CN207396402U - 一种多参数测试环境下高精度的气体传感器动态测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多参数测试环境下高精度的气体传感器动态测试装置。待测气体和载气分别通过载气气室和待测气体气室的出气口流出，载气气室连接蠕动泵I的进气口，待测气体气室连接蠕动泵II的进气口，载气由蠕动泵I的出气口流出进入气体质量流量传感器I的进气口被检测流量值，待测气体由蠕动泵II的出气口流出进入气体质量流量传感器II的进气口被检测流量值，两路气体分别流经气体质量流量传感器I和气体质量流量传感器II的出气口与混合气室的进气口连接，两路气体汇入混合气室进行充分混合后经出气口流出，混合气室的出气管道与测试腔体的进气口连接，待测气体传感器在测试腔体的末端被检测。本实用新型为气体传感器的动态测试提供多参数、高精度的测试条件。

Description

一种多参数测试环境下高精度的气体传感器动态测试装置

技术领域

本实用新型属于气体检测技术领域，特别涉及一种多参数测试环境下高精度的气体传感器动态测试装置。

背景技术

有毒有害气体不仅加重环境的污染，甚至还严重威胁人们的身体健康和财产安全，所以我们需要大量性能优良的气体传感器来进行安全检测。现有的气体传感器种类繁多，其中半导体金属氧化物型的气体传感器应用十分广泛，为了精确地测试这些传感器的气敏特性，研制一套多参数测试环境下高精度的气体传感器动态测试装置具有非常重要的意义。

影响金属氧化物气敏特性的因素有很多，除了气敏材料的结构等自身因素外，还有外界环境因素，如气体环境的温度、湿度和气体的流速等。传感器依据气体的测试方式，可分为静态测试和动态测试两种。静态测试通常是指在密闭的气态环境中导入一定浓度的待测气体或有机蒸汽,主要用于环境气体传感器的气体环境模拟。如中国专利申请文件:公开号：CN104155416A公开的一种可控湿度的静态气敏测试装置及方法和公开号：CN201281710Y公开的气敏特性测试系统测试室自动升降装置均是静态测试装置。这种测试装置有以下不足：(1)气体的流量不能控制。(2)测试响应慢。(3)精度低。(4)测量效率差。(5)测试条件参数单一等。而动态测试能调节各通道气体的流量，测试响应快，精度高。

目前，动态测试系统对于气体流量的控制，大多直接采用气体质量流量计如:公开号：CN103454383A)和公开号：CN105866331A，直接采用气体质量流量计有以下不足：(1)不能进行流量的自动控制及误差的自动修正。(2)介质的流量也易受温湿度等参数的影响，从而降低测试精度。(3)价格昂贵。温度因为具有严重的滞后性质，控制过程中容易产生超调现象，不容易做到快速、精准的恒温控制。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种多参数测试环境下高精度的气体传感器动态测试装置，解决常规静态测试装置不能控制气体流量以及测试环境参数单一和动态测试系统中对于流量的控制易受温湿度等其他参数的影响问题。

本实用新型是这样实现的，

一种多参数测试环境下高精度的气体传感器动态测试装置，包括：气路模块、电路模块以及PC机；

所述气路模块：包括载气气室、待测气体气室，混合气室，测试腔体以及废气收集气袋；

所述载气气室通过蠕动泵以及与蠕动泵出气口连接的气体质量流量传感器检测流量值后将载气通入混合气室；

所述待测气体气室通过另一蠕动泵以及与该蠕动泵出气口连接的气体质量流量传感器检测流量值后将待测气体通入混合气室与所述载气充分混合后经所述混合气室的出气口流出，所述待测气体气室底部固定安装有加热板；

所述混合气室的出气管道与测试腔体的进气口连接，所述测试腔体内置有待测气体传感器，待测气体在测试腔体的末端被检测；

所述测试腔体的出气口连接废气收集气袋，检测后气体由废气收集气袋收集；

所述电路模块包括MCU主控单元，通过MCU主控单元采集气体质量流量传感器测量的气体流量值，并反馈给PC机进行PID计算，所述PC机输出相应的脉宽来控制蠕动泵的直流电机进而调节气体的流量值。

