鄧積微， 王太宏， 蔡 勇

(1.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082； 2.湖南大學(xué) 微納光電器件與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

0 引 言

汽車尾氣和工廠廢氣的排放，生產(chǎn)與化工過(guò)程中毒害氣體的產(chǎn)生和泄露，常常威脅著人們的生活生產(chǎn)安全。如H2S,CO,NH3等。以H2S為例，它是一種工業(yè)生產(chǎn)與化工過(guò)程的副產(chǎn)品，較常出現(xiàn)在煤礦、石油天然氣工業(yè)以及污濁環(huán)境中，具有強(qiáng)烈的神經(jīng)毒性,短時(shí)間內(nèi)接觸極低體積分?jǐn)?shù)H2S即可造成人體傷害。目前相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定H2S在常態(tài)空氣中允許氣體質(zhì)量濃度上限為10 mg/m3，對(duì)應(yīng)體積分?jǐn)?shù)為6.6×10-6，超過(guò)這個(gè)值便進(jìn)入暴露于H2S的中度危險(xiǎn)范圍[2]。然而在質(zhì)量濃度0～10 mg/m3，對(duì)應(yīng)常態(tài)氣壓下0～6.6×10-6這個(gè)極低體積分?jǐn)?shù)區(qū)間內(nèi)，一般氣敏元件，如廣泛應(yīng)用的Figaro的TGS825和文獻(xiàn)[3，4]無(wú)響應(yīng)或者靈敏度很低，給毒害預(yù)警帶來(lái)困難。針對(duì)這一類有毒氣體傳感器的研究在不斷進(jìn)步，其中半導(dǎo)體氧化物氣體傳感器以其高靈敏度，較好的選擇性，較大探測(cè)范圍和低成本的特點(diǎn)，在相關(guān)的環(huán)保、化工過(guò)程控制和安防等領(lǐng)域就發(fā)揮著愈發(fā)重要的作用。

本文提出在現(xiàn)有氣體傳感器基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制作一個(gè)小型樣機(jī)用來(lái)將待測(cè)的低體積分?jǐn)?shù)氣體進(jìn)行適當(dāng)壓縮，提高單位體積內(nèi)待測(cè)氣體的物質(zhì)量，使得現(xiàn)有傳感器更好地產(chǎn)生響應(yīng)。以這種間接方式得到原先低體積分?jǐn)?shù)毒害氣體的體積分?jǐn)?shù)值，從而幫助人們更及時(shí)作出預(yù)警，避免人身危險(xiǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)方法分析與樣機(jī)設(shè)計(jì)

將常壓下一定體積的待測(cè)氣體壓縮注入1/2～1/10體積的反應(yīng)氣腔內(nèi)，腔內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)將相應(yīng)地倍增。與此同時(shí)，腔內(nèi)氣體壓強(qiáng)也會(huì)隨之增大，為保持測(cè)試過(guò)程的整體氣密性和測(cè)試儀器的完整性，儀器內(nèi)部氣體通道的各主要受力面的面積盡可能小，且根據(jù)所選零件的性能進(jìn)行調(diào)整，避免超出額定承壓范圍的損壞和氣密性降低。

1.1 樣機(jī)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)氣體壓縮測(cè)試儀的小型樣機(jī)，結(jié)構(gòu)示意圖由圖1所示。設(shè)計(jì)中使用的推桿電機(jī)額定最大推力750 N。設(shè)計(jì)中使用SDA25X50復(fù)動(dòng)薄型氣缸，氣缸的氣孔敞開，另一孔通過(guò)導(dǎo)氣管連接小型氣敏反應(yīng)腔，氣腔另一側(cè)由導(dǎo)氣管連接一個(gè)電磁閥。該二位三通電磁閥是氣體閥，其中一路(f2)由閥門控制開關(guān)，與待測(cè)氣體連接;另一路(f1)可連接第二種氣體源，在本應(yīng)用中被專用消音器固定封閉。因而,該電磁閥的作用等同于一個(gè)二位二通電磁閥，額定耐壓力1.5 MPa。傳感測(cè)試儀的數(shù)控電源部分為樣機(jī)供電；導(dǎo)氣管與氣腔以及自帶可活動(dòng)倒齒的各連接器接插固定后，連接處用熱熔膠點(diǎn)封，所有導(dǎo)氣連接器和導(dǎo)氣管都使用M2口徑；經(jīng)過(guò)密封處理，可以使整機(jī)在該氣缸額定耐壓力1.5 MPa以內(nèi)工作時(shí)，有較好的氣密性。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖(其中，b1,b2為氣缸2個(gè)氣孔；f1，f2為電磁閥的2個(gè)通道)

