CN110568024A - 一种基于四探针法的气敏性能测试装置 - Google Patents

一种基于四探针法的气敏性能测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于四探针法的气敏性能测试装置，包括测试模块以及数据采集处理模块，测试模块为气敏性能装置的核心部件，根据需求提供不同的测试环境，其中测试模块包含的探针组采用四探针法设计，实现了宽阻值范围(100μΩ～120MΩ)的电阻式气体传感器的气敏性能表征，数据采集处理模块用于采集测试样品的电阻数据，并进行处理和显示。本发明的气敏测试装置结构简单，可以随测试要求进行结构变化，对电阻低于100Ω的气敏元件精确测试具备很大优势，能够达成传感器商用化所需要的重复性及稳定性测试，适用性强。

Description

一种基于四探针法的气敏性能测试装置
技术领域
本发明涉及功能材料及器件测试技术领域，特别涉及一种基于四探针法的气敏性能测试装置。
背景技术
随着经济发展和对环境要求的提高，针对特定气体浓度的检测已成为保证相关行业正常运行的不可或缺的环节。根据实地环境的不同，所检测气体包括可燃性气体(如氢气、一氧化碳、甲烷)、水汽、氧气等，测定方法包括质谱分析和色谱分析等。在这其中，利用气体敏感材料制成的传感器，对特定气体进行种类及浓度检测，已成为相对成本较低、准确性高、便携性好、适用范围宽的选择。气敏性能测试装置便是设计用来表征特定气体敏感材料气敏性能的设备，通过准确评价气体敏感材料的相关指标，如响应时间、恢复时间、工作温度、检测下限等，可以针对具体使用环境协助开发新型的气体传感器，解决实际问题。
由于所测定传感器工作原理的不同，分为光学式、声学式、电学式等，对气敏性能测试装置触发及检测信号的要求也有所不同。其中，相对主流的是电学式气敏性能检测装置，即传感器连入测试装置后，其直接与气体浓度成线性关系的参数为电学信号，如电阻、电压和电流。
现有商用的电学式气敏性能测试装置，基本采用两线法测试气敏材料电阻值随气体浓度变化的数据，虽然效率较高，但是针对高灵敏度的低阻值传感器其准确度较差，这主要来源于测试原理的限制，两线法对于小于100欧姆的阻值会由于导线分压产生较大波动。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中对于高灵敏度低阻值气体传感器测试的准确性不高的问题，针对气敏材料及器件的性能测试提供一种基于四探针法的气敏性能测试装置。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种基于四探针法的气敏性能测试装置，包括测试模块和数据采集处理模块；
所述测试模块包括密闭的测试腔体以及位于所述测试腔体内的探针组，所述测试腔体上设有进气通道和出气通道，所述探针组为四探针法配置；所述测试腔体用于放置测试样品，所述进气通道用于输入不同浓度的混合气体，所述探针组用于对所述测试样品进行测试；
所述数据采集处理模块与所述探针组相连接，所述数据采集处理模块用于采集所述测试样品的电阻数据，并进行处理和显示。
优选的，所述探针组至少为两组，能够同时对多个对象进行测试，解决了单通道重复测试多个气敏器件性能时，由于不能同时测试，只能分批次或采用多个不同装置进行测试，从而导致预设的测试环境会有一定的波动，进而产生偶然误差，最终使数据可信度下降的问题。
优选的，还包括有温控模块，所述温控模块包括温控器，以及位于所述测试腔体内的加热台、温度传感器，所述温控器与所述加热台相连接，所述温控器根据自带的温度检测装置采集到的加热台温度信息对所述加热台进行控制，所述加热台用于调整所述探针台的温度，所述温度传感器用于采集所述探针台的温度信息，所述温度传感器与所述数据采集处理模块相连接。所述温控模块能够准确控制测试环境的温度，解决了绝大部分气敏性能测试装置为常温测试，不能控制测试温度，难以对有最佳工作温度要求的传感器进行准确测试的问题。
优选的，所述测试腔体内设有探针台，所述测试腔体用于为实际测试提供空间和气体环境，所述探针台用于放置测试样品，所述加热台设置在所述探针台下方，所述加热台采用加热线圈进行加热，所述温度传感器采用热电阻或K型热电偶。
优选的，所述测试腔体采用316L或304不锈钢材质制造而成；所述探针台采用铜制结构，用于实现对测试样品支撑的同时进行热传导。
优选的，所述测试装置还包括有混气装置，所述混气模块用于为所述测试模块提供不同浓度的混合气体，所述混气装置包括依次连接的配气装置以及混气室，所述混气室与所述进气通道相连通；所述配气装置包括至少两个气瓶，每个所述气瓶均依次设有减压阀和流量计，所述流量计采用MKS流量计。
优选的，所述测试装置还包括有数据处理终端，所述数据处理终端与所述混气装置相连接，所述数据处理终端用于显示和控制各个气瓶的气体流量。
