CN1117983C - 多光源寻址电位传感器及并行处理的气体图象测试装置 - Google Patents

Abstract

多光源寻址电位传感器及并行处理的气体图象测试装置，采用信号源频率不同的L路信号发生器和驱动电路驱动L个扫描光源同时激发LAPS，用数字补偿滤波器修正传感器的频响特性，使其对多光源激发产生的响应信号具有同样的信噪比和检测精度。通过计算机的快速傅立叶变换，并行计算出各个激发频率下传感器对多种被测气体的响应结果。通过二维驱动电路同时获得对多种被测气体成分的响应图象，该装置具有快速和并行处理的优点。

Description

多光源寻址电位传感器及并行处理的气体图象测试装置

                          技术领域

本发明涉及一种气体图象测试装置。

                          背景技术

LAPS的全称是光寻址电位传感器(Light Addressable PotentiometricSensors)，1988年由美国分子器件公司发明。1991年瑞典的I.Lundstrom等人首次利用LAPS研制成功气体图象传感器，即MIS(金属/绝缘层/半导体)结构的LAPS。

LAPS采用强度调制即一定调制频率的光照射在器件的正面或背面，就可以在外电路中测量到电流。电流的大小，与光强、耗尽层的厚度(即外偏压)等有关。

当光强不变时，光电流随耗尽层的增厚而增大。也就是说随外加偏压的增大，外电路上的电流从接近零(截止区)线性增大(过渡区)达到最大值(饱和区)。当固定其他参数，只考虑金属敏感膜与被测气体的响应电压对耗尽层的影响，那么外电流大小的变化就反映了膜对气体的响应，因此可应用于气体成分和浓度的检测。

图1表示了目前所通常采用的用MIS结构的LAPS构成的气体图象测试系统示意图。通过信号源及驱动电路1后产生一定调制频率的交变信号，带动激发光源2在LAPS3的上表面或下表面照射，测量外电路中被激发出相应的光电流，光电流的大小就反映了金属膜对被测气体的响应。一般外电路采用如图1所示的三电极或二电极工作方式。参比电极7提供固定的偏压，控制电极6用于提供一定的偏置电压，工作电极5和半导体衬底上的欧姆接触并与控制电极6之间形成一个电流通路。传感器交变的光电流响应通过恒电流/恒电位仪8将光电流转换为电压信号，同时恒电流/恒电位仪保持参比电极与工作电极之间的电位恒定。恒电流/恒电位仪输出的电压信号，可用前置放大器9及模拟滤波器10等进行信号的放大和预处理，最终进入计算机11给出测量结果。

从上面介绍可以看出，由于传感器只对激发光源照射的区域敏感，因此如果测量多种物质，目前的方法是除了在器件表面制备多种不同的金属敏感膜，同时采用激发光源在敏感膜表面逐点移动或扫描的方法，最终完成传感器对被测气体的响应图象。

目前的检测装置存在的主要问题是检测速度低，特别是在检测被测气体成分多，固定多种金属敏感膜以及图象分辨率要求高的情况下尤其如此，这是因为逐点扫描一幅图象，是一种串行处理方法。这限制了目前的检测装置在要求快速检测场合的应用，如气体的实时、动态图象检测等。

                          发明内容

本发明的目的是：设计出一种能快速检测的多光源寻址电位传感器及并行处理的气体图象测试装置。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：它包括信号发生器和驱动电路，扫描光源，有不同金属膜的光寻址电位传感器，工作电极，控制电极，参比电极，恒电流恒电位仪，前置放大器，模拟滤波器，数字滤波器，计算机，二维运动驱动电路。

1)信号发生器和驱动电路：包括信号源频率不同的L路均采用ICL8038专用信号发生芯片经跟随电路，放大电路，互补三极管功率驱动电路，分别接L个扫描光源，25≤L≤250；

2)模拟滤波器滤波处理后的信号经完成传感器频率特性的修正的数字补偿滤波器 $y\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{m}x(n-m)-\underset{m=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{m}y(n-m),$ 它的输出通过计算机进行并行处理；

