一种多物理场耦合环境的气体传感器特性测试系统的制作方法

本发明属于气敏元件测试领域，涉及一种多物理场耦合环境的气体传感器特性测试系统。

背景技术：

气敏材料是指在一定条件下，其化学物理性质会随着与外界气体接触而发生改变的材料，并可以将其感应状态转化为电信号，通过电信号的变化来反馈所接触的气体浓度。同时，其化学物理条件会随着外界温度，湿度，磁场，光激发等条件而改变。一般的，在目前气敏传感器测试中，主要环境条件控制包括：温度，湿度，压强，光照。

中国专利cn105866331a公开了一种动态、静态配气两用的气体传感器测试系统；中国专利cn101140252b公开了一种对气体传感器或半导体器件性能进行测试的系统；中国专利cn104155416b公开了一种可控湿度的静态气敏测试装置及方法；中国专利cn2929719公开了一种动态气敏光敏材料性能测试装置。

目前的气体传感器测试系统，未考虑环境磁场条件。而某些金属或半导体材料具有磁阻效应。即其电阻值随外加磁场变化而变化的现象。具体说来是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。在达到稳态时，某一速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。并且目前已有研究表明，磁场对气敏传感器的气敏特性是有影响的，具体有以下论文证明：赵淑枝，金修饰、磁场和乙醇对zno纳米棒膜o2气敏性能的增强作用，天津理工大学，2013。

不同的气体传感器应用于不同的工程环境中。为了测量气敏材料的最佳工作条件以及在实验室中模拟实际工程条件，需要实验室气敏测试系统能够实现多种条件控制，随着对气敏材料研究的深入，进一步研究温度，湿度，被测气体浓度以及外界磁场对传感器灵敏度的影响越来越重要，因此急需一种对磁场进行可控模拟的气敏传感器测试系统。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种同时模拟环境中磁场，温度，湿度，压强，光照多物理场耦合环境的气体传感器特性测试系统。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多物理场耦合环境的气体传感器特性测试系统，包括配气系统、测试室、测试环境控制单元和测试单元；

配气系统：包括气体钢瓶、质量流量计、气体混合装置、气体通道和截止阀，所述气体钢瓶至少有两个，一个通载气，另一个通被测气体；所述气体钢瓶的瓶口通过进气通道与气体混合装置连通，气体混合装置与测试室的测试腔室连通，所述质量流量计设置在进气通道上，截止阀设置在气体通道上；

测试室：包括测试腔室、密封盖、温度湿度传感器、压力计、三维亥姆霍兹线圈、加热平台、气敏传感器放置接口和接线箱；所述测试腔室为密闭的圆形桶，底部与测试环境控制单元相连，接口处经过密封，在测试腔室的顶部设有密封盖，放置传感器时，将密封盖打开，安装传感器，所述温度湿度传感器设置在测试腔室内，用于检测测试腔室内的温度和湿度并显示；所述压力计与测试腔室连接；所述接线箱设置在测试腔室底部，所述接线箱上设置加热平台，加热平台上设置气敏传感器放置接口，所述三维亥姆霍兹线圈正对气敏传感器放置处设置，所述三维亥姆霍兹线圈由测试环境控制单元中的磁场控制器控制，用于给气敏传感器增加外界磁场；气敏传感器置于气敏传感器放置接口；在气敏传感器放置位置装有热电偶，可以测量气敏传感器的实时温度，并通过传输线传至气敏传感器的信号输出端与测试腔室外的数据采集器信号输入端通过传输线相连，传输线位于接线箱内部，接线箱与测试腔室连接处经过密封处理；

测试环境控制单元：包括与测试腔室连接的真空泵、湿度控制器、磁场控制器和温度控制器，以及设置在测试腔室内的光源控制器，所述真空泵用于调节测试腔室内的压强，所述湿度控制器控制调节测试腔室内的湿度，磁场控制器通过控制三维亥姆霍兹线圈内的电流以控制气敏单元所处空间的磁场；温度控制器用于给传感器加热；光源控制器控制冷光源给传感器增加光照，所述冷光源为耐温光纤；

