CN106645310A - 一种半导体气体传感器动态检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气体检测技术领域，具体为一种半导体气体传感器动态检测系统。本发明检测系统包括仪器硬件和计算机；硬件包括气体腔室、控制电路、数据采集卡、监控与操作面板。气体腔室内含传感器待测样品插槽和液体蒸发板，控制电路与数据采集设备提供测试、加热电压，实时采集传感器样品电流、电阻数值并通过计算匹配合适阻值的负载电阻，从而提高测量的准确度；监控与操作面板实现传感器样品温度、测试电压的实时显示和调整。计算机实时显示传感器电阻电流及其变化、手动或自动切换负载电阻、计算传感器灵敏度以及保存和调用测试数据。本发明实现了气体传感器对各种各浓度气体、液体蒸汽的动态响应测试，与同类其他测试系统相比大大提高了测试精度和准确度。
Description
技术领域
本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种半导体气体传感器动态检测系统。
背景技术
半导体气体传感器可以检测环境中低浓度的有害气体，目前已广泛应用于工业生产过程监测、大气污染检测、食品安全检测、公共医疗检测等多种领域，具有十分重要的应用价值。
半导体气体传感器的核心在于其半导体敏感材料，常见的有氧化锡、氧化锌、氧化钨、氧化铟等等，不同的半导体敏感材料对于目标气体响应性能各不相同，材料的化学组成、微观形貌、厚度等参数会造成传感器件在响应值、响应速度、工作温度、稳定性、选择性上产生极大差异。因此，检测众多类型的半导体敏感材料的性能、并从其中挑选出针对不同应用目标的最优材料成为传感器开发过程中必不可少的一项环节。
现有的半导体材料检测系统主要基于串联分压电路进行测试，通过串联待测材料和与其阻值相近的已知负载电阻，测量两者的分压比例，从而计算得到待测材料的本征阻值（Ra）；当半导体敏感材料接触到目标气体时，其电阻会发生改变（Rg），这种电阻的变化量即反映了材料的灵敏度。然而这种检测系统存在极大的系统误差和人为误差：在一次连贯测试过程中，由于待测气体的通入和移除，半导体材料的电阻会发生数百甚至数千倍的改变，从而使得其阻值与定值负载电阻产生巨大差异，从而偏离了串联分压计算方法的理想电阻比例范围，进而产生巨大误差。除此以外，目前现有的半导体气敏检测仪器功能较为单一，仅能检测半导体材料的阻值变化，但无法验证材料对特定气体的响应机理的猜想，从而大大限制了气体传感理论的发展；本发明通过提供一种可与气体产物分析类仪器（质谱检测仪、气相色谱检测仪等）串联使用的设计，可以对气体响应过程中的产物进行实时检测，从而为气体传感研究提供了新思路。
发明内容
本发明的目的在于提供一套可自动控制的检测半导体气体传感器动态性能的半导体传感器动态检测系统。
本发明提供的半导体传感器动态检测系统，包括仪器硬件和计算机，如图1所示；硬件包括四个主要部分：气体腔室、主控制电路板、数据采集卡、操作面板。其中：
所述气体腔室，设有进气接口与出气接口，分别用于外接配气源和（或）后续气体产物分析仪器等；气体腔室内设置有蒸发板、风扇和样品插槽，蒸发板用于引入挥发性液体氛围，风扇用于保持腔体内气体均匀，样品插槽用于接插传感器样品，插槽内设有传感器接线端（正负两端）和加热接线端（正负两端）。
所述操作面板设有：用于调节样品加热功率的模块化脉宽调制控制器（包括数显管和调节电位器），用于控制气体腔室内蒸发板的开关按钮、控制风扇的开关按钮，以及控制仪器电源的开关按钮。
所述主控制电路板包括：电源模块，用于为电路各区域提供不同电压的供电；面板接口，用于连接操作面板上的脉宽调制控制器和各个开关按钮；腔室接口，用于连接气体腔室中的蒸发板、风扇和样品插槽；信号调理模块，由二级放大电路和数控电阻切换电路组成；数据采集卡接口，用于连接数据采集卡。
