CN102495110A - 一种气体传感器测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体传感器测试系统，包括配气单元、气敏性测量装置以及测试单元；所述配气单元包括一个空气供给单元、一个以上的待测气体供给单元、将空气与待测气体混匀的气体混合室，所述气体混合室连通气敏性测量装置，用于将配比后的气体通过管道输入气敏性测量装置。所述测试单元包括数据采集器，连接数据采集器的温控仪、尾气分析装置以及计算机；所述数据采集器分别电连接空气供给单元和气敏性测量装置；尾气分析装置通过管道连通所述气敏性测量装置。

Description

一种气体传感器测试系统

技术领域

本发明涉及一种气体传感器测试系统，更具体的是涉及基于恒流配气方式的气体传感器测试系统。

背景技术

随着工业的发展，诸如SO₂、NO_x、H₂S等工业废气被排放到大气中所带来的不可估量的环境污染问题，CO、H₂、H₂S及CH₄等常用燃料的生产、运输、使用过程中因泄露问题引发中毒、爆炸等危害人民生命和财产安全的一系列灾害性问题，这些关系民生的行为正受到越来越多人的关注。然而在对这些气体进行监控过程中多少都存在需借助大型仪器分析，或者采用昂贵而复杂的监测系统的现象。微结构半导体金属氧化物纳米薄膜SnO₂、WO₃、ZnO、In₂O₃等气体传感器的出现，因具有精度高、反应快、体积小、功耗低、稳定性好等优点，有着很大的潜在市场。

影响微结构金属氧化物半导体气体传感器气敏特性的因素很多，除了纳米薄膜材料制备工艺，气体传感器的微结构，包括传感器测量电极、加热电阻丝，传感器基底，电极和加热电阻丝在基底的分布情况等自身因素外，还受到多种环境因素的影响，如温度、湿度、大气压强、气体的流速、混合的均匀程度以及多种混合气体相互之间的交叉影响等。近几年来，不同种类、不同复杂程度的气体传感器测试系统相继出现，不管采用哪种配气方式，它们都有个共同特点，都是需要反复切换反应气体通断。在切换过程中，管路总气流量会产生波动，这种波动会对气敏性测量装置压力和温度造成一定程度的扰动，进而影响气体传感器测试效果。虽然提高混合气体中载气配气比例可以减轻这种影响，但仍不利于气敏性测量装置内稳定层流的形成，也不利于商业应用中的成本控制。恒流配气是从根本上解决上述问题的关键，稳定的气流可消除气敏性测量装置压力的波动，而且由于稳定的气流不会在气流切换的瞬间改变材料加热载体的散热边界条件，从而也可以从根本上消除反应温度在切换过程中的波动，这最大程度的避免气体被传感器本身所消耗。因此，设计出一种能真实模拟现实环境的基于恒流配气方式的微结构气体传感器性能测试系统，对微结构气体传感器的性能测试具有很大的商业应用价值。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种气体传感器测试系统。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种气体传感器测试系统，包括配气单元、气敏性测量装置以及测试单元；气敏性测量装置，用于为微结构气体传感器性能测试提供测试场所，该气敏性测量装置具有防漏、防爆，安全、可靠。

所述配气单元包括一个空气供给单元、一个以上的待测气体供给单元、将空气与待测气体混匀的气体混合室，所述气体混合室连通气敏性测量装置，用于将配比后的气体通过管道输入气敏性测量装置。

所述测试单元包括数据采集器，连接数据采集器的温控仪、尾气分析装置以及计算机；所述数据采集器分别电连接空气供给单元和气敏性测量装置；尾气分析装置通过管道连通所述气敏性测量装置。

本发明中，所述空气供给单元包括空气贮藏器，空气贮藏器分别通过管道并连两个质量流量控制器，其中一个质量流量控制器连通加湿装置，加湿装置连通所述气体混合室，另一个质量流量控制器直接连通气体混合室。

