CN105651936A - 一种气体传感器综合测试仪及测量方法 - Google Patents

一种气体传感器综合测试仪及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气体传感器综合测试仪及测量方法，所述气体传感器综合测试仪包括多路数显直流稳压电源，数显温度控制器、可调取样电阻器，数据采集电路，数据储存单元，数据显示器和USB接口。它能完整地满足气体传感器测试时的各种需要：包括供给传感器直流工作电源和加热电源，测量和控制传感器工作温度，测量传感器特性数据，显示并储存测试数据及与计算机联机工作。用户可根据需要，按传感器的使用条件和工作方式选择测试方案，实现对传感器特性的评价。本发明适用于电阻式、MOS二极管式、结型二极管式、场效应管式、原电池式、可控电位电解式、电量式和离子电极式气体传感器的性能测试，能降低气体传感器的研发成本，提高了研发效率。

Description

一种气体传感器综合测试仪及测量方法
技术领域
本发明涉及一种气体传感器测试技术，具体涉及一种气体传感器综合测试仪，本发明适用于电阻式、MOS二极管式、结型二极管式、场效应管式、原电池式、可控电位电解式、电量式和离子电极式等气体传感器的性能测试评价。
背景技术
气体传感器是一种能将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号的装置。根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控和报警。还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制、报警系统。目前，研发和流行于市场的以化学方法工作的气体传感器大致分为四类：（1）半导体式气体传感器，其工作原理是利用一些金属氧化物半导体材料，在一定温度下，电导率随着环境气体成份的变化而变化；（2）催化燃烧式气体传感器，其工作原理是可燃性气体在表面催化燃烧，燃烧使温度升高，传感器电阻发生变化，变化值是可燃性气体浓度的函数；（3）热导池式气体传感器，每一种气体，都有自己特定的热导率，当两个和多个气体的热导率差别较大时，可以利用热导元件，分辨其中一个组分的含量；(4)电化学式气体传感器，传感器构造成原电池或电解池，气体在传感器中发生电化学氧化或者还原反应，利用这些反应，产生电流或电动势，或使电极的平衡电位发生变化，这些电信号变化值与气体浓度存在函数关系。总的说来，气体传感器一般工作原理是在待测气体中，气体分子与气敏材料表面发生吸附、脱附、催化燃烧、氧化还原等相互作用，改变材料的电化学性质，使气体传感器的电阻，电容，电动势，电流和电压等电信号的某一种发生显著变化而实现检测。
气体传感器测试系统是研究气体传感器的重要设备。多种基于不同原理的气体传感器测试系统在被使用。这些气体传感器测试系统各有许多优点，但存在两个共同的突出问题，一是供电电路，温控系统，数据采集部分都是分散独立。这使得整个气体传感器测试系统十分庞杂，观察和操作十分不便；二是设备通用性不强，效率低下。
发明内容
本发明的目的是提供一种气体传感器综合测试仪，将气体传感器测试系统中的供电电路，温控系统，数据采集部分集成到一台仪器中，以解决目前气体传感器测试系统十分庞杂的问题，提高气体传感器测试设备的通用性和传感器的研发效率。
本发明提供的一种气体传感器综合测试仪，其特征在于：包括直流稳压电源，数字显示温度控制模块，可调取样电阻器，测量方式转换器，数据采集电路，A/D转换模块，数据处理模块，数据储存单元，数据显示器，连接计算机的USB数据接口，电源开关以及测量方法。
所述的直流稳压电源包括多路输出数字显示直流稳压电源和所述测试仪内部各工作模块所需直流稳压电源。
所述的多路输出数字显示直流稳压电源包括0-30V的可调直流加热电源和0-30V的可调直流工作电源。
所述的0-30V的可调直流加热电源包括整流电路，数字显示装置，输出电压调节器，电路开关，输出插接头和加热器。