优选的，所述数据处理终端与所述数据采集处理模块相连接，所述数据处理终端对所述数据采集处理模块接收到的所述电阻数据，进行采集和处理。
优选的，所述测试装置还包括连接器，所述连接器与所述探针组相连接，所述连接器用于将所述探针组采集的电阻数据传输给所述数据采集处理模块。
优选的，所述连接器采用航空插头。
优选的，所述数据采集处理模块包括多通道数据采集卡、Keithley 2700数据采集系统和IE-488通讯卡，所述多通道数据采集卡用于连接所述连接器和所述Keithley 2700数据采集系统，所述Keithley 2700数据采集系统用于采集、处理和显示所述电阻数据，所述IE-488通讯卡用于连接所述Keithley 2700数据采集系统和所述数据处理终端。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明设计建立了一套完整的基于四探针法的气敏性能测试装置，引入四探针法，解决高灵敏度低阻值气体传感器测试的准确性不高的问题，实现了宽阻值范围(100μΩ～120MΩ)的电阻式气体传感器的气敏性能表征。
本发明通过设置多个探针组，多通道进行测试，最大限度的减少了单个或多个传感器实际测试中可能会出现的系统误差和偶然误差，为传感器的商用化研发提供测试基础，解决了单通道重复测试多个气敏器件性能时，预设的测试环境波动将导致偶然误差，进而使数据可信度下降的问题。
本发明中的气敏性能测试装置中加热台和温度传感器的设置，为具有温度特性的气敏材料及传感器提供了相关测试变量，解决了传统气敏性能测试装置为常温测试，难以对有最佳工作温度要求的传感器进行准确测试的问题。
本发明基于四探针法的气敏性能测试装置在以上的结构基础上，可以实现模块化的设计，在工程设计和运用中简化了设计难度和风险。
附图说明
图1为实施例1所述的一种基于四探针法的气敏性能测试装置的结构示意图。
图2为实施例1所述的测试模块的结构示意图。
图3为实施例2所述的一种基于四探针法的气敏性能测试装置的结构示意图。
图4为实施例2所述的测试模块的结构示意图。
图中标记：1-测试模块，2-混气模块，3-数据处理终端，4-温控器，5-气瓶一，6-气瓶二，7-减压阀一，8-减压阀二，9-流量计一，10-流量计二，11-混气室，12-进气通道，13-测试腔体，14-探针组，15-探针台，16-加热台，17-温度传感器，18-Keithley 2700数据采集系统，19-航空插头，20-出气通道，21-测试样品。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1所示，一种基于四探针法的气敏性能测试装置，包括测试模块1、混气模块2、数据采集处理模块和数据处理终端3。
如图2所示，所述测试模块1用于对测试样品21的电阻进行多通道电阻数据的测试和采集，所述测试模块1包括测试腔体13以及至少两个探针组14，所述探针组14位于所述测试腔体13内；所述测试腔体13为密封腔体结构，所述测试腔体13内还设有探针台15、进气通道12以及出气通道20。所述测试腔体13采用316L不锈钢材质制造而成，为圆柱体结构；所述探针台15用于支撑测试样品21，采用导热良好的铜质结构，设置在所述测试腔体13的底部；所述进气通道12与所述出气通道20用于实现混合气的输入和输出，设置在所述测试腔体13的两侧；所述探针组14设有3组，都为四探针法配置，实际工作中，可同时将三个测试样品21置于探针台15上，3组探针组14同时接触样品电极将其压紧，用于对测试样品21电阻进行采集，所述探针组14与连接器相连接，在本实施例中所述连接器为航空插头19；所述航空插头19通过数据线与数据采集处理模块相连，将所述探针组14采集得到的电阻数据传输给数据采集处理模块。图中箭头表示气体流向。
所述数据采集处理模块用于采集所述电阻数据，并进行初步处理和传输。所述数据采集处理模块包括Keithley 2700数据采集系统18、IE-488通讯卡和多通道数据采集卡。多通道数据采集卡经由航空插头19接入探针组14引出的导线，进行四探针法测试的配置，所述多通道数据采集卡用于连接所述航空插头19和所述Keithley 2700数据采集系统18，所述Keithley 2700数据采集系统18用于采集、处理和显示所述电阻数据，所述IE-488通讯卡用于连接所述Keithley 2700数据采集系统和所述数据处理终端3，用于将电阻数据传输给数据处理终端3进行储存和处理。
所述混气模块2与所述测试模块1的测试腔体13相连通，用于为所述测试模块1提供不同浓度的混合气体。所述混气模块2包括配气装置、流量计以及混气室，具体的，所述混气模块2包括气瓶一5、气瓶二6、减压阀一7、减压阀二8、流量计一9、流量计二10和混气室11，其中，减压阀一7和流量计一9与所述气瓶一5相连接，减压阀二8和流量计二10与所述气瓶二6相连接，所述气瓶一5、气瓶二6均与所述混气室11相连通，所述混气室11再与所述测试腔体13相连通。所述混气室11用于将各路气体混合成设定浓度的气体，并将混合的气体通入测试腔体13，在混气模块3中，所述流量计选用MKS流量计。
