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，針對氣體傳感器的測試系統(tǒng)主要分為：高校根據(jù)教學(xué)或研究需要進行設(shè)計制作和有關(guān)公司根據(jù)用戶需求進行量身定做，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)的氣體傳感器測試系統(tǒng)仍停留在較低的水平，無法滿足實際測量需求[1]。本文設(shè)計了基于LabVIEW的電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器測量系統(tǒng)，系統(tǒng)采用業(yè)界普遍使用的電阻分壓法測試原理，借助與傳感器串聯(lián)的匹配電阻器間接計算出傳感器的阻值，最后將數(shù)據(jù)通過RS—232串行總線發(fā)送給計算機[2]。采用LabVIEW完成對數(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，同時人機交互界面友好，使用方便。另外設(shè)計了溫濕度檢測裝置，用于監(jiān)控傳感器的工作環(huán)境指標。系統(tǒng)既可以用于檢測電阻型半導(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

1.1 傳感器和實驗方法

圖1 電阻分壓法測量原理

根據(jù)氣體傳感器的特性設(shè)計采集方案，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)計時要求有加熱電路和電阻自動匹配電路。在實際測試中選定的測試電壓和加熱電壓為5 V并且要求測量電壓穩(wěn)定，因而系統(tǒng)設(shè)計了穩(wěn)壓源模塊。在實際測量中會出現(xiàn)隨機噪聲以及高頻噪聲，故設(shè)計了電壓跟隨器以及低通濾波器。

1.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)測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、匹配電阻器自動切換電路以及信號調(diào)理電路實現(xiàn)對氣體傳感器信號的數(shù)據(jù)采集[5]。同時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。測量電路的通信采用RS—232總線通信，上位機對接收的數(shù)據(jù)進行分析處理并繪出測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 傳感器測量系統(tǒng)總體框圖

1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括測量電路設(shè)計和元件實驗箱設(shè)計。測量電路設(shè)計主要由穩(wěn)壓源部分、匹配電阻自動切換部分、信號調(diào)理部分、串口通信部分組成。硬件電路用于實現(xiàn)對氣體傳感器輸出的信號進行調(diào)理、采集、檢測以及實現(xiàn)與上位機的通信等功能。

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的測試電壓，采用AMS公司生產(chǎn)的AMS1117系列芯片。信號調(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。信號調(diào)理部分所采用的芯片為運算放大器AD8571。

元件實驗箱內(nèi)置測試元件、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。氣體傳感器測量在元件實驗箱中進行，配置好的氣體進入密封的元件實驗箱中，氣敏元件置于元件實驗箱內(nèi)，測量電路將實時采集到的信號送入上位機中。

1.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

上位機采用LabVIEW圖形化編程語言作為開發(fā)工具，下位機采用C語言編寫。上位機主要功能模塊為：串口設(shè)置、采集時間顯示、實時繪圖、數(shù)據(jù)表格顯示、數(shù)據(jù)保存與查詢。上位機每隔0.5 s刷新1次數(shù)據(jù)。采集的原始信號可能因為系統(tǒng)干擾而出現(xiàn)一些隨機噪聲，會影響整個采集系統(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濾除各種系統(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干擾,有效提高測量的精度。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、實時、易于提取等特點?；谏鲜鲆笤撛O(shè)計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

下位機主要是實現(xiàn)對傳感器信號的采集、量程自動切換、對采集到的信號進行均值處理、將傳感器信號送到液晶顯示及通過串口通信發(fā)送到上位機，對氣敏傳感器工作環(huán)境實時監(jiān)控等功能。下位機將采集的數(shù)據(jù)每4次進行均值處理，再將處理后的結(jié)果發(fā)給上位機，有效降低了系統(tǒng)干擾對信號產(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 下位機軟件流程

2 實驗與結(jié)果分析

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

2.1 初期穩(wěn)定時間的測量

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)過一段時間后阻值達到初始穩(wěn)定狀態(tài)，所經(jīng)過的時間稱為初期穩(wěn)定時間[9]，如圖5所示。

圖5 初期穩(wěn)定時間測量

2.2 響應(yīng)恢復(fù)時間[10]測量

測量條件：元件實驗箱1 L、無水乙醇0.4 μL、測試溫度28.1 ℃、測試傳感器為MQ3。測量結(jié)果如圖6所示，測量出響應(yīng)時間為25.3 s，恢復(fù)時間為38.7 s。

圖6 響應(yīng)恢復(fù)時間測量

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驗箱中分別通入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)時間隨著氣體濃度的增高呈現(xiàn)下降的趨勢，而恢復(fù)時間隨著氣體濃度的升高沒有下降的趨勢。

3 結(jié) 論

本系統(tǒng)經(jīng)過實驗驗證可以快速方便地測出電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器的響應(yīng)特性，具有測試精度高、性能可靠穩(wěn)定、用戶使用方便靈活等特點，極大方便了生產(chǎn)生活，具有一定的實用性。采用LabVIEW編程實時測量系統(tǒng)的顯示面板，可以在采集數(shù)據(jù)同時處理分析并顯示數(shù)據(jù)，生成氣體傳感器的響應(yīng)特性曲線?？煽康挠布O(shè)計和友好的軟件設(shè)計界面使測試更方便，提高效率。該氣體傳感器測試系統(tǒng)0.5 s刷新1次數(shù)據(jù)，測量精度優(yōu)于1 %，能夠滿足測量要求，具有較高的性價比。但系統(tǒng)的精度有待進一步提高，配氣方式可改成自動配氣，減少揮發(fā)性氣體對人體的傷害。