进一步地，所述的混合气室内置有加热片、温湿度气体传感器、两个直流风扇以及雾化片，所述加热片贴在混合气室的四周，为混合气室提供恒温环境；温湿度气体传感器放置在混合气室的中间位置，用于实时检测混合气室内的温湿度；两个直流风扇分别固定在混合气室的进气口和出气口处，保持占空比为16％，低速转动，实现气体的搅拌；雾化片放置在混合气室的底部，为混合气室加湿，待测气体传感器安装在测试腔体的末端。

进一步地，所述MCU主控单元通过串口模块与各气体质量流量传感器连接，采集气体流量值；

所述MCU主控单元的输出端通过光耦模块做隔离控制蠕动泵以及直流风扇。

进一步地，所述MCU主控单元接收温湿度传感器实时检测混合气室内的温度值，反馈给PC机进行PID计算，计算机输出相应的脉宽来通过控制固态继电器吸合或断开给加热片加热或停止加热，进而调节混合气室内的温度值，所述固态继电器通过光耦模块与MCU主控单元连接。

进一步地，所述MCU主控单元采用控制加湿装置进而控制雾化片喷雾，MCU主控单元的通用定时器TIM3产生2个通道占空比为16％的PWM波控制直流风扇保持低速转动，进行气体搅拌；通用定时器TIM5产生3个通道占空比可调的PWM波，脉宽值根据PID的输出实时调整，从而实现对载气和待测气体流量的闭环控制以及混合气室内温度的闭环控制。

进一步地，所述测试腔体的腔体为圆管，进气端的入口处有一段细管连接混合室的出口，中间通过一个喇叭形的转接头与测试腔体的进气口相连。

进一步地，所述的加热板为恒温加热的云母板，固定安装在待测气体气室的底部。

本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：本实用新型克服了常规静态测试装置不能控制气体流量以及测试环境参数单一和动态测试系统中对于流量的控制易受温湿度等其他参数的影响以及温度的滞后问题和缺陷。

1.现有的静态测试装置不能控制气体流量，测试环境可调参数单一。而本实用新型中，采用动态测试，而且可以提供多参数可调的测试环境，包括：气体流量，测试环境的温度和湿度，同时可以适用不同的待测气体浓度。

2.现有的动态测试装置通常直接采用气体质量流量计，可控性差，易温湿度等参数的影响，降低了测试结果的精度，而且价格昂贵。而本实用新型中，采用气体流量传感器来代替气体质量流量计，该气体流量传感器内部采用了温湿度补偿，确保高精度的流量输出，而且是IIC数字化输出，而且能适应相对潮湿的气体测量。该气体传感器实现了PID闭环控制，能自动修正流量的误差，其精度达到了0.1sccm，而且相比气体质量流量计成本较低。

3.现有的测试装置控制测试环境的温度有滞后现象，容易产生温度的超调，而本实用新型中，实现了温度的PID闭环控制，大大减小了温度的超调，其精度达到了0.5℃。

4.本实用新型主要针对半导体金属氧化物型的气体传感器，可以在多参数的测试环境下来测试它们的气敏特性,其中可调控的多参数、高精度的测试条件包括：载气与待测气体的流量，测试气体的环境的温湿度，同时适用不同浓度的待测气体。其中气体流量采用气体质量流量传感器进行IIC数字化输出，控制精度为0.1sccm；温度采用固态继电器控制加热片工作的方式，控制精度为0.5℃；湿度采用加湿装置控制雾化片工作的方式，控制精度为1％RH。提供的测试条件中，气体流量可改变的范围为0-1000sccm；温度可改变的范围为30-60℃，湿度可改变的范围为30-100％RH。待测气体可以是CO，CH₄等气体也可以是乙醇等液体蒸汽。其中，气体流量和混合室内温度的控制采用了PID闭环控制算法，使得被控量快速、稳定、准确地达到目标值，从而为气体传感器的动态测试提供多参数、高精度的测试条件。该装置具有精度高、稳定性好、可控性强、功耗低、成本低等优点，为气体传感器气敏特性的评价提供了一个良好的平台。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构框图；