設(shè)計(jì)制作了一個(gè)有機(jī)玻璃材質(zhì)的小型氣敏反應(yīng)腔，有機(jī)玻璃板厚0.5 cm，內(nèi)腔的尺寸長(zhǎng)1.5 cm，寬1 cm，高1 cm，氣敏反應(yīng)腔的底面即傳感器板，如圖2(a)所示。包括一個(gè)8 pin LCC封裝的BOCSH BMP085氣壓傳感器U1和一個(gè)6 pin LCC陶瓷封裝的氣體傳感器基座U2，外觀尺寸長(zhǎng)寬各3.8 mm，高約1.2 mm?；鶅?nèi)部嵌入一個(gè)硅基氣體傳感器，涂覆了H2S氣敏材料。該氣體傳感器的叉指電極結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。

圖2 氣壓傳感器與H2S傳感器

傳感器2對(duì)電極的信號(hào)用金線引至傳感器基座引腳，其中,1,2為一對(duì)加熱電極，3,4為一對(duì)測(cè)試電極，基座剩余的2個(gè)引腳未連接。本應(yīng)用中，測(cè)試電壓一般為5 V，加熱電壓1.5～3 V。

傳感器使用了一種基于多孔α-Fe2O3納米球H2S氣敏材料[5]，其在寬量程內(nèi)具有很好的選擇性，如圖3所示，在常溫常壓標(biāo)定測(cè)試中，對(duì)低體積分?jǐn)?shù)的響應(yīng)可低至1×10-6。但當(dāng)處于氣體體積分?jǐn)?shù)(0～5)×10-6這個(gè)關(guān)鍵預(yù)警區(qū)間時(shí)，靈敏度值較低。

圖3 基于多孔α-Fe2O3納米球H2S氣體傳感器的靈敏度

傳感測(cè)試儀的電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖4，使用32位Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103作為MCU，其提供最高72 MHz的總線時(shí)鐘頻率和50 MHz的I/O口速率，內(nèi)部12 bit的A/D在MCU頻率56 MHz時(shí)具有高達(dá)1 MHz的采樣轉(zhuǎn)換速率。在本設(shè)計(jì)中，設(shè)置STM32F103工作在72 MHz，對(duì)應(yīng)的內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換速率最高為854.7 kHz，即轉(zhuǎn)換間隔1.17 μs；測(cè)試儀的氣敏數(shù)據(jù)精密采集使用rail-to-rail低噪聲穩(wěn)零運(yùn)算放大器AD8629，5 V工作時(shí)偏置電壓1 μV，噪聲峰值為0.5 μV；24 bit Δ-Σ型低噪聲D/A轉(zhuǎn)換器LTC2440擁有21 bit的有效轉(zhuǎn)換位；帶隙基準(zhǔn)ADR421為運(yùn)放和外部D/A轉(zhuǎn)換器提供精密的2.5 V參考電壓，溫漂特性3×10-6/℃，長(zhǎng)期穩(wěn)定性較好。氣壓傳感器信號(hào)、電機(jī)控制信號(hào)等直接由MCU處理。采集的數(shù)據(jù)由Flash存儲(chǔ)或通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)時(shí)發(fā)送到電腦或手機(jī)。

圖4 傳感測(cè)試儀組成示意圖

推桿電機(jī)和電磁閥的驅(qū)動(dòng)模塊采用基于IR2184S和LM2575的半橋式直流驅(qū)動(dòng)形式，可在12 V恒壓下輸出最大180 W功率。傳感測(cè)試儀以PWM方式輸出調(diào)速信號(hào)和正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)。

氣敏反應(yīng)腔內(nèi)部長(zhǎng)1.5 cm,寬1 cm,高1 cm，即容量Lg=1.5 cm3；氣管通道為統(tǒng)一的M2規(guī)格，直徑0.2 cm，長(zhǎng)約10.0 cm，容納氣量Lp=0.3 cm3。薄型氣缸缸徑D=2.5 cm，行程為5.0 cm，可容納氣量Lc=24.5 cm3；設(shè)計(jì)中，當(dāng)氣缸內(nèi)氣體全部壓入氣腔和氣體通道時(shí)，氣體壓縮倍數(shù)最大為

實(shí)際測(cè)試時(shí)，待測(cè)氣體壓縮倍數(shù)限制在10倍以內(nèi)。1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣壓=1atm=0.101 MPa，內(nèi)部氣壓最大將不超過(guò)10倍標(biāo)準(zhǔn)氣壓，即10 atm=1.01 MPa，此時(shí)該氣缸活塞內(nèi)表面受力為