本发明中，所述加湿装置包括加热瓶、冷凝管、半导体制冷片以及热电偶；加热瓶分别连通所述质量流量控制器和冷凝管，冷凝管连通所述气体混合室；所述半导体制冷片用于给冷凝管降温，热电偶用于给冷凝管测温，所述数据采集器分别连接所述加热瓶、半导体制冷片以及热电偶。

本发明中，所述待测气体供给单元包括待测气体贮藏器，减压阀、电磁阀以及一个质量流量控制器，待测气体贮藏器依次通过减压阀、电磁阀以及质量流量控制器管道连通所述气体混合室。

本发明中，所述尾气分析装置包括湿度计和气体分析仪。用于实时监测所配气体的湿度和浓度变化情况。

本发明中，所述气体混合室内装有孔径小于1mm的多孔网。

所述多通道数据采集器通过USB接口与计算机相连，数据所述温控仪通过RS232串口接口与计算机的串口相连。

发明中的气敏性测量装置，可以参考本申请人的实用新型专利“气敏材料的气敏性测量装置”，专利号ZL200920256712.4；以及发明专利“气敏材料的气敏性测量装置”，专利申请号201010018000.6，本专利所述的气敏性测量装置可以采用上述两篇专利中的敏材料的气敏性测量装置结构。

有益效果：本发明优点如下：1、本发明实现了在不同温度、湿度、不同气氛和浓度梯度环境条件下对气体传感器性能进行测试分析，满足了对气体传感器性能测试的需要。

2、本发明能够分别对传感器气敏材料性能进行初步测试以及完整气体传感器原型进行综合测试。

3、本发明具有恒流配气的功能，能够有效地避免在切换过程中，管路总气流量产生波动，避免这种波动对气敏性测量装置压力和温度造成一定程度的扰动，进而影响气体传感器测试效果。

4、本发明在测量单元抽真空状态下，超过10个小时气压不变，密封性能好，整个装置外部温度低于手可触摸温度，起到很好的防漏、防爆效果；所有连接件除下端盖与筒体连接是焊接外，其他全部是通过螺纹副连接，便于调节、拆装。

5、本发明气体传感器性能测试，以及恒流配气方式，温控方式，尾气分析部分都与计算机相连，能够实现数据的自动化采集和处理，效率高、数据准确。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明实施例系统原理图。

图2a和图2b为本发明实施例测试的两种不同传感器原型结构示意图。

图3为本发明实施例气敏性测量装置上端盖结构示意图。

图4为本发明实施例完整传感器原型放置支撑台结构示意图。

图5为本发明实施例气敏性测量装置中筒及下端盖结构示意图。

图6为本发明实施例辅助加热台结构示意图。

图7为本发明实施例气敏性测量装置结构及聚四氟乙烯结构块轴测图。

图8为本发明实施例电极探针机构结构示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种气体传感器测试系统，包括配气单元、气敏性测量装置以及测试单元；所述配气单元包括一个空气供给单元、一个以上的待测气体供给单元、将空气与待测气体混匀的气体混合室，所述气体混合室连通气敏性测量装置，用于将配比后的气体通过管道输入气敏性测量装置；所述测试单元包括数据采集器，连接数据采集器的温控仪、尾气分析装置以及计算机；所述数据采集器分别电连接空气供给单元和气敏性测量装置；尾气分析装置通过管道连通所述气敏性测量装置。

所述空气供给单元包括空气贮藏器，空气贮藏器分别通过管道并连两个质量流量控制器，其中一个质量流量控制器连通加湿装置，加湿装置连通所述气体混合室，另一个质量流量控制器直接连通气体混合室。

所述加湿装置包括加热瓶、冷凝管、半导体制冷片以及热电偶；加热瓶分别连通所述质量流量控制器和冷凝管，冷凝管连通所述气体混合室；所述半导体制冷片用于给冷凝管降温，热电偶用于给冷凝管测温，所述数据采集器分别连接所述加热瓶、半导体制冷片以及热电偶。

所述待测气体供给单元包括待测气体贮藏器，减压阀、电磁阀以及一个质量流量控制器，待测气体贮藏器依次通过减压阀、电磁阀以及质量流量控制器管道连通所述气体混合室。所述尾气分析装置包括湿度计和气体分析仪。所述气体混合室内装有孔径小于1mm的多孔网。