所述数据处理终端3一方面与所述数据采集处理模块相连接，用于储存、处理和显示电阻数据；另一方面与所述混气模块2相连接，用于控制气体浓度。具体的，所述数据处理终端3分别与流量计一9、流量计二10相连接，通过控制流量计一9、流量计二10的流量数据，进而调节气瓶一5、气瓶二6的流量，使得能混合成设定浓度的气体。所述数据处理终端3可采用计算机。
实施例2
如图3-图4所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例所述的基于四探针法的多通道变温气敏性能测试装置，还包括温控模块。
所述温控模块包括设置在测试腔体13内的加热台16、位于探针台15上的温度传感器17以及位于加热台16上的温控器4，所述温控器4用于对所述加热台16进行控制。所述温控器4在接收到自带的温度检测装置反馈的温度数据后，根据预设的温度数值来对所述加热台16进行控制，调整探针台15的温度以达到预设的温度数值，所述温度传感器17用于检测探针台15的实时温度，并将温度数据传输到数据采集处理模块中。在本实施例中所述加热台16为加热线圈，所述温度传感器17为热电阻。
实施例3
本实施例与实施例2的区别在于，本实施例所述的基于四探针法的多通道变温气敏性能测试装置，采用的温度传感器17为K型热电偶。
以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于四探针法的气敏性能测试装置，其特征在于：包括测试模块和数据采集处理模块；
所述测试模块包括密闭的测试腔体以及位于所述测试腔体内的探针组，所述测试腔体上设有进气通道和出气通道，所述探针组为四探针法配置；所述测试腔体用于放置测试样品，所述进气通道用于输入不同浓度的混合气体，所述探针组用于对所述测试样品进行测试；
所述数据采集处理模块与所述探针组相连接，所述数据采集处理模块用于采集所述测试样品的电阻数据，并进行处理和显示。
2.根据权利要求1所述的一种基于四探针法的气敏性能测试装置，其特征在于：所述探针组至少为两组。
3.根据权利要求1-2任意一种所述的一种基于四探针法的气敏性能测试装置，其特征在于：所述测试腔体内设有探针台，所述探针台用于放置测试样品，测试装置还包括有温控模块，所述温控模块包括温控器，以及位于所述测试腔体内的加热台、温度传感器，所述温控器与所述加热台相连接，所述温控器根据所述温控器自带的温度检测装置采集到的加热台温度信息，对所述加热台进行控制，所述加热台用于调整所述探针台的温度，所述温度传感器用于采集所述探针台的温度信息，所述温度传感器与所述数据采集处理模块相连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于四探针法的气敏性能测试装置，其特征在于：所述加热台设置在所述探针台下方，所述加热台采用加热线圈进行加热，所述温度传感器采用热电阻或K型热电偶。
5.根据权利要求1-2任意一种所述的一种基于四探针法的气敏性能测试装置，其特征在于：还包括有混气装置，所述混气装置包括依次连接的配气装置以及混气室，所述混气室与所述进气通道相连通；所述配气装置包括至少两个气瓶，每个所述气瓶均依次设有减压阀和流量计，所述流量计采用MKS流量计。
6.根据权利要求5所述的一种基于四探针法的气敏性能测试装置，其特征在于：还包括有数据处理终端，所述数据处理终端与所述混气装置相连接，所述数据处理终端能够显示和控制各个气瓶的气体流量。
7.根据权利要求6所述的一种基于四探针法的气敏性能测试装置，其特征在于：所述数据处理终端与所述数据采集处理模块相连接，所述数据处理终端对所述数据采集处理模块采集到的所述电阻数据，进行存储和处理。
8.根据权利要求7所述的一种基于四探针法的气敏性能测试装置，其特征在于：还包括连接器，所述连接器与所述探针组相连接，所述连接器用于将所述探针组测试得到的数据传输给所述数据采集处理模块。
9.根据权利要求8所述的一种基于四探针法的气敏性能测试装置，其特征在于：所述连接器采用航空插头。
10.根据权利要求8所述的一种基于四探针法的气敏性能测试装置，其特征在于：所述数据采集处理模块包括多通道数据采集卡、Keithley 2700数据采集系统和IE-488通讯卡，所述多通道数据采集卡用于连接所述连接器和所述Keithley 2700数据采集系统，所述Keithley 2700数据采集系统用于采集、处理和显示所述电阻数据，所述IE-488通讯卡用于连接所述Keithley 2700数据采集系统和所述数据处理终端。
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