馬宏偉，韓根亮，徐武德，陳小通，祁昌禹，楊旭輝

(甘肅省科學(xué)院傳感技術(shù)研究所，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

近年來，隨著氣體污染問題的日益嚴重，人們對氣體傳感器的性能要求不斷提高，氣體傳感器氣敏特性研究顯得越來越重要。目前，高性能氣體傳感器的研究已取得了很大的進展，應(yīng)用范圍也越來越廣泛，氣體傳感器的精確度、穩(wěn)定性、選擇性、響應(yīng)速度等特性都有了較大的提高，但對氣體傳感器氣敏特性測試方法的研究卻進展緩慢，大多仍采用傳統(tǒng)的靜態(tài)測試方式，測試方法落后，遠遠達不到高性能氣體傳感器的測試要求。因此,考慮采用動態(tài)氣體檢測的方法,研究設(shè)計了一種新型檢測裝置,以滿足目前高性能氣體傳感器的測試要求。

1 總體方案設(shè)計

傳統(tǒng)的氣敏特性靜態(tài)測試方法是在密閉氣室中通入一定量的測試氣體，將氣體混合均勻，通過測量氣體傳感器在接觸測試氣體前后的電阻變化來表征傳感器的氣敏性能。這種方法比較簡單但卻不夠精確，僅僅給出測試氣體在量上的積累，無法區(qū)分氣體在傳感器表面吸附和反應(yīng)的過程[1-2]，測試能力十分有限。雖然最終結(jié)果都是使氣體傳感器氣敏材料體電阻降低,但是不同氣體的分子結(jié)構(gòu)、吸附熱、反應(yīng)活化能等特性各不相同，其吸附和反應(yīng)的過程是完全不一樣的[3]。采用動態(tài)氣體檢測方法,可以通過嚴格控制測試氣體各組分動態(tài)濃度配置以及提高氣體混合均勻性等方法，在測試過程中有效區(qū)分各氣體成分在不同傳感器表面的反應(yīng)、作用過程，盡可能多地獲取測試氣體各成分在傳感器敏感材料表面吸附和反應(yīng)的動態(tài)信息，以提高測試裝置對氣體傳感器選擇性的評判能力，從而在甄別氣體傳感器選擇性的基礎(chǔ)上，達到對其氣敏性能的精確測試。

目前，由于氣體傳感器種類繁多，不同的氣體傳感器對測試氣體環(huán)境的要求也不同。因此，考慮在同一配氣裝置上，通過對不同種類氣體的精確控制和合理配比，配制出滿足不同測試需要的各種測試氣體。在氣體傳感器的動態(tài)檢測中，測試氣體的精確配置是測試裝置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其配氣精度和混氣均勻性對測試結(jié)果有著重要的影響。如何精確、靈活地配制不同類型、不同濃度的混合氣體，合理控制氣體流速，保持氣體氣流通暢、混合均勻，杜絕渦流、漩渦等的形成，是本文的重點研究內(nèi)容。

測試裝置主要由動態(tài)配氣裝置、測試室和氣敏特性檢測電路等三部分組成。動態(tài)配氣裝置通過高精度質(zhì)量流量控制器實現(xiàn)對氣體質(zhì)量流量的精確控制。由于是控制氣體的質(zhì)量流量而非體積流量，因而配制的測試氣體濃度將不受環(huán)境溫度和壓力變化的影響[4]。另外，為了對氣體傳感器的選擇性和抗干擾能力進行評估和測試，動態(tài)配氣裝置需要實現(xiàn)背景氣體與多種測試氣體的摻混。通過嚴格控制動態(tài)流量，使混合氣體達到測試所需的精確配比。測試室是專為傳感器和測試氣體發(fā)生反應(yīng)而設(shè)計的密閉氣室，給傳感器測試提供反應(yīng)氣體和反應(yīng)條件。測試室要求氣體進出流暢，溫度梯度穩(wěn)定可靠、混合氣體氣場分布均勻，能有效避免溫度變化、氣流波動等因素對傳感器測試造成影響。氣敏性能檢測電路采用匹配電阻分壓法[5]，通過設(shè)計匹配電阻自動切換電路，實現(xiàn)對氣體傳感器氣敏特性數(shù)據(jù)的精確采集[6]。通過采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法，提取相關(guān)反應(yīng)氣體種類信息，對傳感器相關(guān)性能參數(shù)進行準確的分析計算。

2 動態(tài)配氣裝置設(shè)計

動態(tài)配氣裝置主要用來模擬現(xiàn)實動態(tài)氣體環(huán)境。該裝置由氣源、氣路、混氣室和測試室等四部分組成。氣源提供測試氣體和背景氣體。兩種氣體通過高精度質(zhì)量流量控制器分別進入混氣室的上下腔體，在混氣室中被均勻混合；然后，與測試室中氣體傳感敏感材料發(fā)生反應(yīng)；最后，形成尾氣，被回收并作分析處理。動態(tài)配氣裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 動態(tài)配氣裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of dynamic gas distribution device