测试单元：包括数据采集器和计算机，所述数据采集器通过接头与气敏传感器底部相连，采集气敏传感器的数据，经过降噪及数据处理，传输数据至计算机，所得的数据为实时电流电压，经计算机自动化处理可获得实时电阻，通过电阻变化反应气敏传感器的气敏特性，并能够计算电阻变化的时间，得到响应时间及恢复时间。

进一步，密封盖与腔室连接处有密封圈。

进一步，所述气敏传感器放置接口有八个，能够同时测量八个气敏传感器的响应状态。

进一步，所述温度控制器的加热区间为室温至600摄氏度。

进一步，磁场控制器通过控制直流稳流电源向三维亥姆霍兹线圈输入电流，在三维亥姆霍兹线圈内部产生磁场，在气敏传感器放置的部位还安装有三维磁场测量装置，用于检测磁感应强度，并将测得的磁感应强度反馈至磁场控制器，所述磁场控制器将实际测得的磁感应强度与预设值进行比较，并根据比较结果调整直流稳流电源通入线圈空间的电流，使得实际测得的结果与预设值的差值控制在一定范围内。

本发明的有益效果在于：增加磁场控制装置，可以对气敏传感器周围的磁场进行控制，为气敏传感器的特性测试提供了磁场环境。磁场控制选择三维亥姆霍兹线圈磁场控制装置，能够获得强度，方向可控，均匀度高，稳定性好的磁场。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述的多物理场耦合环境的气体传感器特性测试系统的结构示意图；

图2为本发明所述的磁场控制单元结构示意图。

附图说明：测试腔室1、密封盖2、温度湿度传感器3、压力计4、截止阀5、真空泵6、湿度控制器7、阀门8、三维亥姆霍兹线圈9、加热平台10、气敏传感器放置接口11、接线箱12、磁场控制器13、温度控制器14、数据采集器15、计算机16、气体混合装置17、气体通道18、进气通道19、质量流量计20、气体钢瓶21、减压阀22、光源控制器23、耐温光纤24。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，一种多物理场耦合环境的气体传感器特性测试系统，包括配气系统、测试室、测试环境控制单元和测试单元；

配气系统：包括气体钢瓶21、质量流量计20、气体混合装置17、气体通道18和截止阀5，所述气体钢瓶21至少有两个，一个通载气，另一个通被测气体；所述气体钢瓶21的瓶口通过进气通道19与气体混合装置17连通，气体混合装置17与测试室的测试腔室1连通，所述质量流量计20设置在进气通道19上，截止阀5设置在气体通道18上；

测试室：包括测试腔室1、密封盖2、温度湿度传感器3、压力计4、三维亥姆霍兹线圈9、加热平台10、气敏传感器放置接口11和接线箱12；所述测试腔室1为密闭的圆形桶，底部与测试环境控制单元相连，接口处经过密封，在测试腔室1的顶部设有密封盖2，放置传感器时，将密封盖2打开，安装传感器，所述温度湿度传感器3设置在测试腔室1内，用于检测测试腔室1内的温度和湿度并显示；所述压力计4与测试腔室1连接；所述接线箱12设置在测试腔室1底部，所述接线箱12上设置加热平台10，加热平台10上设置气敏传感器放置接口11，所述三维亥姆霍兹线圈9正对气敏传感器放置处设置，所述三维亥姆霍兹线圈9由测试环境控制单元中的磁场控制器13控制，用于给气敏传感器增加外界磁场；气敏传感器置于气敏传感器放置接口11；在气敏传感器放置位置装有热电偶，可以测量气敏传感器的实时温度，并通过传输线传至气敏传感器的信号输出端与测试腔室1外的数据采集器15信号输入端通过传输线相连，传输线位于接线箱12内部，接线箱12与测试腔室1连接处经过密封处理；