实施例

如图1所示，本实施例公开了一种气体传感器测试系统，包括配气单元、气敏性测量装置以及测试单元；所述配气单元包括一个空气供给单元1a、三个待测气体供给单元、将空气与三个待测气体混匀的气体混合室5，所述气体混合室连通气敏性测量装置11，用于将配比后的气体通过管道输入气敏性测量装置。气体混合室5出口分出两路，一路直接通过阀12连通大气，另一路连通气敏性测量装置11，连通气敏性测量装置11的管路上接有压力表10。

三个待测气体供给单元分别为氢气供给单元、甲烷供给单元以及一氧化碳供给单元。所述气体混合室内5装有孔径小于1mm的多孔网6。所述尾气分析装置16包括湿度计和气体分析仪。

所述测试单元包括数据采集器14，连接数据采集器的温控仪13、尾气分析装置16以及计算机15。尾气分析装置16通过管道连通所述气敏性测量装置11。

所述空气供给单元的空气贮藏器1a依次连通减压阀2a和电磁阀3a，并连两个质量流量控制器4a、4b，其中质量流量控制器4a连通加湿装置7，加湿装置7连通所述气体混合室5，另一个质量流量控制器4b直接连通气体混合室5。所述质量流量控制器4a、4b为控制载气高纯空气和载有水蒸气的载气的量程0～5SLM的质量流量控制器。

所述加湿装置7包括加热瓶8、冷凝管9、半导体制冷片17以及热电偶18；加热瓶8分别连通所述质量流量控制器4a和冷凝管9，冷凝管9连通所述气体混合室5。所述半导体制冷片17用于给冷凝管降温，热电偶18用于给冷凝管测温，所述数据采集器14分别连接所述加热瓶、半导体制冷片以及热电偶。其中可加热瓶的温度大于冷凝管温度，冷凝管是用于使湿度能达到100％R.H，气体通过可加热瓶的时间太短，还来不及达到热力学平衡，所以后接冷凝管。压力表10置于气敏性测量装置入口端，用于监测进入气敏性测量装置气体的压力。

氢气供给单元、甲烷供给单元以及一氧化碳供给单元分别包括待测气体贮藏器1b、1c、1d，减压阀2b、2c、2d、电磁阀3b、3c、3d以及质量流量控制器4c、4d、4e，质量流量控制器4c、4d、4e分别通过管道连通所述气体混合室。质量流量控制器4c、4d、4e为控制目标气体H₂、CH₄、CO等的量程为0～2SCCM的质量流量控制器。

所述管气路采用双卡套式管接头连接，用于连接气瓶、质量流量控制器、加湿装置、气体混合室、气敏性测量装置等不锈钢气路。

恒流配气单元实现方式如下：

混合气体的浓度C_component是根据气体体积比来定义的，即

$C_{\mathrm{componenti}}=\frac{V_i}{V_{\mathrm{total}}}---\left(1\right)$

式中：C_component是混合气体浓度；V_i是单一组分气体体积；V_total是混合气体体积。混合气体中的湿度用相对湿度形式来表示，即RH％＝d₁/d₂x100％，式中：RH(％)是相对湿度；d₁指单位体积空气内实际所含的水气密度；d₂指同温度下饱和水气密度。

根据道尔顿分压定律，在任何容器内的气体混合物中，如果各组分之间不发生化学反应，则每一种气体都均匀地分布在整个容器内，它所产生的压强和它单独占有整个容器时所产生的压强相同，即：

P_total＝P_w+∑P_i    (2)

式中，P_total表示混合气体总体压强；P_w表示混合气体中水蒸气产生的分压；P_i表示单一组分气体产生的分压。结合阿马伽定律，在确定的温度、压力条件下，混合气体的体积等于所含各种气体的分体积之和，即：

V_total＝V_w+∑V_i    (3)

式中，V_total表示混合气体总体积，V_w表示混合气体中水蒸气体积，V_i表示单一组分气体体积。该定律对理想气体混合气严格成立，对实际气体混合气仅在压力较低时体现出准确性。由道尔顿分压定律和阿马伽定律可知，在忽略分子间相互作用和相同温度、较低压强下，满足：