所述的0-30V的可调直流工作电源包括整流电路，数字显示装置，输出电压调节器，输出插接头和电路开关。
所述数显温度控制模块包括数字温度显示器，温度控制器和热电偶。
所述可调取样电阻器包括两个串联的电阻组，每组分为十档，每组的第一档电线连通，其余九档，每一档有一个阻值不同的电阻，其中一组的每一档电阻各自独立，另一组各档电阻串联，阻值具有加和性，两组电阻可任意组合，电阻器的总阻值等于两组组合电阻的阻值之和，电阻器的总阻值0-400MΩ。
所述的测量方式转换器包括电压测量方式转换，电流测量方式转换，电阻测量方式转换和电容测量方式转换。
所述数据采集电路包括取样电阻两端输出电压采集电路，传感器电流信号采集电路，传感器电阻信号采集电路，传感器电容信号采集电路和电路开关。
所述测量方法包括气体传感器工作电路中取样电阻两端输出电压的测量方法，气体传感器电流的测量方法，气体传感器电阻的测量方法，气体传感器电容的测量方法，气体传感器两端电压的测量方法。
附图说明
图1为本发明实施例测试仪各电路模块框图。
图2为本发明实施例1测试原理示意图。
图3为本发明实施例接线面板示意图。
图4为本发明实施例控制面板示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细描述，但本发明并不局限于此。
本发明可与各种常用的配气系统配合使用，实现不同工作方式的气体传感器，在不同相对湿度，不同温度包括常温，连续高温和间歇式高温的响应特性测试。
如图1所示，所述气体传感器综合测试仪13包括:采集电路3，由取样电阻两端的输出电压的采集电路，传感器电流信号采集电路，传感器电阻信号采集电路和传感器电容信号采集电路构成；测量方式转换器2,所述转换器可根据传感器1的构造和工作原理，选定数据采集电路3中相适应的测量电路，采集所述传感器1的特性信号；A/D转换模块4，将所述采集电路3收集到的测量信号转换成全数字数据；数据处理模块7，对全数字数据进行运算处理；数据显示器10，将处理后的结果以数字方式显示；数据存储单元11，保存所述数据处理模块7处理后的结果数据；USB数据接口8，连通外部计算机12，将经所述A/D转换模块4转换后的测量数据，数据处理模块7处理后的数据，或数据存储单元11中保存的数据传输给外部计算机12，作进一步的处理，也可传输外部计算机13的指令，由外部计算机13替代所述数据处理模块7，数据显示器10和数据存储单元11，直接处理所述传感器1的特性数据；取样电阻器5，通过导线串联所述传感器1，测量所述取样电阻器5两端的输出电压，可以得到特定传感器的特性数据；直流电源6，由0-30V的数字显示可调直流加热电源、0-30V的数字显示可调直流工作电源和所述测试仪内部各工作模块所需直流稳压电源三部分组成，所述可调直流加热电源包括整流电路、数字显示装置、输出电压调节器、电路开关、输出插接头和加热器，用于改变所述传感器1的工作温度，所述可调直流工作电源包括整流电路，数字显示装置，输出电压调节器，输出插接头和电路开关，用于供给特定传感器需要的工作电压；温度显示控制模块9，包括数字温度显示器，温度控制器和热电偶，用以设定、测量和控制传感器1的工作温度。
未作详细说明的部分均可由现有技术实现。
实施例1。
本实施例是所述气体传感器综合测试仪独立工作，不与外部计算机连接。使用电阻式半导体硫化氢传感器作为测试对象，以采集所述取样电阻器5给定的电阻Rs两端输出电压信号Vs的方式进行测量。
本实施例如图2所示,所述测量方式需由所述直流电源6中的可调直流工作电源6-1供给工作电压Vc，根据电阻分压原理，传感器内部电阻R与取样电阻两端输出电压Vs有如下关系：
R=（Vc-Vs）Rs/Vs(1)
所述硫化氢传感器对硫化氢气体的响应定义为
S=VsH2S/Vsair（2）
式中，S为硫化氢传感器对硫化氢气体的响应，Vsair为所述传感器在空气中取样电阻两端的输出电压，VsH2S为所述传感器在硫化氢气体中取样电阻两端的输出电压。
本实施例的具体方法和操作步骤如下。
1.按图2所示，将待测硫化氢传感器1装在测试室14内的传感器装置中，关闭测试室14，连接好配气系统。
