王慶吉， 張俊紅， 王 巧， 張淑慧

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春 130012)

0 引 言

目前，針對(duì)氣體傳感器的測(cè)試系統(tǒng)主要分為：高校根據(jù)教學(xué)或研究需要進(jìn)行設(shè)計(jì)制作和有關(guān)公司根據(jù)用戶需求進(jìn)行量身定做，由于產(chǎn)品受用戶需求的限制，無法批量生產(chǎn)。因此，國內(nèi)的氣體傳感器測(cè)試系統(tǒng)仍停留在較低的水平，無法滿足實(shí)際測(cè)量需求[1]。本文設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)采用業(yè)界普遍使用的電阻分壓法測(cè)試原理，借助與傳感器串聯(lián)的匹配電阻器間接計(jì)算出傳感器的阻值，最后將數(shù)據(jù)通過RS—232串行總線發(fā)送給計(jì)算機(jī)[2]。采用LabVIEW完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析與處理，采用限幅濾波和巴特沃斯濾波法，提高了系統(tǒng)的整體精度，同時(shí)人機(jī)交互界面友好，使用方便。另外設(shè)計(jì)了溫濕度檢測(cè)裝置，用于監(jiān)控傳感器的工作環(huán)境指標(biāo)。系統(tǒng)既可以用于檢測(cè)電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器，也可以用于研究電阻型半導(dǎo)體氣敏材料。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 傳感器和實(shí)驗(yàn)方法

圖1 電阻分壓法測(cè)量原理

根據(jù)氣體傳感器的特性設(shè)計(jì)采集方案，傳感器工作溫度要求300 ℃，氣敏傳感器阻值具有不確定性[4]。因此在設(shè)計(jì)時(shí)要求有加熱電路和電阻自動(dòng)匹配電路。在實(shí)際測(cè)試中選定的測(cè)試電壓和加熱電壓為5 V并且要求測(cè)量電壓穩(wěn)定，因而系統(tǒng)設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓源模塊。在實(shí)際測(cè)量中會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)噪聲以及高頻噪聲，故設(shè)計(jì)了電壓跟隨器以及低通濾波器。

1.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)測(cè)量電路采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103C8系列芯片為核心控制器，利用STM32自帶的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換(analog to digital conversion,ADC)模塊、匹配電阻器自動(dòng)切換電路以及信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體傳感器信號(hào)的數(shù)據(jù)采集[5]。同時(shí)利用溫濕度傳感器來監(jiān)控氣體傳感器的工作環(huán)境指標(biāo)。測(cè)量電路的通信采用RS—232總線通信，上位機(jī)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并繪出測(cè)量氣體傳感器的響應(yīng)特性曲線，保存處理后的數(shù)據(jù)。其中數(shù)據(jù)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信和控制是關(guān)鍵部分[6]。系統(tǒng)的總體框圖如圖2所示。

圖2 傳感器測(cè)量系統(tǒng)總體框圖

1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括測(cè)量電路設(shè)計(jì)和元件實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)。測(cè)量電路設(shè)計(jì)主要由穩(wěn)壓源部分、匹配電阻自動(dòng)切換部分、信號(hào)調(diào)理部分、串口通信部分組成。硬件電路用于實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、采集、檢測(cè)以及實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信等功能。

穩(wěn)壓源用于產(chǎn)生穩(wěn)定的3.3 V的系統(tǒng)電壓以及5 V的測(cè)試電壓，采用AMS公司生產(chǎn)的AMS1117系列芯片。信號(hào)調(diào)理部分包括低通濾波器和電壓跟隨器，其中電壓跟隨器用于阻抗變換器，低通濾波器濾除系統(tǒng)高頻噪聲。信號(hào)調(diào)理部分所采用的芯片為運(yùn)算放大器AD8571。

元件實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)置測(cè)試元件、溫濕度傳感器、注氣排氣裝置等，能夠很好地模擬氣體傳感器的工作環(huán)境。氣體傳感器測(cè)量在元件實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行，配置好的氣體進(jìn)入密封的元件實(shí)驗(yàn)箱中，氣敏元件置于元件實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，測(cè)量電路將實(shí)時(shí)采集到的信號(hào)送入上位機(jī)中。

