CN104950018A - 一种混合气体检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合气体检测系统，包括计算机、NILabwindows/CVI，数据采集卡、传感器阵列、测量室、变送器、信号调理器、A/D转换器和流量控制器，传感器阵列安装在测量室内，传感器阵列一端通过信号调理器和变送器连接有接线端子板，接线端子板通过电缆与数据采集卡相连，变送器通过PCI总线插槽与所述计算机相连，所述测量室另一端连接有信号调理器、A/D转换器和流量控制器，所述计算机包括测量控制模块，数据采集模块和数据处理分析模块。本发明不仅可用于实验教学和研究，也可用来检测矿井中可燃气体含量；能够实现气体传感器的长期稳定性的测试，而且还以作为传感器批量筛选的工具。从而实现了高效智能化检测。

Description

一种混合气体检测系统

技术领域

本发明涉及气体检测领域，具体涉及一种混合气体检测系统。

背景技术

气体传感器的种类很多，常用的如固态电解质气敏传感器、半导体气敏传感器、声表面波气敏传感器等。各类气敏传感器性能差异较大，各自的主要检测对象也不一样，构成的测试系统也不同，然而，几乎所有的都不能用于多种气体检测。用传感器阵列检测多种气体，气体与传感器的活性材料反应，传感器把化学输入转换为电信号；计算机通过电路部分采集到这些电信号，然后采用模式识别对这些电信号进行处理，来分析和识别所测的气体^[1]-[2]，它是一种基于测量和分析化学传感器中信号的微小变化的新方法^[3]。采用传感器阵列检测多种气体最主要的应用之一是开发一种便携的、通用的电子鼻，电子鼻具有低能量消耗和较低的维护费用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种混合气体检测系统，不仅可用于实验教学和研究，也可用来检测矿井中可燃气体含量；能够实现气体传感器的长期稳定性的测试，而且还以作为传感器批量筛选的工具。从而实现了高效智能化检测。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种混合气体检测系统，包括计算机、NILabwindows/CVI，数据采集卡、传感器阵列、测量室、变送器、信号调理器、A/D转换器和流量控制器，所述传感器阵列安装在所述测量室内，所述传感器阵列一端通过信号调理器和变送器连接有接线端子板，接线端子板通过电缆与数据采集卡相连，所述变送器通过PCI总线插槽与所述计算机相连，所述测量室另一端连接有信号调理器、A/D转换器和流量控制器，所述计算机包括测量控制模块，数据采集模块和数据处理分析模块，测量控制模块提供了可视化的实验控制平台，利用各种菜单和按钮实现整个气体检测系统的功能，包括配制各种不同的气体样本，采集经信号调理电路调理后的各个传感器的输出响应并转换为相应的数字信号存储于文件中，利用Labview应用软件进行数据处理和分析，最后得出结论并将结果显示在屏幕上。

优选的，所述测量室由不锈钢的密闭的容器构成。

优选的，所述流量控制器采用JY-LUGB气体流量计。

优选的，所述数据采集卡采用PCI-1710HG数据采集卡。

本发明具有以下有益效果：

不仅可用于实验教学和研究，也可用来检测矿井中可燃气体含量；能够实现气体传感器的长期稳定性的测试，而且还以作为传感器批量筛选的工具。从而实现了高效智能化检测。

附图说明

图1为本发明实施例一种混合气体检测系统的原理图。

图2为本发明实施例中单个传感器的测量电路。

图3为本发明实施例的检测系统软件流程图。

图4为本发明实施例中MQ-4传感器电阻随电压变化曲线。

图5为本发明实施例中MQ-3传感器电阻随电压变化曲线。

图6为本发明实施例中MQ-7传感器电阻随电压变化曲线。

图7为本发明实施例中一个具体实施例的测试电路漂移图。

图8为本发明实施例中另一个具体实施例的测试电路漂移图。

图9为本发明实施例中另一个具体实施例的测试电路漂移图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种混合气体检测系统，包括计算机、NILabwindows/CVI，数据采集卡、传感器阵列、测量室、变送器、信号调理器、A/D转换器和流量控制器，所述传感器阵列安装在所述测量室内，所述传感器阵列一端通过信号调理器和变送器连接有接线端子板，接线端子板通过电缆与数据采集卡相连，所述变送器通过PCI总线插槽与所述计算机相连，所述测量室另一端连接有信号调理器、A/D转换器和流量控制器，所述计算机包括测量控制模块，数据采集模块和数据处理分析模块，测量控制模块提供了可视化的实验控制平台，利用各种菜单和按钮实现整个气体检测系统的功能，包括配制各种不同的气体样本，采集经信号调理电路调理后的各个传感器的输出响应并转换为相应的数字信号存储于文件中，利用Labview应用软件进行数据处理和分析，最后得出结论并将结果显示在屏幕上。

