一种用于旁热式气体传感器的智能气敏分析装置的制作方法

本发明属于传感器分析装置领域，特别涉及一种针对电阻、电压、电流型旁热式气体传感器的自适应智能分析装置。系统可以覆盖当前所有旁热式气体传感器的测试需求，并且具有测量范围大、测量连续无需换挡、支持多种配气方式、环境温湿度可控等特点。

背景技术：

随着现代工业技术的发展，用于生产生活的气体种类和数量不断增多，与此同时，排放的各类有毒有害气体也迅速增加，使得人们面临的健康与安全的威胁也越来越多，因此发展高性能的气体传感器具有重要的意义。气体传感器分为半导体传感器、红外传感器、电化学传感器等多种，其中半导体传感器具有体积小、安装便捷、成本低廉等优点，因此在民用市场应用极其广泛，每年市场销量达到数百万支。相应地，对于半导体传感器的研发和测量也获得极大的关注。

半导体传感器从器件结构可以分为旁热式传感器、直热式传感器两类，旁热式传感器稳定性高、一致性好，所以占据了市场的主导地位。旁热式传感器是指加热丝和信号电极之间电学隔离的结构，典型的器件制作过程为：将敏感材料涂覆在中空的陶瓷管上，陶瓷管两端制作有两个环状电极，使用Ni-Cr加热丝穿过陶瓷管，通过控制Ni-Cr加热丝的电流来控制敏感材料的工作温度，使得传感器工作在一定的工作温度下，以取得大的灵敏度、快的响应恢复速度以及良好的选择性和稳定性等参数。

根据使用的敏感材料和电极设计，以及所针对的目标应用场合的不同，旁热式传感器可以输出电阻(如ZnO、SnO₂)、电压(如YSZ)或者电流(如WO₃、In₂O₃)信号。对于不同的输出方式，需要搭建不同的测量设备。而近年来开发出的一些新型敏感材料，如有机半导体(如酞菁)、共轭高分子(如导电聚合物)、新型碳材料(如碳纳米管、石墨烯)等，可以输入多种信号，导致相应传感器的测量过程非常繁琐，经常在某个设备上测量完毕后又转移到另一套设备中，而不同的气敏分析仪器气室结构、气氛浓度均匀度、控温准确度都很难达到统一，测量结果无法横向比较，导致难以判断出采用哪种输出信号是最优化的。

同时，现有气敏分析设备普遍存在气室温湿度不可控、测量范围窄、需要人工换挡等弊端，难以适应各自新型敏感材料、新结构传感器的研发和测试需求。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种针对旁热式传感器、能够实现传感器测量模式自动判断的全自动智能分析装置。

本发明的主要优点是集成了电阻、电压和电流三种测量模式，各模式可单独启动，也可由反馈判定模块依次开启并快速切换，然后自动判别或手动确认传感器的最佳测量模式；测量电路根据反馈信号值自动调节取样电阻，从而无需手动换挡即可实现大范围的测量；气室内集成多个传感器插座、静态配气系统可以同时分析多个传感器，并提供便利的气体稀释和液体蒸发配气方式；气室可连接动态配气系统，能够实现高精度的应用环境模拟；环境温度和环境湿度可智能调控，能够实现传感器实际工作环境的模拟。此外，智能分析装置配置了相应的上位机软件单元，能够记录测量数据并直接换算成相应模式的不同灵敏度表示形式(如电阻型的可表示为Rg、Rg/Ra、Ra/Rg、|Ra-Rg|/Ra等)，并且可自动判断传感器的响应时间和恢复时间，自动存储测试条件。

本发明所述的旁热式气体传感器的智能分析装置结构框架图如图1所述，其特征在于：智能分析装置包括主控制单元(1)、测试底座(2)、气罩(3)、环境湿度控制单元(4)、上位机软件单元(5)。

本发明所述的主控制单元(1)内部包含反馈判定模块(10)、电阻测量模块(11)、电压测量模块(12)、电流测量模块(13)、加热电流控制模块(14)、总控制模块(15)、环境温度控制模块(16)、环境湿度控制模块(17)、通信管理模块(18)、电源模块(19)。其中，电源模块(19)用于将输入电压转换为各个模块所需的工作电压，其开启和关闭由前面板的电源开关(105)控制。