式中：x(n-m)为数字补偿滤波器的输入信号；

      y(n-m)、y(n)为数字补偿滤波器的输出信号，n为整数变量；

      M＝N＝3，a_m、b_m为常数。

L个扫描光源其排列方式为方阵且与每个光源寻址区域相对应。

跟随电路，放大电路，互补三极管功率驱动电路分别为1/2LM158P放大电路，1/2LM158P放大电路，互补三极管S9014、S9015组成的功率驱动电路。

本发明与背景技术相比，具有的优点是：采用信号源频率不同的n路信号发生器和驱动电路驱动n个扫描光源同时激发LAPS，用数字补偿滤波器修正传感器的频响特性，使其对多光源激发产生的响应信号具有同样的信噪比和检测精度。通过计算机的快速傅立叶变换，并行计算出各个激发频率下传感器对多种被测气体的响应结果。通过二维驱动电路同时获得对多种被测气体成分的响应图象，该装置具有快速和并行处理的优点。

                            附图说明

图1是现有的LAPS气体图象测试装置；

图2是本发明的MLAPS及并行处理的气体图象测试装置；

图3是本发明的信号发生器和驱动电路原理图；

图4是数字补偿滤波器修正过程示意图；

图5是三种激光光源并行处理结果图；

图6是测量气体响应的MLAPS器件器；

图7是MLPAS对气体的多光源激发下的响应图象。

                        具体实施方式

采用同一波长而调制频率不同的多个光源同时激发传感器，即各个光源同时寻址不同传感器区域，因此称为多光源寻址电位传感器MLAPS(Multi-lightAddressable Potentiometric Sensors)。在此基础上采用并行处理技术实现对被测气体的快速图象检测，为此要解决一系列理论和检测技术问题，因为该传感器只对一定波长或一定激发能量的光才产生光电效应，而在一定激发波长的光的激发下，其响应光电流的频率是与激发光源的调制频率相同的。但LAPS传感器对激发光源频率响应特性是有一定范围的。一般是选取灵敏度最大时对应的一个激发光的频率，在这种情况下，采用多光源激发会遇到困难，因为不同频率光源激发下的光电流响应的信噪比是不同的，因此通常采用的光源数目是很难增加的。此外，多光源激发下的传感器的响应是包含了多光源激发下的共同的响应结果，如何区分出不同光源激发下不同敏感区域所产生的对被测物质的响应是另一个关键的技术问题。

目前MIS(金属/绝缘层/半导体)结构的LAPS尚没有明确的等价电路模型。我们通过对MIS结构的LAPS传感器的理论建模，提出了一种新的传感器结构的等价电路模型，在此基础上通过系统辨识技术建立了该传感器的数学模型，根据其数学模型提出了一种软件数字滤波器用于补偿该传感器的频率特性使其从窄带通特性变成宽带通特性。从而保证了多种不同频率的光源激发所产生的响应信号具有相同信噪比。此外，采用FFT(快速傅立叶变换)技术将传感器的总的时域响应信号进行频谱变换，得到各个光源激发下传感器不同的敏感膜对被测气体不同成分的响应结果，从而实现了并行处理的功能。最后，通过计算机控制的二维运动驱动电路控制多光源的二维运动完成气体图象的检测。

如图2所示，2是多光源寻址的扫描光源，其数目可以是5乘5即25个或更多。其排列方式为方阵且与每个光源寻址区域相对应，并要确定好扫描的初始位置。3是LAPS传感器，这与通常的结构相同。6、7分别是控制电极和参比电极，5是工作电极，也与通常的结构相同。该三电极与传感器组成一个电化学传感器。8为EG&G公司的恒电流/恒电位仪，用于将传感器输出的电流信号转换为电压信号，该电压信号进入前置放大器9和滤波器10分别进行放大和滤波处理，这也与通常的结构相同。从模拟滤波器10出来的信号通过数字补偿滤波器13完成传感器频率特性的修正，最后由计算机11进行FFT运算，并计算出各个频率下的幅度变化，完成气体图象的检测。信号发生器和驱动电路1，用于驱动多扫描光源2。此外，计算机11还通过与通常方法相同的标准的二维运动驱动电路12完成多扫描光源2的二维机械运动，实现二维图象寻址扫描。