测试环境控制单元：包括与测试腔室1连接的真空泵6、湿度控制器7、磁场控制器13和温度控制器14，以及设置在测试腔室1内的光源控制器23，所述真空泵6用于调节测试腔室1内的压强，所述湿度控制器7控制调节测试腔室1内的湿度，磁场控制器13通过控制三维亥姆霍兹线圈9内的电流以控制气敏单元所处空间的磁场；温度控制器14用于给传感器加热；光源控制器23控制冷光源给传感器增加光照，所述冷光源为耐温光纤24；

测试单元：包括数据采集器15和计算机16，所述数据采集器15通过接头与气敏传感器底部相连，采集气敏传感器的数据，经过降噪及数据处理，传输数据至计算机16，所得的数据为实时电流电压，经计算机16自动化处理可获得实时电阻，通过电阻变化反应气敏传感器的气敏特性，并能够计算电阻变化的时间，得到响应时间及恢复时间。

可选地，密封盖2与腔室连接处有密封圈。

可选地，所述气敏传感器放置接口11有八个，能够同时测量八个气敏传感器的响应状态。

可选地，所述温度控制器14的加热区间为室温至600摄氏度。

可选地，如图2所示，磁场控制器13通过控制直流稳流电源向三维亥姆霍兹线圈9输入电流，在三维亥姆霍兹线圈9内部产生磁场，在气敏传感器放置的部位还安装有三维磁场测量装置，用于检测磁感应强度，并将测得的磁感应强度反馈至磁场控制器，所述磁场控制器将实际测得的磁感应强度与预设值进行比较，并根据比较结果调整直流稳流电源通入线圈空间的电流，使得实际测得的结果与预设值的差值控制在一定范围内。

实施例一：

(1)实验准备

将气敏元件安装在气敏传感器放置接口11处。其输出信号通过导线引出至外面的数据采集器15，数据采集器15的输出端与计算机16的信号输入端相连。安装完成后，将测试腔体通过密封盖2加以密封，形成密闭空间，该测试腔体材质为不锈钢，能够满足实验过程中的气压条件以及被测气体的腐蚀性。之后进行抽真空，具体操作为关闭进气部分气体通道18的截止阀5。打开真空泵6对测试腔室1进行抽真空处理。

(2)进行实验

根据被测气体的浓度要求，打开减压阀22，进气通道19部分的截止阀5，通过计算机16控制质量流量计20的电压，自动控制达到各个进气通道19的气体流量。气体经过气体混合装置17进行充分混合，经过气体通道18进入测试腔室1。观察压力计4，达到所要求的气压时，停止通气。关闭截止阀5。通过温度控制器14，改变实验温度。获得不同温度条件下的气敏响应。此时其他测试条件应保持不变。

(3)记录数据

所得实验结果在计算机16上经过处理，获得随温度变化的气敏响应曲线。之后对测试装置进行抽真空处理。

实施例二：

实验准备同实施例一，在进行试验部分，将湿度作为改变条件。通过控制湿度控制器7，改变测试腔室1内的湿度，记录实验数据。

实施例三

实验准备同实施例一，在进行试验部分，将光照作为改变条件。通过控制光源控制器23改变腔室内的光照强度，记录实验数据。

实施例四

实验准备同实施例一，在进行试验部分，将磁场作为改变条件。通过磁场控制器13，根据实验需要，设置磁场大小，方向等条件。本测试系统所用的磁场控制器13可以获得强度，方向可控，均匀度高，稳定性好的磁场。具体通过在气体传感器放置的部位安装有三维磁场测量装置，用于检测磁感应强度，并将测得的磁感应强度反馈至磁场控制器，该磁场控制器将实际测得的磁感应强度与预设值进行比较，并根据比较结果调整直流稳流电源通入线圈空间的电流，使得实际测得的结果与预设值的差值控制在一定范围内。完成磁场的控制后，根据实验需要，改变磁场条件。记录实验数据。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。