本发明所述的主控制单元(1)内部包含的电阻测量模块(11)、电压测量模块(12)和电流测量模块(13)由多组取样电阻构成，可起到分阻、分压或者分流的作用，并分别通过各自的微控制器(电阻模块微控制器，电压模块微控制器、电流模块微控制器)进行判断和选择。反馈判定模块(10)可自动开启电阻、电压和电流三个测量模块并进行快速切换，测量模块将所有数据都上传至总控制(15)上，总控制模块(15)将信号进行模数转换，并通过通信管理模块(18)上传至上位机软件单元(5)进行灵敏度和响应恢复特性的分析。数值分析可借助上位机软件单元(5)选择自动模式或手动模式，如果选择自动模式，系统可根据通入目标气体前后引起的电阻、电压及电流的变化结果，自动确定变化最显著的数据为唯一的测试结果；如果选择手动模式，则可以根据三种测量模式的变化曲线手动确定测量模式并保留结果。为操作方便，在主控制单元(1)的前面板上设有自动(101)、电阻(102)、电压(103)和电流(104)四个控制开关，分别连接反馈判定模块(10)、电阻测量模块(11)、电压测量模块(12)和电流测量模块(13)。对于已知类型的传感器元件，可直接选择适宜的测量模块，对未知类型的传感器元件，也可在自动模式下启动反馈判定模块(10)先确定适宜的测量模块然后再用手动方式直接在主控制单元(1)前面板上选择该测量模块继续测试。

本发明所述的测试底座(2)内部设有8个传感器插座(21)、液体蒸发器(22)、风扇(23)、温湿度传感器(24)、照明(25)、动态配气通道(26)。测试底座的前面板设有触摸控制屏(27)、风扇控制开关(28)和照明控制开关(29)。传感器插座(21)内部连接测量电路，测量电路与电阻测量模块(11)、电压测量模块(12)、电流测量模块(13)和加热电流控制模块(14)连接，从而能够实现多种测量模式。传感器插座(21)内部还连接加热电路，加热电路由加热电流控制模块(14)控制，传感器的工作温度通过调整加热电流控制。触摸控制屏(27)内部连接总控制模块(15)，经过通信管理模块(18)的处理，能够控制加热电流控制模块(14)、环境温度控制模块(16)、环境湿度控制模块(17)。在触摸控制屏(27)的操作界面上设有加热电流(271)可设置各个传感器的加热电流，环境温度(272)可设置传感器工作的环境温度，环境湿度(273)可设置传感器工作的环境湿度，蒸发温度(274)可设置其室内液体蒸发器(22)的工作温度，电流统设(275)可统一设置各传感器的加热电流，安全关机(276)可进行预关机。测试底座(2)内的动态配气通道(26)最后用导管从底座后面板引出，可用于接入动态配气装置。

本发明所述的气罩(3)体积为20L，内部材质为不锈钢，不锈钢的周围布满均匀的绝缘加热丝(31)，外部使用绝缘材料(32)隔热，环境温度控制模块(16)通过均匀分布在气罩(3)的加热丝(31)和温湿度传感器(24)调节气室的整体温度，也就是实现传感器工作时环境温度的模拟。气罩(3)可通过翻转转轴(37)与测试底座(2)构成打开或封闭的气室。在封闭的气室里，可进行动态配气和静态配气，其中动态配气在连接动态配气装置后，直接将配置好的背景气体和目标气体注入气室即可。静态配气可分为气体稀释和液体蒸发配气两种，气体稀释配气可由气罩(3)的上端的注气孔(33)或下端的注液孔(34)注入(具体视气体的摩尔质量而定)气室；液体蒸发配气则从下端的注液孔(34)用注射器或微量进样器注入液体蒸发器(22)，液体蒸发器(22)的蒸发温度可操作触摸控制屏(27)上的蒸发温度(274)设置。静态配气时可开启风扇(23)辅助配气，开启照明(25)辅助观察。在气罩(3)顶部设有器件观察窗(35)用于观察传感器的工作情况，与液体蒸发器(22)对应位置的上端设有液体观察窗(36)用于观察液体配气时气体挥发情况。

本发明所述的环境湿度控制单元(4)主要由干燥气体(41)及其调节阀(43)、饱和湿度气体(42)及其调节阀(44)和湿度混合室(45)构成，系统内部连接湿度控制模块(17)与触摸控制屏(27)，外部通过湿度混合室(45)直接从气箱底座(2)接入气室。操作时可通过环境湿度(273)设定按钮设定环境湿度值，湿度控制模块(17)会根据气室内的温湿度传感器(24)反馈回来的湿度的值自动调节环境湿度，以准确控制气室内的环境湿度。