2.按图2和3所示，将所述传感器1的工作电源导线与0-30V数字显示可调直流工作电源6-1的输出接口19连接好；将所述传感器装置中的加热片15的导线与0-30V数字显示可调直流加热电源6-2的输出接口17连接好；将所述传感器装置中的热电偶16导线与所述气体传感器测试仪中温度显示控制模块的输入接口18连接好；将交流电源线插接头插入电源插口21；打开电源总开关22。
3.按图4所示，将所述测量方式转换器旋钮2-1旋到DCV区间的2V档，打开所述采集电路开关3-1。此时，所述气体传感器综合测试仪使用的是取样电阻两端输出电压采集电路。
4.打开所述0-30V数字显示可调直流加热电源开关6-8，按下所述温度显示控制模块的温度设置面板9-1上的设置键，使用功能键将传感器的工作温度设置为室温，旋动所述0-30V数字显示可调直流加热电源的调节旋钮6-7，使所述0-30V数字显示可调直流加热电源的数字显示屏6-3显示的输出电压为0V，按下启动键。
5.打开所述0-30V数字显示可调直流工作电源开关6-5，,旋动所述0-30V数字显示可调直流工作电源的调节旋钮6-4，使所述0-30V数字显示可调直流工作电源的数字显示屏6-3显示的输出电压为5V。
6.旋动所述电阻器的两个换挡旋钮5-1和5-2，使所述数据显示器的数字显示屏10-1显示的数据在1-2mV间。此数据为硫化氢传感器在空气中取样电阻两端的输出电压Vsair，是数据处理的基点。
7.开启所述的配气系统，将需要量的硫化氢气体送入所述测试室，所述数据显示器的数字显示屏10-1所显示的数据会发生急剧变化，待达到稳定时，此数据为硫化氢传感器在该浓度硫化氢气体中取样电阻两端的输出电压VsH2S。
8.将另一浓度的硫化氢气体送入所述测试室，所述数据显示器的数字显示屏10-1所显示的数据达到稳定时，其数据为硫化氢传感器在此浓度硫化氢气体中取样电阻两端的输出电压VsH2S。如此重复，即可测得室温下硫化氢传感器在任意浓度硫化氢中，取样电阻两端的输出电压VsH2S。
9.通过所述数据显示器的显示选择按钮10-2，所述数据显示器可显示经过处理后的数据S或变化图形。
10.由所述温度显示控制模块的温度显示屏9-2读取实际室温为27度。
11.使用所述温度显示控制模块的温度设置面板9-1上的设置键和功能键，将传感器的工作温度设置为37度，旋动所述0-30V数字显示可调直流加热电源的调节旋钮6-7，使所述0-30V数字显示可调直流加热电源的数字显示屏6-3显示的输出电压为5V，按下启动键。
12.待所述温度显示控制模块的温度显示屏9-2显示温度稳定在37度时，重复步骤7-9，即可测得37度下硫化氢传感器在任意浓度硫化氢中，取样电阻两端的输出电压VsH2S。
13.重复步骤8-12，即可测得任意温度下硫化氢传感器在任意浓度硫化氢中，取样电阻两端的输出电压VsH2S。
上述获得的所有测试数据都会自动保存到所述数据存储单元中，可根据需要调用。
实施例2。
本实施例是所述的气体传感器综合测试仪与外部计算机协同工作，使用电阻式半导体氨气传感器作为测试对象，以直接测量气体传感器内部电阻的方式采集氨气传感器的特性数据。
本实施例中氨气传感器对氨气的响应定义为
S=Rair/RNH3（3）
式中，S为氨气传感器对氨气的响应，Rair为所述传感器在空气中的内部电阻，RNH3为所述传感器在氨气中的内部电阻。
本实施例的具体方法和操作步骤如下。
1.将待测氨气传感器1装在所述测试室内的传感器装置中，关闭测试室，连接好所述配气系统。
2.按图3所示，将外部计算机通过USB接口连接到所述气体传感器综合测试仪，开启电脑，并运行配套软件。
3.按图2和3所示，将所述传感器1的工作电源导线与多用途接口20连接好；将所述传感器装置中的加热片15的导线与0-30V数字显示可调直流加热电源6-2的输出接口17连接好；将所述传感器装置中的热电偶16导线与所述气体传感器测试仪中温度显示控制模块的输入接口18连接好；将交流电源线插接头插入电源插口21；打开电源总开关22。