2.1 氣源、氣路的設(shè)計

氣源為傳感器測試提供背景氣體、測試氣體和清洗氣體，共設(shè)有四路。其中，兩路為測試氣體，分別由兩個高純氣源供氣，使各種氣體摻混；一路為背景氣體，提供測試氣體背景環(huán)境；一路為氮氣，作為清洗氣體，用以在測試前后清洗整個氣路，保證管道清潔干燥。氣路由氣體質(zhì)量流量控制器、單向閥、針閥和不銹鋼氣管等組成，質(zhì)量流量控制器精度為±1% F·S，選用最大量程分別為5 mL/min、1 L/min、10 L/min的三種規(guī)格，用來控制三路測試管道氣體流量。 5 mL/min和1 L/min的質(zhì)量流量控制器控制兩路測試氣體，分別完成低濃度和中高濃度氣體摻混； 10 L/min的質(zhì)量流量控制器控制背景氣體流量，通過三種質(zhì)量流量控制器的合理配合，能實現(xiàn)氣體傳感器所需的、各種高低濃度混合氣體的配置。一般在分辨率為5×10-6的情況下，該設(shè)計能提供低于1.0×10-4的混合氣體濃度環(huán)境。另外，基于MFCs通信協(xié)議，可實現(xiàn)對每路流量計的自動控制和流量設(shè)定顯示，提高了裝置的自動化程度[7]。每個質(zhì)量流量控制器的前后各安裝一個截止閥，起到保護質(zhì)量流量控制器的作用。

2.2 混氣室的設(shè)計

在氣敏特性動態(tài)測試中，如何把測試氣體和背景氣體均勻混合，是混氣室設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一?；鞖馐覛怏w是否混合均勻，將直接影響到整個裝置的測試精度。然而，在機械設(shè)計中，常用的風(fēng)扇攪拌、離心加速等摻混方法都不適用。這些方法不但會影響氣流的穩(wěn)定性，而且也容易影響質(zhì)量流量控制器對小流量氣體的精確控制，最終將影響測試室中穩(wěn)定層流的形成、降低設(shè)備的測試精度。 考慮到這些因素，本文設(shè)計了一種平穩(wěn)摻混的混氣室結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 混氣室結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the gas mixing chamber

混氣室[8]主要由上腔體、下腔體、隔板、法蘭、進氣管、排氣管和氣體導(dǎo)通管七部分組成。上腔體和下腔體之間靠法蘭連接，中間由隔板分開，隔板中間設(shè)有氣體導(dǎo)通管。其一端接近下腔體的底部，另一端接近上腔體的頂部。兩根進氣管對稱設(shè)置在下腔體的中上部，出氣管設(shè)置在上腔體的中下部。導(dǎo)通管導(dǎo)通上下腔體，被測氣體通過進氣管進入上腔體。當(dāng)上腔體氣體充滿后，通過導(dǎo)通管進入下腔體，實現(xiàn)兩級混合，最后通過排氣管導(dǎo)出被均勻混合的氣體。反復(fù)試驗證明，該結(jié)構(gòu)充分利用各類氣體的物理特性，通過氣體的對流、擴散等作用，實現(xiàn)了被測氣體的兩級平穩(wěn)摻混，有效避免了風(fēng)扇攪拌、離心加速等方法導(dǎo)致的氣流激烈波動，可實現(xiàn)對氣體的平穩(wěn)摻混，混氣效果均勻、可靠。

2.3 測試室的設(shè)計

測試室為傳感器提供穩(wěn)定的氣體環(huán)境和工作溫度環(huán)境，主要完成氣體傳感器的性能測試。其結(jié)構(gòu)將直接影響測試的效果。通常測試室要求進出氣流通暢，能形成均勻的氣體層流和穩(wěn)定的溫度場分布，避免渦流漩渦等現(xiàn)象的產(chǎn)生；測試室內(nèi)反應(yīng)后的氣體能夠盡快排出，保證測試室內(nèi)氣體濃度不受測試過程影響而發(fā)生變化；測試室應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)簡單，方便操作。為了實現(xiàn)以上要求，應(yīng)用有限元分析方法，對測試室的結(jié)構(gòu)進行了反復(fù)設(shè)計和建模仿真。通過對測試室內(nèi)氣體的流體力學(xué)和熱力學(xué)分析，解決了測試室內(nèi)進出氣流容易發(fā)生堵塞、氣體分布不均勻、測試室內(nèi)剩余氣體不能完全盡快排出等問題，最終完成了性能優(yōu)良的測試室設(shè)計。測試室結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測試室結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of the test room