本发明所述的上位机软件单元(5)可根据通信管理模块(18)提供的信息，进行数据处理，并在软件界面上绘制出电阻(电压或电流)-时间曲线，软件内集成了相应的运算，可以自动筛选最佳的测量模式，直接实现各模式不同灵敏度类型(如电阻型可表示为Rg/Ra、Ra/Rg、|Ra-Rg|/Ra等)的换算，计算器件对不同目标气体的响应-恢复时间，并记录测试的环境温度、环境湿度、器件工作温度等参数。

系统工作原理为：首先通过环境温度控制模块(16)和环境湿度控制模块(17)将传感器的测试环境调节到所需模拟的应用场合；将传感器接入到传感器插座(21)中，通过加热电流控制模块(14)调节传感器的工作电流，进而控制敏感材料层的工作温度，最终找到传感器的最佳工作条件；选择测量模式，若开启自动模式开关(101)，反馈判定模块(10)会依次开启电阻测量模块(11)、电压测量模块(12)和电流测量模块(13)并快速切换，借助上位机软件单元(5)可选择自动确定最适宜的测量模式，或是手动选择以便对比分析三种测量模式；若单独启动电阻模式控制开关(102)、电压模式控制开关(103)或电流测试模式的控制开关(104)，系统则只启动选定的测量模块，只记录单一测量模式采集的图形和数据；传感器的信号通过测量模块进入总控制模块(15)，处理后的数字信号输入通信管理模块(18)，并上传至上位机软件单元(5)，上位机软件单元(5)可将采集到的信号换算成不同类型的灵敏度，计算响应时间和恢复时间，同时储存测试条件。

附图说明

图1：本发明所述的智能分析装置整体结构示意图；

图2：本发明所述的测试底座俯视图；

图3：本发明所述的测试底座前面板结构示意图；

图4：本发明所述的气室结构示意图；

图5：本发明所述的环境湿度控制单元结构示意图；

图6：本发明所述的主控制单元结构框图；

图7：本发明所述的加热电流与温度的校准曲线；

图8：本发明所述的电阻型气体传感器的典型结果；

图9：本发明所述的电压型气体传感器的典型结果；

图10：本发明所述的电流型气体传感器的典型结果；

图11：本发明所述的自动模式测量所获得的电阻型气体传感器的典型结果。

具体实施方式

如图1所示，各部分名称为：主控制单元(1)、测试底座(2)、气罩(3)、环境湿度控制单元(4)、上位机软件单元(5)。主控制单元的控制面板上有自动(101)、电阻(102)、电压(103)、电流(104)这4个测量模式的控制按钮和电源(105)的控制开关。

如图2所示，测试底座(2)内部设有多个传感器插座(21)、液体蒸发器(22)、风扇(23)、温湿度传感器(24)、照明(25)、动态的配气通道(26)。

如图3所示，测试底座(2)的前面板包括触摸控制屏(27)、控制开风扇关(28)和照明控制开关(29)，其中，触摸控制屏(27)上设有电流(271)、环境温度(272)、环境湿度(273)、蒸发温度(274)、电流统设(275)、安全关机(276)等按钮。

如图4所示，气罩(3)腔壁夹层均匀布满加热丝(31)，外部包裹绝缘隔热材料(32)，气室壁上设有注气孔(33)和注液孔(34)、器件观察窗(35)和液体观察窗(36)，气罩一端安装了可翻转转轴(37)。其中注气孔可用胶垫和螺丝(38)密封，观察窗均使用的是石英玻璃。

如图5所示，环境湿度控制单元(4)主要由干燥气体(41)及其调节阀(43)、饱和湿度气体(42)及其调节阀(44)构成和湿度混合室(45)构成，湿度混合室(45)可直接将湿气通入气室。

如图6所示，主控制单元各部分名称为：反馈判定模块(10)、电阻测量模块(11)、电压测量模块(12)、电流测量模块(13)、加热电流控制模块(14)、总控制模块(15)、环境温度控制模块(16)、环境湿度控制模块(17)、通信管理模块(18)、电源模块(19)。