$\frac{P_i}{P_j}=\frac{V_i}{V_j}---\left(4\right)$

为了使带有一定相对湿度的混合气体仍然能满足气体流量恒定的要求，需要对控制高纯空气流量的MFCs的流量值进行精确计算。计算过程如下：

$C_w=\frac{V_w}{V_{\mathrm{total}}}=\frac{P_{d.p}}{P_a}---\left(5\right)$

式中：C_w是混合气体中水蒸气的浓度；V_w：混合气中水蒸气体积流量；P_d.p：冷水管饱和水蒸汽压；P_a：大气压强冷凝管和气敏性测量装置的大气压强相同。

$V_w=\frac{P_{\mathrm{cooler}}}{P_a-P_{\mathrm{cooler}}}*V_{\mathrm{carriergashum}}---\left(6\right)$

式中：P_coller：冷凝管水蒸气压；V_{carrier gas hum}：载有水蒸气的高纯空气体积流量。

令 $A=\frac{P_{\mathrm{cooler}}}{P_a-P_{\mathrm{cooler}}},$ 则

$C_w=\frac{A*V_{\mathrm{carriergashum}}}{V_{\mathrm{total}}}=\frac{P_{d.p}}{P_a}---\left(7\right)$

$V_{\mathrm{carriergashum}}=\frac{P_{d.p}}{P_a}*\frac{V_{\mathrm{total}}}{A}---\left(8\right)$

V_{carriergasdry}＝V_total-V_{carriergashum}*(1+A)      (9)

式中：V_{carrier gas dry}用于平衡混合气体流量的高纯空气修正体积流量。

以配比不同H₂浓度为例，反应腔内部环境温度30℃，相对湿度50％R.H。根据相对湿度的定义，查询饱和水蒸气表可知，加湿装置的温度需工作在18℃，饱和水蒸气压为2.1237kPa实际工作温度20℃，饱和水蒸气压为2.3346kPa，通入气敏性测量装置气体流量1000ml/min。结合所需测试H₂浓度梯度要求和恒流配气系统理论推导公式，各组分气体流量调节如表1所示。

表1为本实施例各组分气体流量调节表。

本实施例可测试的对象包括两种，一种如图2a所示，所述用于传感器气敏材料性能初步测试的传感器原型19是指该传感器原型只集成了测试电极20，未集成加热电极和测温电极，且测试电极未有引线压焊引出，减少了沉积、刻蚀等工艺，缩短制作周期，节约成本，置于图6所示辅助加热台32工作区域，连接图8所示电极探针机构59，用于传感器气敏材料性能初步测试。另一种如图2b所示，所述完整气体传感器原型21是指集成有加热电极22、测温电极23和测试电极20，且经压焊连有电学量测试引线，置于图4所示完整传感器原型放置支撑台29，连接图3所示上端盖引线接头24，用于某一加热模式下控制完整气体传感器原型在工作温度下性能测试的数据采集器14。

如图7所示，图1所述的气敏性测量装置11包括密封不锈钢壳体47，壳体侧壁上开有气体进、出口，在壳体内设有辅助加热台和完整气体传感器原型放置支撑台29以及伸入壳体的两个电极探针机构59和聚四氟乙烯结构块38，下底端盖设有用于引出辅助加热台控制所需电学量测试用引线接头25，见图5，上端盖设有用于引出完整气体传感器原型性能测试所需电学量测试用引线接头24，见图3，引线接头由密封绝缘套26与金属导电端子组成27。。

所述电学引线包括压焊于完整传感器原型21的加热电极、测温电极和测试电极连接的引线，经上端盖引线接头连接于数据采集器14；包括辅助加热台热电偶、加热电阻丝引线，经下端盖引线接头连接于温控仪13；包括电极探针机构电学量测试引线连接于数据采集器14。从所述上端盖引线接头引出的连线与多通道数据采集器相连，组成完整气体传感器原型21的电学测试回路；从所述下端盖引线接头引出的连线与温控仪相连，从所述电极探针机构引出的连线与多通道数据采集器相连，组成无集成加热电极且未压焊电极引线的传感器19气敏材料性能初步测试回路。