測試室[9]主要由上蓋、主腔體、下蓋和支架四部分組成。支架上設(shè)有下蓋，下蓋和上蓋之間設(shè)有測試室主腔體。主腔體的上頂面和下底面分別設(shè)有密封槽，槽中設(shè)有硅膠墊，保證測試室完全密封。主腔體兩側(cè)壁分別設(shè)有進氣口和出氣口，其分別與主腔體相通。測試氣體通過進氣口進入，廢氣從出氣口排出。為便于測試，主腔體和上蓋之間采用手擰螺絲連接，其余各部分之間采用螺栓連結(jié)。測試室主腔體是整個測試室的核心，對氣體傳感器氣敏特性測試極為重要。試驗證明，該結(jié)構(gòu)能避免氣敏特性測試室內(nèi)易形成渦流、難以排出剩余氣體等問題，且在測試時操作方便、結(jié)構(gòu)簡單，提高了裝置對氣體傳感器的測試精度。

3 測試室的流體力學(xué)仿真

近年來，隨著計算機技術(shù)的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析已經(jīng)成為解決流體問題的有效途徑。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化：將測試室內(nèi)的混合氣體離散化為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，通過對各規(guī)則單元體的物理特性分析，得出滿足工程精度的理想處理結(jié)果，進而得到對實際結(jié)構(gòu)的物理特性模擬。這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析無法解決的復(fù)雜問題。

3.1 軟件設(shè)計

測試室內(nèi)混合氣體的流體分布特征是測試室性能的主要考量因素。通過有限元求解，可以準確地對其進行仿真模擬。采用Fluent軟件，對相對復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)進行多維劃分。該軟件提供的無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成程序，能夠?qū)?fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)進行準確的計算和模擬，并根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格。生成的網(wǎng)格包括三維的四面體、六面體及混合網(wǎng)格[10-12]。這種網(wǎng)格的自適應(yīng)能力有利于精確求解有較大梯度的流場和邊界層流場問題。具體的Fluent軟件程序設(shè)計包括以下幾部分：利用CAD軟件設(shè)計測試室三維立體結(jié)構(gòu)模型，將其導(dǎo)入到Gambit，建立并網(wǎng)格化模型，生成邊界網(wǎng)格；使用TGrid網(wǎng)格生成軟件，從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成2D網(wǎng)格、3D四面體網(wǎng)格、六面體及混合網(wǎng)格；采用prePDF軟件對混合氣體反應(yīng)過程進行模擬；利用Fluent求解器，對測試室內(nèi)氣體流動過程進行計算仿真。程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 程序結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of program

3.2 參數(shù)設(shè)置和流體仿真

圖5 流體三維矢量分布圖Fig.5 Three-dimensional vector distribution diagram of fluid

由圖5可知，在氣體剛進入測試室入口時，氣體流速較大、氣流密度較高，整個氣流沿著測試室內(nèi)壁呈錐形分布。隨著氣體的進入，氣流流速逐漸減小、密度逐漸趨于均勻，在測試室水平段時達到理想的均勻分布，氣室內(nèi)氣體平穩(wěn)流動，形成穩(wěn)定的流層，沒有渦流漩渦等現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此將氣體傳感器設(shè)置在水平段，可以達到最佳的測試效果。當(dāng)測試氣體與傳感器反應(yīng)后，反應(yīng)尾氣能隨著背景氣體向測試室尾端集結(jié)，并在出口處快速流出，沒有形成停滯和死角等現(xiàn)象。通過進一步計算可以得到，氣體在測試室內(nèi)部水平段的流速在10.1～10.3 m/s之間，氣流密度均勻，氣體流動平穩(wěn)，達到了設(shè)計要求。

4 試驗分析驗證

為了進一步驗證測試裝置的配氣精度及測試效果，選取了常見的甲烷、乙醇、苯等三種氣體，以氮氣為背景配置了各種濃度的測試氣體，通過聚四氟乙烯氣袋對所配氣體進行實時采樣，并選用氣相色譜儀對氣樣進行測試[15-16]。另外，精選了高精度的甲烷氣體傳感器、乙醇氣體傳感器、苯氣體傳感器各兩只，對裝置的測試效果進行了驗證。測試裝置所配氣體濃度測試情況如表1所示。

表1 裝置配氣效果測試表Tab.1 Test table of air distribution effect

從表1中可以看出，測試裝置能夠準確地配置出所需濃度的測試氣體，配氣相對誤差一般可以控制在1%以內(nèi)(乙醇是易溶物質(zhì),常溫常壓下易液化,造成相對誤差較大)，配氣精度高，完全能夠滿足高精度氣體傳感器的測試要求。

5 結(jié)束語

基于動態(tài)配氣方法設(shè)計的氣敏特性動態(tài)測試裝置，增強了對氣體作用過程的分辨能力，提高了對氣體傳感器選擇性的判斷能力。測試裝置混氣室和測試室實現(xiàn)了被測氣體的兩級摻混和平穩(wěn)測試，有效提高了測試裝置的混氣均勻性和測試準確性。通過有限元分析模擬和試驗驗證，表明該裝置配氣均勻準確，測試穩(wěn)定可靠，能夠滿足不同傳感器在不同氣體、不同濃度條件下的測試要求，適合高性能氣體傳感器的性能測試和研究開發(fā)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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