氣箱底座(2)接入氣室。操作時可通過環境溼度(273)設定按鈕設定環境溼度值，溼度控制模塊(17)會根據氣室內的溫溼度傳感器(24)反饋回來的溼度的值自動調節環境溼度，以準確控制氣室內的環境溼度。

本發明所述的上位機軟體單元(5)可根據通信管理模塊(18)提供的信息，進行數據處理，並在軟體界面上繪製出電阻(電壓或電流)-時間曲線，軟體內集成了相應的運算，可以自動篩選最佳的測量模式，直接實現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，計算器件對不同目標氣體的響應-恢復時間，並記錄測試的環境溫度、環境溼度、器件工作溫度等參數。

系統工作原理為：首先通過環境溫度控制模塊(16)和環境溼度控制模塊(17)將傳感器的測試環境調節到所需模擬的應用場合；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)調節傳感器的工作電流，進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(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)並快速切換，藉助上位機軟體單元(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；若單獨啟動電阻模式控制開關(102)、電壓模式控制開關(103)或電流測試模式的控制開關(104)，系統則只啟動選定的測量模塊，只記錄單一測量模式採集的圖形和數據；傳感器的信號通過測量模塊進入總控制模塊(15)，處理後的數位訊號輸入通信管理模塊(18)，並上傳至上位機軟體單元(5)，上位機軟體單元(5)可將採集到的信號換算成不同類型的靈敏度，計算響應時間和恢復時間，同時儲存測試條件。

附圖說明

圖1：本發明所述的智能分析裝置整體結構示意圖；

圖2：本發明所述的測試底座俯視圖；

圖3：本發明所述的測試底座前面板結構示意圖；

圖4：本發明所述的氣室結構示意圖；

圖5：本發明所述的環境溼度控制單元結構示意圖；

圖6：本發明所述的主控制單元結構框圖；

圖7：本發明所述的加熱電流與溫度的校準曲線；

圖8：本發明所述的電阻型氣體傳感器的典型結果；

圖9：本發明所述的電壓型氣體傳感器的典型結果；

圖10：本發明所述的電流型氣體傳感器的典型結果；

圖11：本發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果。

具體實施方式

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)、環境溼度控制單元(4)、上位機軟體單元(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個測量模式的控制按鈕和電源(105)的控制開關。

如圖2所示，測試底座(2)內部設有多個傳感器插座(21)、液體蒸發器(22)、風扇(23)、溫溼度傳感器(24)、照明(25)、動態的配氣通道(26)。

如圖3所示，測試底座(2)的前面板包括觸摸控制屏(27)、控制開風扇關(28)和照明控制開關(29)，其中，觸摸控制屏(27)上設有電流(271)、環境溫度(272)、環境溼度(273)、蒸發溫度(274)、電流統設(275)、安全關機(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轉軸(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，環境溼度控制單元(4)主要由乾燥氣體(41)及其調節閥(43)、飽和溼度氣體(42)及其調節閥(44)構成和溼度混合室(45)構成，溼度混合室(45)可直接將溼氣通入氣室。

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)、環境溫度控制模塊(16)、環境溼度控制模塊(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關係，180mA對應的是300℃，然後上下每調節20mA，溫度上升和下降約40℃。

下面結合上述附圖對本發明的具體實施方式作進一步說明：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晶片組為電阻測量模塊(11)主晶片、北京艾立特科技有限公司V212晶片組為電壓測量模塊(12)主晶片、北京艾立特科技有限公司I120晶片組為電流測量模塊(13)主晶片，松下電子G310晶片組為電源模塊(19)主晶片，繪製PCB電路板，將各晶片與取樣電阻、以及其他相關器件焊接至電路板；

通過C51語言編寫程序，實現：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)的直流輸出及調節功能；總控制模塊(15)對觸摸控制屏(27)指令的處理；環境溫度控制模塊(16)和環境溼度控制模塊(17)的調節功能；通信管理模塊(18)的軟硬體對接；電源模塊(19)的電源管理；

通過C51語言編寫程序，實現總控制模塊(15)與觸摸控制屏(27)的對接，實現在觸摸控制屏(27)上設置環境溫度、環境溼度、加熱電流、液體蒸發溫度。

通過VC語言編寫程序，實現上位機軟體單元(5)對傳感器的靈敏度、響應時間、恢復時間的分析功能。

實施例1

本實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於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)，然後蓋上氣罩(3)以構成封閉的氣室。

2、設定工作條件：在觸摸控制屏(27)上設置環境溫度(272)為300℃，環境溼度(273)為30％RH，模擬某化工廠廢氣排出口的溫度和溼度。然後設置目標傳感器的加熱電流(271)為180mA。

3、使用動態配氣系統配氣：連接動態配氣系統，通入純淨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，可優先選擇電阻測量模式，開啟控制開關(102)即可；也可開啟自動測量模式，開啟控制開關(101)。

5、開啟上位機軟體單元(5)，如果選擇電阻測量模式，系統只啟動電阻測量模塊(11)，上位機軟體單元也只將給出電阻的變化的圖形和數據；如果選擇自動測量模式，系統將依次開啟電阻、電壓和電流三個測量模式並快速切換，上位機軟體單元也將同步記錄電阻、電壓和電流的變化的圖形和數據。

6、待器件的電阻值穩定後，通入100ppm的目標氣體氨氣，待器件的電阻值在目標氣體的氣氛中穩定後，停止通入目標氣體，再次通入背景氣體，待器件在背景氣體中的電阻值再次穩定後，可以選擇停止測試或進行下一輪的測試。測試結束後，則可以直接將數據存儲為txt或xls格式。圖8是根據測試結果繪製的典型的電阻型氣體傳感器的氣敏特性圖。

實施例2

本實施例使用北京易尋方達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。具體實施步驟與實施例1不同的是：

1、可選的測試模式改為自動或電壓兩種。

2、環境條件設為600℃，溼度可設為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果，說明設備成功獲得了電壓型傳感器的特性。

實施例3

本實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。具體實施步驟與實施例1不同的是：

1、可選的測試模式改為自動或電流兩種。

2、環境條件設置為30℃，溼度可設為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果，說明設備成功獲得了電流型傳感器的特性。

實施例4

本實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於分析器件的具體方法。具體實施步驟與實施例1不同的是：

1、可選的測試模式改為自動。

2、環境條件設為100℃，溼度可設為30％RH。

3、測試氣體為NO2，濃度為10ppb。

4、圖11是本發明所述的自動模式的氣體傳感器的典型結果對比。可以看出系統自動選擇電阻模式進行分析，排除了電壓和電流模式，獲得了正確的測試結果。