如图3、5和7所示，所述密封壳体包括筒体47，密封设置在筒体上方的上端盖46，以及密封设置在筒体下方的下端盖50；所述辅助加热台包括上盖33和下盖37通过螺纹副连接，加热器35，热电偶温度计34及隔热保温石英棉36，见图6；所述下盖与密封壳体的下端盖固定连接；所述加热台的上盖的中心位置设有测量区43；所述电极探针机构由外部伸入壳体的电极59；所述筒体上设有排气孔48和进气孔49，其中排气孔位于筒体的上半部，进气孔位于筒体的下半部；所述聚四氟乙烯结构块由上结构块38a、中结构块38b以及下结构块构成38c；所述下结构块嵌套在所述加热台的上盖上，与上盖之间留有缝隙，且下结构块与所述测量区相对应的位置设有测量通孔42，下结构块上表面设有与测量通孔连通的且延伸至下结构块边缘的进气通道槽39；所述中结构块上与所述下结构块的测量通孔对应的位置设有气体反应腔41；所述上结构块的下表面设有出气通道槽40和完整气体传感器原型电学量测试引线导出槽44，所述出气通道槽一端与所述中结构块的气体反应腔位置对应，另一端延伸至上结构块边缘，所述引线导出槽40一端贯通整个上结构块，另一端通过上结构块上表面开有的通道与初气通道槽40相连，便于气体排出；所述传感器原型放置支撑台29在卸下电极探针机构下，置放于中结构块中间上表面区域45；如图4所示，所述传感器原型放置支撑台29由不锈钢薄片30和绝缘台31组成；所述上端盖分为中心区和外沿区，其中中心区壁厚小于外沿区壁厚。所述装置辅助加热台引线接头位于筒体下方；所述上端盖外表面与中心区对应的位置设有“十”字槽28，上端盖表面设有完整气体传感器测试引线接头24，所述上、下端盖引线接头均由密封绝缘套26与金属导电端子组成27。

如图6所示，所述辅助加热台32用于提供完整气体传感器原型21所需环境温度，或提供在无集成加热、测温电极情况下传感器19气敏材料性能初步测试所需工作温度，由上端盖33和下端盖37两端盖通过螺纹副连接。辅助加热台32还包括，用于辅助加热台加热的加热器35，用于测量加热器温度的热电偶34用于输出直流信号，连接外部温控仪13，所述加热器35为一盘型加热电阻丝，所述加热电阻丝和热电偶温度计34隔着一层薄石英棉36与加热台上端盖内表面紧密贴合，加热台腔体内剩余空间填满保温石英棉36，起到既能很好的固定加热电阻丝和热电偶温度计的位置，增加加热台螺纹副连接的预紧力，又能减少热量损失。辅助加热台既能提供完整气体传感器原型综合测试所需环境温度，又能为在无集成加热、测温电极情况下传感器气敏材料性能初步测试提供所需工作温度；本测试系统是在气体流速恒定前提下，用于气体传感器在真实环境条件下对传感器气敏性能进行测试。

如图8所示，所述电极探针机构59包括由外部伸入壳体的电极，电极位于壳体内的一端连接有活动弹片52，所述活动弹片一端连接有探针夹头53，所述探针夹头内夹持有探针51；所述电极与活动弹片连接一端活动连接有用于压紧活动弹片的压紧机构58，所述压紧机构位于活动弹片上方；所述压紧机构包括压板54，以及连接在压板一端的压紧螺栓55；所述压板通过螺丝56与电极活动连接；所述电极与筒体接触的位置设有密封绝缘套57。

测试单元包括用于辅助加热台、完整气体传感器原型工作所需加热控制部分，用于气体传感器性能测试部分，以及用于尾气分析部分。

所述用于传感器气敏材料性能初步测试的传感器原型19加热控制部分，包括图1所示温控仪13，连接交流稳压电源和辅助加热台加热器35组成加热回路。温控仪13用于输出直流信号，控制可控硅通断时间比来对控制加热器工作，交流稳压电源为加热器正常工作提供了动力电源