图2是本实用新型的气路连接图；

图3是本实用新型的测试腔体结构示意图；

图4是本实用新型的电路模块框图；

图5是本发明的气体流量PI控制原理图；

图6是本发明的温度PID控制原理图；

图7是本发明的气体流量控制电路图；

图8是本发明的混合室温度控制电路图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

参见图1，提供了一种多参数测试环境下高精度的气体传感器动态测试装置，该装置的组成包括气路模块1、电路模块2和PC机3三部分。其中通过气路模块配合电路模块，通过PC完成对气体传感器响应信号的采集与存储，通过进一步的信号分析，得出气体传感器的性能指标：(1)响应值(灵敏度)。(2)响应时间(通常传感器的响应时间越短越好)。(3)响应值-工作温度曲线。(4)响应值-气体浓度曲线。通过将获得的性能指标与传感器手册规定的参数比对，从而客观地评价该传感器的气敏性能。

如图2所示，气路模块1包括载气气室4和待测气体气室5，加热板6，蠕动泵I7和蠕动泵II8，气体质量流量传感器I9和气体质量流量传感器II10，混合气室11，加热片12，温湿度气体传感器13，直流风扇I14和直流风扇II15，测试腔体16，气体传感器17，废气收集气袋18，雾化片29。其中，载气气室4和待测气体气室5可更换为含载气的钢瓶和含待测气体的钢瓶。

混合气室11内置有加热片12，温湿度气体传感器13，直流风扇I14和直流风扇II15，雾化片29。加热片12为四片串联的PI(聚酰亚胺)发热片，贴在混合气室11的四周，为混合室提供恒温环境；温湿度气体传感器13，放置在混合气室11的中间位置，用于实时检测混合气室11内的温湿度；直流风扇I14和直流风扇II15分别固定在混合气室11的进气口和出气口处，保持占空比为16％，低速转动，实现气体的搅拌，使得气体混合更均匀；雾化片29放置在混合气室11的底部，经加湿模块30控制为混合气室11加湿。待测气体传感器17安装在测试腔体16的末端。

整个装置的气路连接为：待测气体和载气分别通过载气气室4和待测气体气室5的出气口流出，载气进入蠕动泵I7的进气口，待测气体进入蠕动泵II8的进气口，载气由蠕动泵I7的出气口流出进入气体质量流量传感器I9的进气口被检测流量值，待测气体由蠕动泵II8的出气口流出进入气体质量流量传感器II10的进气口被检测流量值，两路气体分别流经气体质量流量传感器I9和气体质量流量传感器II10的出气口与混合气室11的进气口连接，这时两路气体汇入混合气室11进行充分混合后经出气口流出，混合气室11的出气管道与测试腔体16的进气口连接，待测气体传感器17最终在测试腔体16的末端被检测，检测后气体由废气收集气袋18收集，进行统一处理，废气收集气袋18是L型单阀铝箔采样气袋，可以收集测试完成后待测气体与载气的混合气，避免有毒有害气体直接排放到空气中，污染环境。

两个蠕动泵均是由卡川尔流体科技有限公司生产的KVP04型号，一个蠕动泵包括一个12V直流电机，一个泵头，一条进气口泵管和一条出气口泵管。其中，低电平为直流无刷电机的有效控制信号。分别把MCU主控单元通用定时器TIM5产生的PWM控制信号接在PWM信号输入线上(PWM信号源要与电源共地)，接通12V直流电源后泵就可以在PWM控制下工作。其中，蠕动泵的推荐PWM频率范围为15-25KHz。

两个气体质量流量传感器均是由无锡康森斯克电子科技有限公司生产的CAFS3000系列微小气体流量传感器。测试气体流量的量程为0-1000sccm，通过MCU主控单元与气体质量流量传感器进行IIC通信，可实时采集气体的流量值，相比于模拟采集，精度更高，更稳定。