如图7所示，本发明所提供的旁热式气体传感器的加热电流与温度有一定的对应关系，180mA对应的是300℃，然后上下每调节20mA，温度上升和下降约40℃。

下面结合上述附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：选用PHILIPS LPC214x ARM7微处理器作为总控制模块(15)；北京艾立特科技有限公司R121芯片组为电阻测量模块(11)主芯片、北京艾立特科技有限公司V212芯片组为电压测量模块(12)主芯片、北京艾立特科技有限公司I120芯片组为电流测量模块(13)主芯片，松下电子G310芯片组为电源模块(19)主芯片，绘制PCB电路板，将各芯片与取样电阻、以及其他相关器件焊接至电路板；

通过C51语言编写程序，实现：反馈判定模块(10)的自动判定功能；电阻测量模块(11)、电压测量模块(12)和电流测量模块(13)的测量功能；加热电流控制模块(14)的直流输出及调节功能；总控制模块(15)对触摸控制屏(27)指令的处理；环境温度控制模块(16)和环境湿度控制模块(17)的调节功能；通信管理模块(18)的软硬件对接；电源模块(19)的电源管理；

通过C51语言编写程序，实现总控制模块(15)与触摸控制屏(27)的对接，实现在触摸控制屏(27)上设置环境温度、环境湿度、加热电流、液体蒸发温度。

通过VC语言编写程序，实现上位机软件单元(5)对传感器的灵敏度、响应时间、恢复时间的分析功能。

实施例1

本实施例使用北京天盛科技有限公司的已知的电阻型的MQ135型旁热式气体传感器为测试器件，以提供上述气敏分析装置用于分析器件的具体方法，其步骤如下：

1、连接好智能分析装置的电路，将器件直接插入传感器插座(21)，然后盖上气罩(3)以构成封闭的气室。

2、设定工作条件：在触摸控制屏(27)上设置环境温度(272)为300℃，环境湿度(273)为30％RH，模拟某化工厂废气排出口的温度和湿度。然后设置目标传感器的加热电流(271)为180mA。

3、使用动态配气系统配气：连接动态配气系统，通入纯净的空气作为背景气体。

4、选择测试模式：MQ135为已知的电阻型气体传感器，有两种测量模式可选，可优先选择电阻测量模式，开启控制开关(102)即可；也可开启自动测量模式，开启控制开关(101)。

5、开启上位机软件单元(5)，如果选择电阻测量模式，系统只启动电阻测量模块(11)，上位机软件单元也只将给出电阻的变化的图形和数据；如果选择自动测量模式，系统将依次开启电阻、电压和电流三个测量模式并快速切换，上位机软件单元也将同步记录电阻、电压和电流的变化的图形和数据。

6、待器件的电阻值稳定后，通入100ppm的目标气体氨气，待器件的电阻值在目标气体的气氛中稳定后，停止通入目标气体，再次通入背景气体，待器件在背景气体中的电阻值再次稳定后，可以选择停止测试或进行下一轮的测试。测试结束后，则可以直接将数据存储为txt或xls格式。图8是根据测试结果绘制的典型的电阻型气体传感器的气敏特性图。

实施例2

本实施例使用北京易寻方达科技有限公司的电压型旁热式气体传感器YSZ300为测试器件，提供电压型器件的具体测试方法。具体实施步骤与实施例1不同的是：

1、可选的测试模式改为自动或电压两种。

2、环境条件设为600℃，湿度可设为30％RH。

3、背景气体是N₂，测试气体为NO，浓度为100ppm。

4、图9是电压型气体传感器的典型测试结果，说明设备成功获得了电压型传感器的特性。

实施例3

本实施例使用北京艾立特科技有限公司的电流型旁热式气体传感器WO101为测试器件，提供电流型器件的具体测试方法。具体实施步骤与实施例1不同的是：

1、可选的测试模式改为自动或电流两种。

2、环境条件设置为30℃，湿度可设为30％RH。

3、测试气体为H₂S，浓度为100ppm。

4、图10是电流型气体传感器的典型测试结果，说明设备成功获得了电流型传感器的特性。

实施例4

本实施例使用北京艾立特科技有限公司的电阻型旁热式气体传感器RG003为测试器件，通过自动模式测量传感器的特性，以提供上述气敏分析装置用于分析器件的具体方法。具体实施步骤与实施例1不同的是：

1、可选的测试模式改为自动。

2、环境条件设为100℃，湿度可设为30％RH。

3、测试气体为NO₂，浓度为10ppb。

4、图11是本发明所述的自动模式的气体传感器的典型结果对比。可以看出系统自动选择电阻模式进行分析，排除了电压和电流模式，获得了正确的测试结果。