所述完整传感器原型21工作所需加热控制部分包括直流稳压电源连接多通道数据采集器14，辅以简单的外围三极管放大电路组成。

图1所示数据采集器14，具有多路模拟量输出通道，能够为所述传感器提供多种加热模式，其中包括脉冲加热模式PWM。完整传感器原型所需加热功耗约为100mW，简单的外围三极管放大电路为数据采集器模拟量输出通道的加热模式提供了足够的驱动能力。

所述用于气体传感器性能测试的测试部分包括经上端盖引出的引线接头24、下端盖引出的引线接头25、电极探针机构59、多通道数据采集器14。其中，引线接头用于引出气敏性测量装置电学量测试引出。所述多通道数据采集器14，除用作气体传感器测试系统加热单元外，还用于实现测试单元的控制部分，至少包括16路模拟量输入、4路模拟量输出、8路数字量输入输出。

无集成加热电极且未压焊电极引线的传感器气敏材料性能电学量测试实现方式为包括辅助加热台内热电偶、加热电阻丝引线，经下端盖引线接头引出的引线接头25连接于温控仪13，电极探针机构59电学量测试引线连接于多功能数据采集器14，组成无集成加热电极传感器测试回路。完整传感器原型测试实现方式为压焊于加热电极、测温电极和测试电极连接的引线，经上端盖引线接头引出的引线接头24连接于数据采集器，组成完整传感器原型的电学测试回路。所述多通道数据采集器通过USB接口与数据采集器相连，所述温控仪通过RS232串口接口与计算机的串口相连。

所述尾气分析部分16用于实时监测所配气体的湿度和浓度变化情况，包括湿度计和气体分析仪。湿度计用于检测气体中湿度，与控制温度用半导体制冷片17和T型热电偶18一起经电学量引线和多通道数据采集器14相连，组成加湿装置的湿度控制回路。气体分析仪用于检测所配气体组分、浓度与测试要求是否相符。

本发明提供了一种气体传感器测试系统，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种气体传感器测试系统，其特征在于，包括配气单元、气敏性测量装置以及测试单元；

所述配气单元包括一个空气供给单元、一个以上的待测气体供给单元、将空气与待测气体混匀的气体混合室，所述气体混合室连通气敏性测量装置，用于将配比后的气体通过管道输入气敏性测量装置；

所述测试单元包括数据采集器，连接数据采集器的温控仪、尾气分析装置以及计算机；

所述数据采集器分别电连接空气供给单元和气敏性测量装置；尾气分析装置通过管道连通所述气敏性测量装置。

2.根据权利要求1所述的一种气体传感器测试系统，其特征在于，所述空气供给单元包括空气贮藏器，空气贮藏器分别通过管道并连两个质量流量控制器，其中一个质量流量控制器连通加湿装置，加湿装置连通所述气体混合室，另一个质量流量控制器直接连通气体混合室。

3.根据权利要求2所述的一种气体传感器测试系统，其特征在于，所述加湿装置包括加热瓶、冷凝管、半导体制冷片以及热电偶；加热瓶分别连通所述质量流量控制器和冷凝管，冷凝管连通所述气体混合室；所述半导体制冷片用于给冷凝管降温，热电偶用于给冷凝管测温，所述数据采集器分别连接所述加热瓶、半导体制冷片以及热电偶。

4.根据权利要求1所述的一种气体传感器测试系统，其特征在于，所述待测气体供给单元包括待测气体贮藏器，减压阀、电磁阀以及一个质量流量控制器，待测气体贮藏器依次通过减压阀、电磁阀以及质量流量控制器管道连通所述气体混合室。

5.根据权利要求1或2所述的一种气体传感器测试系统，其特征在于，所述尾气分析装置包括湿度计和气体分析仪。

6.根据权利要求1或2所述的一种气体传感器测试系统，其特征在于，所述气体混合室内装有孔径小于1mm的多孔网。

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