所述数据采集卡用于实时采集传感器样品电流、电阻数值；数据采集卡获得的数值传输给计算机连接。
本发明中，所述信号调理模块由下述电路设计实现，如图2所示。每个信号调理模块对应于气体腔室中一个样品插槽，即在有多个样品插槽的设计中会采用多个信号调理模块。
所述信号调理模块包括：接口P1和P2，运算放大器A1、电阻R1~R9、多路复用器S1和电容C1组成的第一级增益可调低通反向放大电路，以及运算放大器A2、电阻R10~R12和电容C2组成的第二级低放大电路；其中：
接口P1和P2为气体腔室接口的一部分，与样品插槽中的传感器接线端电气连接；接口P1与电源模块中标准电压VCC电气连接，接口P2连接至运算放大器A1的负输入端；运算放大器A1选用高阻抗运算放大器CA3140（或同类型具有JFET输入级的高阻抗运算放大器），以保证传感器进入高阻态时也能正常工作；反馈电阻R1~R8一端并联连接至运算放大器A1负输入端，另一端分别连接S1（即多路复用器CD4051或同功能芯片）的各个输入端，S1的公共输出端连接至运算放大器A1的输出端，R1~R8与S1共同构成A1的反馈回路；运算放大器A1正输入端通过电阻R9接地，电阻R9取值为R1~R8中最小值；同时用电容C1连接运算放大器A1的输入与输出，用于过滤高频噪音；第二级放大电路为由A2，R10~R12和C2组成的典型低通反向放大电路，运算放大器A2采用TL082或其他同类运算放大器；以第一级放大电路的输出作为第二级放大电路的输入，以第二级放大电路A2的输出作为信号调理模块的最终输出，与数据采集卡的模拟输入端口连接；S1的三个控制端通过数据采集卡接口和数据采集卡的数字输出端连接，从而由计算机通过数据采集卡选择S1的导通端，即选择R1~R8中的一个作为第一级反向放大电路。
上述所有电阻均为1%精度或更高精度。
所述数据采集卡可以为具有模拟输入和路数字输出的，能与计算机连接并能与计算机软件通讯的任意型号。
所述计算机用于实现下述功能（通过软件）：
与数据采集卡通讯，获取数据采集卡模拟输入端口数据，通过数据采集卡数字输出端口输出数字控制信号；对采集的数据进行数字滤波；根据采集的数据判断是否需要切换信号调理电路中的反馈电阻，即调整放大率，并通过数字控制信号执行；根据当前选用的信号调理电路放大率，由下述换算公式，将采集的电压数据换算为电阻数据，并显示和保存。
换算公式：，其中为信号调理模块中的标准电压，V为采集到的电压，为当前选用的信号调理模块中第一级放大电路的反馈电阻，为信号调理模块的第二级放大电路的放大率。
本发明的半导体传感器动态检测系统，可测量电阻范围宽，可自动调节负载电阻的精度高。本发明可与气体产物分析类仪器（如质谱检测仪、气相色谱检测仪等）串联使用，可以对气体响应过程中的产物进行实时检测，从而为气体传感研究提供了新的方案。
本发明实现了气体传感器对各种各浓度气体、液体蒸汽的动态响应测试，与同类其他测试系统相比大大提高了测试精度和准确度，并提供了传感响应机理研究系统，从而填补了气体传感领域理论研究的空白。
附图说明
图1为新型半导体气体传感器动态检测系统结构示意图。
图2为信号调理模块电路示意图。
具体实施方式
以下结合实际使用情景说明本系统设计的工作原理：
将待测传感器样品安置于样品插槽，所述样品为内置电热丝的半导体气体传感器，每个半导体气体传感器样品具有四个接线端，即两个加热丝接线端和两个传感器接线端。样品插槽中的加热接线端通过主控制电路板与操作面板的脉宽调制控制器电气连接，通过操作面板上的电位器旋钮可以调节脉宽调制控制器的输出脉宽占空比，从而为样品的电热丝提供脉宽可调制的加热电流，以使样品在连续可调的温度下测试,多个样品插槽的加热接线端之间为并联连接；样品插槽中的传感器接线端分别与主控制电路中的VCC电源和第一级放大电路的输入端，即运算放大器A1的负输入端电气连接。