氣腔各面的最大受力的范圍為101～152 N。

測(cè)試流程在傳感測(cè)試儀中進(jìn)行,測(cè)試時(shí)，輕微的影響,例如:震動(dòng)、氣流、人體靜電等，都可能對(duì)弱信號(hào)采集帶來(lái)干擾，需要一定的硬件屏蔽措施來(lái)降低測(cè)量噪聲[6～8]。本樣機(jī)各部分都固定于金屬外殼中以屏蔽，如圖5;運(yùn)行較大電流的電機(jī)和電磁閥布置在遠(yuǎn)離測(cè)試儀的另一端，由鋁合金板隔開;元件布置需要依據(jù)一定的布局規(guī)則進(jìn)行[9]。

圖5 樣機(jī)實(shí)物圖(屏蔽殼打開)

1.2 軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用層軟件控制流程如圖6所示。

圖6 傳感測(cè)試儀程序流程圖

傳感測(cè)試儀主要完成嵌入式端的采集操作，主芯片的STM32F103的底層驅(qū)動(dòng)基于官方庫(kù)函數(shù)，對(duì)應(yīng)版本V3.0.0。在采集氣敏數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)，因?yàn)楫?dāng)前只針對(duì)環(huán)境氣體一種氣源，所以,電磁閥的f1氣路封閉后，電磁閥開關(guān)只對(duì)應(yīng)f2氣路的導(dǎo)通和關(guān)閉?；钊耐祵?duì)應(yīng)所處的b1和b2位置。推桿電機(jī)與電磁閥的控制流程如圖7所示。

圖7 電機(jī)與電磁閥控制流程

傳感數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送出去，帶有藍(lán)牙接口的筆記本或者手機(jī)均可以與藍(lán)牙配對(duì)后接收到數(shù)據(jù)信息。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

針對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中空氣含H2S的預(yù)警上限為體積分?jǐn)?shù)6.6×10-6，因此,實(shí)驗(yàn)中配制了典型值為5×10-6的待測(cè)H2S氣體。初始時(shí)，氣腔內(nèi)抽入待測(cè)氣體，氣敏反應(yīng)腔內(nèi)氣壓隨著壓縮的進(jìn)行而同時(shí)增大，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的1 MPa壓強(qiáng)后，停止壓縮并回到初始狀態(tài)。傳感器電導(dǎo)特性隨氣體壓縮的變化如圖8所示。材料電導(dǎo)率與也隨壓縮倍數(shù)增大而增加，將實(shí)測(cè)電阻值取倒數(shù)以對(duì)應(yīng)氣體壓縮曲線的變化。電導(dǎo)變化延遲于壓縮變化，對(duì)預(yù)設(shè)壓縮倍數(shù)的測(cè)試應(yīng)保持2 s以上。

該傳感響應(yīng)靈敏度分布與常態(tài)下普通測(cè)試的對(duì)比如圖9所示。常態(tài)下，普通標(biāo)定測(cè)試時(shí)一般選擇待測(cè)氣體的典型體積分?jǐn)?shù)值進(jìn)行，該值在一定范圍內(nèi)越高時(shí)，傳感器響應(yīng)靈敏度越高，其余體積分?jǐn)?shù)值的響應(yīng)值一般需要擬合得到。

圖8 傳感電導(dǎo)與氣壓數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)中，待測(cè)氣體被壓縮時(shí)，單位體積內(nèi)更多的氣體物質(zhì)被傳感器所吸附形成氣敏響應(yīng)，在傳感測(cè)試儀中體現(xiàn)出更高的靈敏度。體積分?jǐn)?shù)為5×10-6的H2S氣體被壓縮10倍后，傳感響應(yīng)靈敏度顯著提高，如圖9所示。

圖9 常態(tài)下與壓縮測(cè)試的靈敏度分布對(duì)比

對(duì)比測(cè)試了體積分?jǐn)?shù)5×10-6，1×10-6，500×10-9的氣體，在2種方法測(cè)試下的靈敏度值，如表1。

表1 常態(tài)下與壓縮測(cè)試的靈敏度(Ra/Rg×100 %)分布對(duì)比

由表可見，體積分?jǐn)?shù)越高的氣體，壓縮后的傳感響應(yīng)靈敏度也越高，原因是在不同體積分?jǐn)?shù)區(qū)間段內(nèi)，例如:氣源500×10-9～5×10-6內(nèi)，傳感器響應(yīng)特性是一定的，也使得在本方法下，靈敏度提升倍數(shù)非線性變化。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了壓縮源氣體以增強(qiáng)傳感響應(yīng)的方法，并設(shè)計(jì)了一種小型的壓縮測(cè)試系統(tǒng)，在現(xiàn)有傳感器基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)極低體積分?jǐn)?shù)氣體更高的檢測(cè)靈敏度，尤其是針對(duì)毒害性氣體，可有效提高預(yù)警和分辨能力，盡可能提前發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)，防范于未然。

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