图3为激发光源信号发生器和驱动电路图，这是其中的一路，其它几路的电路图相同，只是信号源的频率不同。该电路的特点是小型、易于制成多路独立的信号源电路提供给多光源。其主要功能是用ICL8038专用信号发生器芯片，产生正弦波信号输出，经过跟随电路和放大电路，最后经过互补三极管功率驱动电路驱动激光二极管。信号源的频率范围为0.5KHz到5.5KHz，采样频率为20KHz。通过对信号作快速傅立叶变换(FFT)的方法进行频谱分析，每采集1000个点作一次FFT，由于频率分辨率为20Hz，因此，在0.5KHz到5.5KHz的频率范围内最多可以选择250个具有不同频率的激发光源，一般为使FFT结果精度提高，频率间隔应大于频率分辨率，所以激发光源应小于250，如可以采用100个。

图4为数字滤波器修正过程示意图，采用波长相同、幅度相同而调制频率不同的多种光源激发传感器。传感器的实际频率特性具有窄带通特性，根据传感器数学模型 $H\left(S\right)=\frac{\mathrm{kS}}{(S+b_1)\×(S+b_2)}$ 设计的数字补偿滤波器 $y\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{m}x(n-m)-\underset{m=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{m}y(n-m)$ 可以将传感器的传递函数补偿后得到所需要的在有效频带内频响处于平坦区的宽带通特性。其中，H(s)为传感器的传递函数，k，b₁，b₂为常数，x(n-m)为数字补偿滤波器的输入信号，y(n-m)、y(n)为数字补偿滤波器的输出信号，M＝N＝3，a_m，b_m为常数，n为整数变量。

图5给出了上述实施过程的一个实验结果。该实验采用三个激发光源，激发频率分别为3.6KHz、3.8KHz、4.0KHz，传感器采用三种不同金属敏感膜。传感器的响应经过数字滤波补偿及FFT变换后的MLAPS对乙醇气体的响应特性如图5所示。可以清楚地看到在频谱图上可以区分出三种敏感膜在三个激发光源下的对被测物质的响应结果。

图6给出了采用四种相同的金属敏感膜和四个激发光源的传感器器件图，激发频率分别为3.6KHz、3.8KHz、4.0KHz、4.2KHz。其中：四个方块为四种金属膜4，每一方块金属膜上的X形为控制电极6和参比电极7，金属膜下面为光寻址电位传感器3。图7给出了经过数字滤波补偿和FFT变换后的MLAP8对被测气体的响应图象。在图象上可以清楚地区分出四种敏感膜在不同的工作温度下，由四个激发光源扫描的乙醇气体的响应图象。这一气体图象用传统的单光源扫描方法需要15分钟，而采用本发明则需要测量时间为3.6分钟，提高测量时间为4倍左右。如果增加扫描光源的数目为L，则测量速度可以提高相应的L倍，即采用的光源越多，则测试图象的速度越快。

Claims (3)

1.多光源寻址电位传感器及并行处理的气体图象测试装置，它包括信号发生器和驱动电路[1]，扫描光源[2]，有不同金属膜[4]的光寻址电位传感器[3]，工作电极[5]，控制电极[6]，参比电极[7]，恒电流恒电位仪[8]，前置放大器[9]，模拟滤波器[10]，计算机[11]，二维运动驱动电路[12]，其特征在于：

1)信号发生器和驱动电路[1]：包括信号源频率不同的L路均采用ICL8038专用信号发生芯片经跟随电路，放大电路，互补三极管功率驱动电路，分别接L个扫描光源[2]，25≤L≤250；

2)模拟滤波器[10]滤波处理后的信号经完成传感器频率特性的修正的数字补偿滤波器[13] $y\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{m}x(n-m)-\underset{m=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{m}y(n-m),$ 它的输出通过计算机[11]进行并行处理；

式中：x(n-m)为数字补偿滤波器的输入信号；

      y(n-m)、y(n)为数字补偿滤波器的输出信号，n为整数变量；

      M＝N＝3，a_m、b_m为常数。

2.根据权利要求1所述的多光源寻址电位传感器及并行处理的气体图象测试装置，其特征在于：L个扫描光源其排列方式为方阵且与每个光源寻址区域相对应，25≤L≤250。

3.根据权利要求1所述的多光源寻址电位传感器及并行处理的气体图象测试装置，其特征在于：跟随电路，放大电路，互补三极管功率驱动电路分别为1/2LM158P放大电路，1/2LM158P放大电路，互补三极管S9014、S9015组成的功率驱动电路。

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