如图3所示，所述测量室由不锈钢的密闭的容器构成。所述流量控制器采用JY-LUGB气体流量计。所述数据采集卡采用PCI-1710HG数据采集卡。

如图3所示，R_sensor为气体传感器的电阻，R₁为一定值反馈电阻，R₂表示三端可调电阻的有效电阻，R₃、C₁构成低通滤波器，给气敏传感器两端施加的是由稳压二极管提供的参考电压V_ref。模拟输出信号V_ani引入数据采集卡。图中R₁、R₂以及运算放大器构成反向放大电路。根据“虚断、虚短”原理可得：

$\frac{V_{\mathrm{ref}}}{R_{\mathrm{sensor}}}=\frac{V_{\mathrm{ani}}}{R_1+R_2}$

$V_{\mathrm{ani}}=-\frac{R_1+R_2}{R_{\mathrm{sensor}}}\·V_{\mathrm{ref}}$

用S表示气体传感器响应信号。

$S=\frac{R_{\mathrm{sensor}}}{R_1+R_2}=-\frac{V_{\mathrm{ref}}}{V_{\mathrm{ani}}}$

则S值与气体传感电阻值R_Sensor成正比。因R₁，R₂给定，测得V_ani就可得到气体传感器对被测气体产生的响应值。

电源电压的选择会改变传感器的两端电压，会对传感器的性能造成影响，图4-6中可以看出传感器两端上的电压在1.5～8.5V之间，传感器电阻变化较小(1％～3％)。我们进行测试时，选择V_ref为10V。

在对系统的测试过程中，为尽量摒除传感器对采集电路的影响，我们采用不同阻值的精密电阻替代传感器接入测试电路测试，计算电路的精度和稳定度，表1为测试数据。

从表1可以看出，匹配电阻选用100K系统的精确度和稳定度较高，图5为匹配电阻100KΩ，经过一天测试电路的漂移图。

表1匹配电阻测试结果

从图7-9中可以看出，电路的漂移为几十至几百欧，小于测试电阻阻值的1％。因此对于此检测系统，在长期的测试情况下，电路是非常稳定的。

本具体实施信号采样采用“电桥法”，其测试的原理为：利用电学中“惠斯特电桥”的方法，电桥的一个臂是两个标准电阻的串联，电桥另一个臂是一个标准电阻和传感器电阻的串联。由于传感器电阻的变化会导致电桥的不平衡，测出这种不平衡电压差就可以获得传感器电阻的变化。由于传感器在测试腔内，测试传感器的电压不是很方便，我们就转而测试匹配电阻的电压。通过换算我们可以得到传感器的电阻信号。在这个系统中，匹配电阻的选择很重要，一般来说，当金属型氧化物传感器未与待测气体接触，其活性材料未吸附气体分子时，电阻值约为2MΩ～20MΩ；当传感器接触到气体并发生吸附时，其电阻值将会下降。下降后的阻值一般为200KΩ～2MΩ。匹配电阻的阻值应该与传感器的阻值相适应，以保证测试电路输出的响应信号保持在可测试范围的中间部分，从而便于用户的观察^[4]。还要能够使用户方便的更换匹配电阻，这样才能保证传感器电阻与匹配电阻阻值配合恰当^[5]。如果传感器电阻变化非常小，还需要加上放大器对电流进行放大再测量，通过采集电路采集的电压信号需要通过数据采集卡进行采集，选用NI公司的1710采集卡，并将电压信号转换为计算机可以识别的数字信号。为减少电源的波动加入滤波器电路。

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，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种混合气体检测系统，其特征在于，包括计算机、NILabwindows/CVI，数据采集卡、传感器阵列、测量室、变送器、信号调理器、A/D转换器和流量控制器，所述传感器阵列安装在所述测量室内，所述传感器阵列一端通过信号调理器和变送器连接有接线端子板，接线端子板通过电缆与数据采集卡相连，所述变送器通过PCI总线插槽与所述计算机相连，所述测量室另一端连接有信号调理器、A/D转换器和流量控制器，所述计算机包括测量控制模块，数据采集模块和数据处理分析模块，测量控制模块提供了可视化的实验控制平台，利用各种菜单和按钮实现整个气体检测系统的功能，包括配制各种不同的气体样本，采集经信号调理电路调理后的各个传感器的输出响应并转换为相应的数字信号存储于文件中，利用Labview应用软件进行数据处理和分析，最后得出结论并将结果显示在屏幕上。

2.根据权利要求1所述的一种混合气体检测系统，其特征在于，所述测量室由不锈钢的密闭的容器构成。

3.根据权利要求1所述的一种混合气体检测系统，其特征在于，所述流量控制器采用JY-LUGB气体流量计。

4.根据权利要求1所述的一种混合气体检测系统，其特征在于，所述数据采集卡采用PCI-171OHG数据采集卡。