如图3所示，测试腔体16内置了气体传感器17，气体传感器17放置在测试腔体16的末端被测试，测试腔体16采用长度为10cm,直径为1.5cm的圆管，进气端的入口处有一段长为1cm直径为0.5cm的细管连接混合室的出口，中间通过一个喇叭形的转接头与测试腔体16的进气口相连。这种测试腔体16的设计可以为气体传感器提供稳定且统一的气流方向，缩短换气时间，从而减小气流对测试结果的干扰。

如图4所示，电路模块2包括加热板6，蠕动泵I7和蠕动泵II8，气体质量流量传感器I9和气体质量流量传感器II10，加热片12，温湿度气体传感器13，直流风扇I14和直流风扇II15，气体传感器17，电源模块19，MCU主控单元20，串口模块21，A/D转换模块22，光耦模块(23、24、25、26、27)，固态继电器28，雾化片29，加湿模块30。整个装置通过MCU主控单元20来控制载气与待测气体的流量，混合气室11内的温湿度以及混合气室11内直流风扇I14和直流风扇II15的低速转动。其中载气与待测气体的流量采用增量式PI控制，混合气室11内的温度采用增量式PID控制。

电路模块包括电源模块，电源模块包括12V电源模块，5V电源模块，3.3V电源模块，为整个装置供电。其中，加热板6，加湿模块30，温湿度传感器13和MCU主控单元20采用3.3V电源模块供电；光耦模块和固态继电器28采用5V电源模块供电；两个蠕动泵，两个气体质量流量传感器，加热片和两个直流风扇采用12V电源模块供电。蠕动泵的PWM信号线与光耦隔离模块连接。固态继电器与光耦隔离模块通过一个NPN型三极管相连。为了提供30-60℃的恒温条件，将四片串联的PI(聚酰亚胺)加热片贴在混合气室的四周，加热片的一端接固态继电器，另一端接地。

加热板6是恒温加热的云母板，通3.3V直流电大于等于30S可以保持在30℃的恒温状态，固定安装在待测气体气室5的底部，目的是当待测气体是液蒸汽时，可以加速液体的充分挥发。混合气室11内置了加热片12，温湿度气体传感器13，直流风扇I14和直流风扇II15，雾化片29。加热片12为四片串联的PI(聚酰亚胺)发热片，贴在混合气室11的四周，为混合室提供恒温环境；温湿度气体传感器13，放置在混合气室11的中间位置，用于实时检测混合气室11内的温湿度；直流风扇I14和直流风扇II15分别固定在混合气室11的进气口和出气口处，保持占空比为16％，低速转动，实现气体的搅拌，使得气体混合更均匀；雾化片29放置在混合气室11的底部，经加湿模块30控制为混合气室11加湿。

图5和图7所示，气体流量的控制采用增量式PI控制，控制精度为0.1sccm，气体流量控制流程可以描述为：以载气流量控制为例，待测气体流量的控制同理，气体质量流量传感器I9实时检测载气的气体流量值，MCU主控单元经过IIC总线实时采集流量值，反馈给计算机进行PID计算，计算机输出相应的脉宽来控制蠕动泵I7的直流电机进而调节气体的流量值，这里的光耦模块23起到对蠕动泵I7的隔离保护作用。气体质量流量传感器I9实时检测载气的气体流量值和气体质量流量传感器II10实时检测待测气体的流量值均是通过MCU主控单元20对气体质量流量传感器I9和气体质量流量传感器II10的IIC读取，数字采集相比于模拟采集精度更高，更稳定。

图6和图8所示，混合气室11内的温度采用增量式PID控制，控制精度为0.5℃，温度控制流程为：温湿度传感器13实时检测混合气室11内的温度值，反馈给计算机进行PID计算，计算机输出相应的脉宽来控制固态继电器28吸合或断开即给加热片12加热或停止加热，进而调节混合气室11内的温度值，这里的光耦模块25起到对固态继电器28的隔离保护作用。