本检测系统检测工作流程如下：传感器样品安装完毕并封闭气体腔室后，通过操作面板的开关启动主控制电路板的电源模块，同时打开计算机并连接数据采集卡、启动测试软件。此时测试软件通过数据采集卡的数字输出端发出控制信号，切换多路复用器S1的接通端至R1~R8中的最小电阻，使之成为第一级放大电路的反馈电阻。一般情况下，传感器电阻会大于该最小反馈电阻，从而信号调理模块中的第一级放大电路进入深度负反馈状态，负输入端保持零电位，则传感器接线端之间保持负载VCC电压，而通过传感器的电流则成为输入信号进入第一级放大电路，放大并转化为第一级放大电路的输出电压，满足公式，其中为当前S1接通的反馈电阻；之后第一级放大电路的输出电压再作为第二级放大电路的输入电压，经过再次放大后成为信号调理模块的最终输出，满足公式；最后由数据采集卡进行采集并发送至计算机。计算机根据该电压与VCC的比例判断当前反馈电阻的选择是否合适：若该电压在VCC的10%~90%范围内，则认为当前第一级反馈电阻选择合理，根据该电压和反馈电阻选择，由公式计算当前传感器阻值，并记录；若该电压小于VCC的10%或大于VCC的90%，则认为需要增大或减小反馈电阻，重新发送控制信号切换S1的接通端并读取新的输出电压，直到选择到合理的反馈电阻。
在一系列信号采集完成后，由计算机将记录的传感器阻值数据保存并显示成曲线图。
具体是根据用户需求，计算机软件每间隔固定时间进行一次传感器的电阻测量并绘制曲线，该过程中气体腔室引入不同的气体氛围，则可以测试气体传感器样品的动态响应。气体分为按下述方法引入：对于气体样品，按下操作面板上的风扇开关启动风扇，待传感器电阻稳定后，通过气体腔室的进气接口直接将一定量待测气体注入气体腔室，根据气体腔室容积可计算待测气体浓度；对于液体样品，打开风扇待传感器电阻稳定后，按住操作面板的蒸发板开关若干秒，预热蒸发板后放开开关，将一定量液体滴于蒸发板上使之迅速蒸发，风扇带动腔室内气流使待测蒸汽迅速扩散均匀，其浓度可根据液体体积、浓度、分子量以及气体腔室容积计算。
以上所述实施例仅为本发明的多种实施方案之一，本发明的保护范围包括但不限于上述实施方式。凡是在本发明原理基础上做出的替换和润饰等均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种半导体气体传感器动态检测系统，其特征在于，该系统包括仪器硬件和计算机，仪器硬件包括四个主要部分：气体腔室，主控制电路板，数据采集卡，监控与操作面板；其中：
所述气体腔室，设有进气接口与出气接口，分别用于外接配气源和/或后续气体产物分析仪器等；气体腔室内设置有蒸发板、风扇和样品插槽，蒸发板用于引入挥发性液体氛围，风扇用于保持腔体内气体均匀，样品插槽用于接插传感器样品，插槽内设有传感器接线端和加热接线端；
所述监控与操作面板设有：用于调节样品加热功率的模块化脉宽调制控制器，用于控制气体腔室内蒸发板的开关按钮、控制风扇的开关按钮，以及控制仪器电源的开关按钮；脉宽调制控制器包括数显管和调节电位器；
所述主控制电路板包括：用于为电路各区域提供不同电压供电的电源模块，用于连接监控与操作面板上的脉宽调制控制器和各个开关按钮的面板接口，用于连接气体腔室中的蒸发板、风扇和样品插槽的腔室接口，由二级放大电路和数控电阻切换电路组成的信号调理模块，用于连接数据采集卡的数据采集卡接口；
所述数据采集卡用于实时采集传感器样品电流、电阻数值；数据采集卡获得的数值传输给计算机连接。