1.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用LabVIEW圖形化編程語言作為開發(fā)工具，下位機(jī)采用C語言編寫。上位機(jī)主要功能模塊為：串口設(shè)置、采集時(shí)間顯示、實(shí)時(shí)繪圖、數(shù)據(jù)表格顯示、數(shù)據(jù)保存與查詢。上位機(jī)每隔0.5 s刷新1次數(shù)據(jù)。采集的原始信號(hào)可能因?yàn)橄到y(tǒng)干擾而出現(xiàn)一些隨機(jī)噪聲，會(huì)影響整個(gè)采集系統(tǒng)的采集精度以及氣敏傳感器響應(yīng)曲線的正確性、光滑性。因此數(shù)據(jù)處理模塊采用LabVIEW自帶的巴特沃斯濾波器和限幅濾波器，巴特沃斯濾波器能夠?yàn)V除各種系統(tǒng)干擾數(shù)據(jù)，而限幅濾波器能夠有效克服因偶然因素引起的波動(dòng)干擾,有效提高測(cè)量的精度。由于采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量比較大，所以數(shù)據(jù)保存需滿足大容量、高速、可靠、實(shí)時(shí)、易于提取等特點(diǎn)。基于上述要求該設(shè)計(jì)采用電子表格文件讀取方式。

數(shù)據(jù)處理軟件采用模塊化處理，其結(jié)構(gòu)層次如圖3。

圖3 數(shù)據(jù)軟件處理框圖

下位機(jī)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)的采集、量程自動(dòng)切換、對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行均值處理、將傳感器信號(hào)送到液晶顯示及通過串口通信發(fā)送到上位機(jī)，對(duì)氣敏傳感器工作環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。下位機(jī)將采集的數(shù)據(jù)每4次進(jìn)行均值處理，再將處理后的結(jié)果發(fā)給上位機(jī)，有效降低了系統(tǒng)干擾對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的影響，提高了采集系統(tǒng)的精度。圖4為完成1次數(shù)據(jù)采集的流程。

圖4 下位機(jī)軟件流程

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

通常采用氣體傳感器的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間來衡量一個(gè)氣體傳感器的優(yōu)劣[8]。實(shí)驗(yàn)所用的電阻型半導(dǎo)體傳感器為MQ3氣體傳感器。所用氣體為無水乙醇，元件實(shí)驗(yàn)箱的體積為1L，通過微量取樣器向元件實(shí)驗(yàn)箱中注入無水乙醇，觀察氣體傳感器的響應(yīng)曲線。

2.1 初期穩(wěn)定時(shí)間的測(cè)量

氣體傳感器通過電阻絲通電加熱后，其阻值首先急劇下降，經(jīng)過一段時(shí)間后阻值達(dá)到初始穩(wěn)定狀態(tài)，所經(jīng)過的時(shí)間稱為初期穩(wěn)定時(shí)間[9]，如圖5所示。

圖5 初期穩(wěn)定時(shí)間測(cè)量

2.2 響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間[10]測(cè)量

測(cè)量條件：元件實(shí)驗(yàn)箱1 L、無水乙醇0.4 μL、測(cè)試溫度28.1 ℃、測(cè)試傳感器為MQ3。測(cè)量結(jié)果如圖6所示，測(cè)量出響應(yīng)時(shí)間為25.3 s，恢復(fù)時(shí)間為38.7 s。

圖6 響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間測(cè)量

2.3 同種氣敏傳感器在不同氣體濃度響應(yīng)

采用MQ3傳感器，通過微量取樣器向元件實(shí)驗(yàn)箱中分別通入0.2,0.4,0.6,0.8,1 μL的無水乙醇，觀察氣體傳感器的響應(yīng)參數(shù)。表1為通過分析氣體傳感器的特征曲線得到的特征參數(shù)[8]。

表1 氣體傳感器在不同乙醇含量氣體中的特征參數(shù)

響應(yīng)時(shí)間隨著氣體濃度的增高呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，而恢復(fù)時(shí)間隨著氣體濃度的升高沒有下降的趨勢(shì)。

3 結(jié) 論

本系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以快速方便地測(cè)出電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器的響應(yīng)特性，具有測(cè)試精度高、性能可靠穩(wěn)定、用戶使用方便靈活等特點(diǎn)，極大方便了生產(chǎn)生活，具有一定的實(shí)用性。采用LabVIEW編程實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的顯示面板，可以在采集數(shù)據(jù)同時(shí)處理分析并顯示數(shù)據(jù)，生成氣體傳感器的響應(yīng)特性曲線。可靠的硬件設(shè)計(jì)和友好的軟件設(shè)計(jì)界面使測(cè)試更方便，提高效率。該氣體傳感器測(cè)試系統(tǒng)0.5 s刷新1次數(shù)據(jù)，測(cè)量精度優(yōu)于1 %，能夠滿足測(cè)量要求，具有較高的性價(jià)比。但系統(tǒng)的精度有待進(jìn)一步提高，配氣方式可改成自動(dòng)配氣，減少揮發(fā)性氣體對(duì)人體的傷害。