本例中，MCU主控单元采用ARM Cortex-M3内核的STM32F103ZET6，控制加湿模块30进而控制雾化片29喷雾，控制精度为1％RH。MCU主控单元的通用定时器TIM3产生2个通道的PWM波(占空比为16％)控制两个直流风扇保持低速转动，进行气体搅拌；通用定时器TIM5产生3个通道占空比可调的PWM波，分别实现对载气和待测气体流量以及混合气室11内温度的闭环控制。由于流量有瞬时响应的性质，故采用PI控制算法；温度有滞后性质，采用PID控制算法。两者都是增量式，因位置式PID会大量累积误差，容易造成机构的大幅度动作，不适合实际的工程控制。

PC机采用LabVIEW2014编写，通过串口与MCU主控单元通信。内置有PC机软件对载气流量目标值、待测气体流量目标值、温湿度目标值和待测气体浓度等参数进行设置；同时，实时采集并显示当前的载气流量值、待测气体流量值、温湿度值等参数和待测气体传感器的响应信号。

装置的控制包括:气体流量的增量型PI控制和混合室温度的增量型PID控制。

(a)反馈环节：因被控量气体流量有瞬时响应的特点，采用PI闭环反馈结构；被控量温度有滞后响应的特点，采用PID闭环反馈结构。

流量传感器采用微小气体质量流量传感器实时检测气体的流量值，MCU主控单元经过IIC总线实时采集流量值，反馈给计算机进行PID计算，计算机输出相应的脉宽来控制蠕动泵的直流电机进而调节气体的流量值；温度传感器采用DHT11温湿度一体传感器，实时采集的温度值，反馈给计算机进行PID计算，计算机输出相应的脉宽来控制固态继电器吸合或断开即给加热片加热或停止加热，进而调节混合气室内的温度值。

(b)控制过程中：分别将流量传感器和温度传感器采集到的值不停地与目标值比较，误差较大时，脉宽会逐渐增大，作用光耦模块导通接入蠕动泵及作用固态继电器吸合接入加热片。当检测的当前值与目标值越来越近，即误差越来越小时，脉宽会逐渐减小，直到两者相等，为避免失控现象，脉宽将稳定维持在常量1。

(c)执行机构：气体流量闭环控制的执行机构是蠕动泵，温度闭环控制的执行机构是固态继电器。经过计算机实时比例、积分、微分的计算，将控制增量作用于执行机构。

实施例1：

以测试乙醇气体传感器TGS822为例，一种多参数测试环境下高精度的气体传感器动态测试装置的测量步骤如下：

a、设定实验参数。载气和待测气体可以设定的流量范围均为0-1000sccm。混合室可以检测的温度范围为30-60℃，湿度可以检测的温度范围为30％-100％RH。选取洁净空气作为载气，设定载气流量值为600sccm，设定乙醇气体的流量值为600sccm；设定混合室的温度值为40℃,设定湿度值为35％RH；取乙醇浓度为500ppm。

b、开启设备，清洗管道。接通电源电路，为设备通电。先让蠕动泵I7和蠕动泵II8工作在占空比为100％的状态下，通一分钟的洁净空气进行管道清洗，之后再改回流量的设定值。

c、提供多参数测试条件,为实验做准备。运行PC机程序进行PID计算，计算机输出的结果分别作用执行机构蠕动泵I7和蠕动泵II8以及固态继电器28。在闭环控制的作用下两路气体的流量值很快稳定在600sccm，温度值很快稳定在40℃。同时，加湿模块通电，雾化片喷雾，湿度值达到35％RH，直流风扇I14和直流风扇II15工作在占空比为16％的搅拌状态。

d、配气。根据液配气公式计算出要取的乙醇液体体积，配置待测气体。经计算需要取1.3uL的乙醇液体。将乙醇气室底部的加热板6通电30s(测试加热板温度达到30度左右)，用微量取样器取1.3uL的乙醇液体滴在加热板6的中间位置，目的是让乙醇能快速充分挥发。