4.按图4所示，将所述测量方式转换器的旋钮旋到欧姆区间的200M档，打开所述采集电路开关3-1。此时，所述气体传感器综合测试仪的电阻信号采集电路处于工作状态。
5.打开所述0-30V数字显示可调直流加热电源开关6-8，按下所述温度显示控制模块的温度设置面板9-1上的设置键，使用功能键将传感器的工作温度设置为室温，旋动所述0-30V数字显示可调直流加热电源的调节旋钮6-7，使所述0-30V数字显示可调直流加热电源的数字显示屏6-3显示的输出电压为0V，按下启动键。
6.此时，电脑获取的数据为氨气传感器在空气中的内部电阻Rair，是数据处理的基点。
7.开启所述的配气系统，将需要量的氨气送入所述测试室，待达到稳定时，电脑自动获取数据，所述数据为氨气传感器在该浓度氨气中的内部电阻RNH3。
8.将另一浓度的氨气送入所述测试室，待达到稳定时，所述电脑获取的数据，为氨气传感器在第二个浓度氨气中的内部电阻RNH3。如此重复，即可测得室温下氨气传感器在任意浓度氨气中的内部电阻。按下电脑的回车键，所述电脑即给出所需要的数据和处理结果，并自动进入下一个温度下的测量状态。
9.由所述温度显示控制模块的温度显示屏9-2读取实际室温为30度。
10.使用所述温度显示控制模块的温度设置面板9-1上的设置键和功能键，将传感器的工作温度设置为40度，旋动所述0-30V数字显示可调直流加热电源的调节旋钮6-7，使所述0-30V数字显示可调直流加热电源的数字显示屏6-3显示的输出电压为5V，按下启动键。
11.待所述温度显示控制模块的温度显示屏9-2显示温度稳定在40度时，重复步骤7-9，即可测得40度下氨气传感器在任意浓度氨气中的内部电阻。
12.重复步骤8-11，即可测得任意温度下氨气传感器在任意浓度氨气中的内部电阻，所述电脑会自动给出所需要的数据和处理结果。

Claims (10)

1.一种气体传感器综合测试仪，其特征在于：包括直流稳压电源，数字显示温度控制模块，可调取样电阻器，测量方式转换器，数据采集电路，A/D转换模块，数据处理模块，数据储存单元，数据显示器，连接计算机的USB数据接口，电源开关以及测量方法。
2.由权利要求1所述的气体传感器综合测试仪，其特征在于：所述的直流稳压电源包括多路输出数字显示直流稳压电源和所述测试仪内部各工作模块所需直流稳压电源。
3.由权利要求2所述的气体传感器综合测试仪，其特征在于：所述的多路输出数字显示直流稳压电源包括0-30V的可调直流加热电源和0-30V的可调直流工作电源。
4.由权利要求3所述的气体传感器综合测试仪，其特征在于：所述的0-30V的可调直流加热电源包括整流电路，数字显示装置，输出电压调节器，电路开关，输出插接头和加热器。
5.由权利要求3所述的气体传感器综合测试仪，其特征在于：所述的0-30V的可调直流工作电源包括整流电路，数字显示装置，输出电压调节器，输出插接头和电路开关。
6.由权利要求1所述的气体传感器综合测试仪，其特征在于：所述的数显温度控制器包括数字温度显示器，温度控制器和热电偶。
7.由权利要求1所述的气体传感器综合测试仪，其特征在于：所述的可调取样电阻器包括两个串联的电阻组，每组分为十档，每组的第一档电线连通，其余九档，每一档有一个阻值不同的电阻，其中一组的每一档电阻各自独立，另一组各档电阻串联，阻值具有加和性，两组电阻可任意组合，电阻器的总阻值等于两组组合电阻的阻值之和，电阻器的总阻值0-400MΩ。
8.由权利要求1所述的气体传感器综合测试仪，其特征在于：所述的测量方式转换器包括电压测量方式转换，电流测量方式转换，电阻测量方式转换和电容测量方式转换。
9.由权利要求1所述的气体传感器综合测试仪，其特征在于：所述的数据采集电路包括取样电阻两端输出电压采集电路，传感器电流信号采集电路，传感器电导信号采集电路，传感器电容信号采集电路和开关。
10.由权利要求1所述的测量方法包括气体传感器工作电路中取样电阻输出电压的测量方法，气体传感器电流的测量方法，气体传感器电阻的测量方法，气体传感器电容的测量方法，气体传感器两端电压的测量方法。
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