2.根据权利要求1所述的半导体气体传感器动态检测系统，其特征在于，每个信号调理模块对应于气体腔室中一个样品插槽，即在有多个样品插槽的设计中采用多个信号调理模块。
3.根据权利要求1所述的半导体气体传感器动态检测系统，其特征在于，所述信号调理模块包括：接口P1和接口P2，第一级反向放大电路A1及其反馈电阻R1~R8，第二级放大电路A2，以及R10~R12和C2组成的带有低通滤波功能的典型反向放大电路；其中：
接口P1和接口P2为气体腔室接口的一部分，与样品插槽中的传感器接线端电气连接；接口P1与电源模块中标准电压VCC电气连接，接口P2连接至第一级反向放大电路A1的输入端，即运算放大器A1的负输入端；反馈电阻R1~R8一端并联连接至运算放大器A1负输入端，另一端分别连接S1即多路复用器CD4051或同功能芯片的各个输入端，S1的公共输出端连接至运算放大器A1的输出端，构成反馈回路；运算放大器A1正输入端通过电阻R9接地，电阻R9取值为R1~R8中最小值；同时用电容C1连接运算放大器A1的输入与输出，用于过滤高频噪音；第二级放大电路A2，R10~R12和C2组成带有低通滤波功能的典型反向放大电路，第二级放大电路A2采用TL082或其他同类运算放大器；第二级放大电路A2的输出作为信号调理模块的输出，通过数据采集卡接口与数据采集卡的模拟输入端口连接；S1的三个控制端直接通过数据采集卡接口和数据采集卡的数字输出端连接，或连接至三个寻址锁存器输出再由锁存器与数据采集卡的数字输出端连接，以应对样品插槽和信号调理模块数较多而数据采集卡的数字输出端口数不足的情况。
4.根据权利要求1、2或3所述的半导体气体传感器动态检测系统，其特征在于，所述计算机用于实现下述功能：
与数据采集卡通讯，获取数据采集卡模拟输入端口数据，通过数据采集卡数字输出端口输出数字控制信号；对采集的数据进行数字滤波；根据采集的数据判断是否需要切换信号调理电路中的反馈电阻，即调整放大率，并通过数字控制信号执行；根据当前选用的信号调理电路放大率，由下述换算公式，将采集的电压数据换算为电阻数据，并显示和保存；
换算公式：，
其中，VCC为信号调理模块中的标准电压，V为采集到的电压，Rf为当前选用的信号调理模块中第一级放大电路的反馈电阻，A2为信号调理模块的第二级放大电路的放大率。
5.根据权利要求4所述的半导体气体传感器动态检测系统，其特征在于，系统检测工作流程如下：传感器样品安装完毕并封闭气体腔室后，通过操作面板的开关启动主控制电路板的电源模块，同时打开计算机并连接数据采集卡、启动测试软件；此时测试软件通过数据采集卡的数字输出端发出控制信号，切换多路复用器S1的接通端至R1~R8中的最小电阻，使之成为第一级放大电路的反馈电阻；由于传感器电阻大于该最小反馈电阻，从而信号调理模块中的第一级放大电路进入深度负反馈状态，负输入端保持零电位，则传感器接线端之间保持负载VCC电压，而通过传感器的电流则成为输入信号进入第一级放大电路，放大并转化为第一级放大电路的输出电压，满足公式，其中为当前S1接通的反馈电阻；之后第一级放大电路的输出电压再作为第二级放大电路的输入电压，经过再次放大后成为信号调理模块的最终输出，满足公式；最后由数据采集卡进行采集并发送至计算机；计算机根据该电压与VCC的比例判断当前反馈电阻的选择是否合适：若该电压在VCC的10%~90%范围内，则认为当前第一级反馈电阻选择合理，根据该电压和反馈电阻选择，由公式计算当前传感器阻值，并记录；若该电压小于VCC的10%或大于VCC的90%，则认为需要增大或减小反馈电阻，重新发送控制信号切换S1的接通端并读取新的输出电压，直到选择到合理的反馈电阻。
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