e、配气步骤完成后，开始实验。将乙醇气体传感器17放置在测试腔体16的末端，将测试腔体16的出气口与废气收集气袋18的进气口相连，同时运行上位机程序，开始进行气体传感器的测试。

f、PC机采集、存储数据。初步获取出气体传感器的响应时间和响应阻值。

g、完成实验，清洗管道。让蠕动泵I7和蠕动泵II8工作在占空比为100％的状态下，通一分钟的洁净空气进行管道清洗，气体被废气收集气袋18收集后，统一处理。

h、结合测试条件中的参数，进一步分析实验数据，得出实验结论。获得响应值-工作温度曲线和响应值-气体浓度曲线。将分析得到的气体传感器的性能指标与传感器手册规定参数进行比对，从而给出对该传感器气敏性能的客观评价。

该装置的最终目的是通过多参数可调的测试条件来测试气体传感器，并根据得到的实验数据进一步分析得出气体传感器的气敏性能，从而完成对该气体传感器的评价,筛选出气敏特性优良的传感器，将不满足传感器手册规定参数的个体予以改进或者剔除。

Claims (7)

1.一种多参数测试环境下高精度的气体传感器动态测试装置，其特征在于，包括：气路模块、电路模块以及PC机；

所述气路模块：包括载气气室,待测气体气室，混合气室，测试腔体以及废气收集气袋；

所述载气气室通过蠕动泵以及与蠕动泵出气口连接的气体质量流量传感器检测流量值后将载气通入混合气室；

所述待测气体气室通过另一蠕动泵以及与该蠕动泵出气口连接的气体质量流量传感器检测流量值后将待测气体通入混合气室与所述载气充分混合后经所述混合气室的出气口流出，所述待测气体气室底部固定安装有加热板；

所述混合气室的出气管道与测试腔体的进气口连接，所述测试腔体内置有待测气体传感器，待测气体在测试腔体的末端被检测；

所述测试腔体的出气口连接废气收集气袋，检测后气体由废气收集气袋收集；

所述电路模块包括MCU主控单元，通过MCU主控单元采集气体质量流量传感器测量的气体流量值，并反馈给PC机，所述PC机输出相应的脉宽来控制蠕动泵的直流电机进而调节气体的流量值。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的混合气室内置有加热片、温湿度气体传感器、两个直流风扇以及雾化片，所述加热片贴在混合气室的四周，为混合气室提供恒温环境；温湿度气体传感器放置在混合气室的中间位置，用于实时检测混合气室内的温湿度；两个直流风扇分别固定在混合气室的进气口和出气口处，保持占空比为16％，低速转动，实现气体的搅拌；雾化片放置在混合气室的底部，为混合气室加湿，待测气体传感器安装在测试腔体的末端。

3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述MCU主控单元通过串口模块与各气体质量流量传感器连接，采集气体流量值；

所述MCU主控单元的输出端通过光耦模块做隔离控制蠕动泵以及直流风扇。

4.按照权利要求2所述的装置，其特征在于，所述MCU主控单元接收温湿度传感器实时检测混合气室内的温度值，反馈给PC机进行PID计算，计算机输出相应的脉宽通过控制固态继电器吸合或断开给加热片加热或停止加热，进而调节混合气室内的温度值，所述固态继电器通过光耦模块与MCU主控单元连接。

5.按照权利要求2所述的装置，其特征在于，所述MCU主控单元通过控制加湿装置进而控制雾化片喷雾，MCU主控单元的通用定时器TIM3产生2个通道的占空比均为16％的PWM波控制直流风扇保持低速转动，进行气体搅拌；通用定时器TIM5产生3个通道占空比可调的PWM波，脉宽值根据PID的输出实时调整，从而实现对载气和待测气体流量的闭环控制以及混合气室内温度的闭环控制。

6.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测试腔体的腔体为圆管，进气端的入口处有一段细管连接混合室的出口，中间通过一个喇叭形的转接头与测试腔体的进气口相连。

7.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的加热板为恒温加热的云母板，固定安装在待测气体气室的底部。