王 樂,李 龍,段秋陽,李華曜,劉 歡

(華中科技大學集成電路學院,武漢光電國家研究中心,湖北光谷實驗室,湖北武漢 430074)

0 引言

半導體氣體傳感器的原理是氣體敏感材料與目標氣體發(fā)生表面反應或吸附時,會導致材料電導率、伏安特性發(fā)生規(guī)律性變化,從而反映目標氣體的種類與濃度關系,半導體氣體傳感器相較于其他種類氣體傳感器具有制作成本低、制造工藝簡單、響應明顯等優(yōu)勢,但同時也具有電阻值極大、響應區(qū)間較寬、受環(huán)境影響大等缺陷[1-2]。電子鼻融合了氣體傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集電路和模式識別算法,能夠很好地融合半導體氣體傳感器的優(yōu)勢并通過氣路與電路的優(yōu)化設計解決缺陷問題[3],盡管如此,在電子鼻的研發(fā)過程中,往往需要針對多種氣體進行測試,而半導體氣體傳感器與不同的氣體發(fā)生反應時其電阻值變化速度和變化范圍均不相同,對于阻值高于兆歐級、響應范圍橫跨數(shù)個數(shù)量級的半導體氣體傳感器來說,對相應電子鼻系統(tǒng)的研發(fā)依然缺少能夠精準測量的檢測方法。

針對此問題,本文設計了一套基于高阻值半導體氣體傳感器的多組分、高精度和寬量程的電子鼻采樣電路與檢測系統(tǒng),該檢測系統(tǒng)用于對電子鼻的傳感器陣列進行測試和標定,包括多組分配氣系統(tǒng)、硬件控制電路和上位機軟件設計,多組分配氣系統(tǒng)能夠針對多種氣體進行穩(wěn)定、精確的自動化配氣,保證電子鼻系統(tǒng)在測試過程中減少環(huán)境因素影響,硬件控制電路能夠針對高阻值寬范圍的半導體氣體傳感器進行高精度測量,并采集氣體傳感器陣列在該氣氛下的高精度測試數(shù)據(jù),上位機軟件能夠?qū)崟r顯示采樣數(shù)據(jù)及動態(tài)響應曲線,且具有良好的氣體分類判別能力。

1 電子鼻系統(tǒng)設計

1.1 電子鼻系統(tǒng)方案設計

隨著人們對嗅覺理解不斷深入以及傳感器等技術不斷發(fā)展,為了解決人類嗅覺存在主觀猜測、敏感性不高以及偏差較大的問題,人們通過模仿生物嗅覺,研發(fā)出了能夠感知并判別氣體種類、濃度的智能設備,也就是電子鼻系統(tǒng)[4]。電子鼻系統(tǒng)主要由氣體傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集電路和模式識別算法構(gòu)成,也可包含用于氣體進樣的氣路[5]。

本文從配氣系統(tǒng)、硬件電路和軟件三方面對多組分、高精度電子鼻系統(tǒng)進行設計。多組分配氣系統(tǒng)采用FX5可編程控制器(PLC)、數(shù)字MFC和電磁閥組實現(xiàn)對多組分氣體的可控制自動混氣。硬件控制電路實現(xiàn)對多組分配氣系統(tǒng)的控制和對多個通道的氣體傳感器的溫度控制和寬量程采樣并將數(shù)據(jù)上傳至上位機軟件。上位機軟件采用Qt作為開發(fā)工具,通過WiFi通信的方式可對硬件控制電路進行參數(shù)設置和數(shù)據(jù)通信,并在軟件交互界面上實時顯示測試數(shù)據(jù)及可視化圖形。

系統(tǒng)工作流程圖見圖1。硬件電路上電時開始初始化,設置內(nèi)容包括配置微處理器時鐘、設置通信接口參數(shù)、設置引腳具體功能與信號方向、設置電路初始加熱電壓參數(shù)。

圖1 電子鼻系統(tǒng)工作流程

連接上位機軟件包含完成與上位機軟件的通信端口連接與接收上位機軟件的命令兩部分。接收上位機軟件命令是上位機軟件設置好測試參數(shù)并啟動測試后,微處理器將接收到一個完整測試流程所需的所有命令與參數(shù),解析命令與參數(shù)后即可控制其他電路。

多路配氣系統(tǒng)會在上位機軟件設置好每個氣路的設定流速后,硬件電路通過控制常閉電磁閥設置具體混氣成分與濃度完成多組分氣體的配氣。在對傳感器的加熱處理上,微處理器將產(chǎn)生幅值在0～3.3 V、脈沖寬度為50 ms的PWM波形,該PWM波信號連接到NMOS管的柵極,且該NMOS管的源極與漏極分別連接到地與傳感器的加熱端口,傳感器的另一加熱端口連接5 V直流電。

硬件控制電路進行采樣及數(shù)據(jù)處理可視為1個采樣周期,其工作流程為:對ADC芯片的每個與傳感器連接的信號輸入端口按順序執(zhí)行信號采樣動作,在采樣動作中,微處理器將會識別輸入信號的范圍,據(jù)此調(diào)整ADC芯片的PGA放大倍數(shù),并重復采樣動作,直到調(diào)整到合適的參數(shù)后保存該數(shù)據(jù)。完成對所有端口的采樣數(shù)據(jù)保存后,微處理器將該部分數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換、拼接處理,調(diào)整到合適進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷?并上傳該次的采樣數(shù)據(jù)到上位機軟件中。隨后,微處理器根據(jù)采樣間隔與時間等參數(shù),進入下一個采樣周期。

1.2 多組分配氣模塊設計

揮發(fā)性有機化合物(volatile organic chemicals,VOCs)是在工業(yè)、實驗室以及家中常見的危害性氣體,例如甲苯、甲醛及乙醛等,對環(huán)境空氣的污染不容忽視,對人體健康也存在較大的隱患[6-7],乙醇則是常見的實驗室溶劑、消毒劑及酒精成分,基于上述原因,該類氣體是氣體傳感器常見的檢測對象,多組分配氣系統(tǒng)即是基于此進行設計。

以三組分配氣系統(tǒng)為例,多組分配氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,采用DJ2C-VUG6型的耐蝕常閉電磁截止閥和CS系列數(shù)字式氣體質(zhì)量流量控制器和流量計組成,電磁截止閥由硬件控制電路實現(xiàn)開關控制,流量計通過串口RS485協(xié)議接入PLC再接入PC端,由上位機軟件進行設置和調(diào)整控制。

圖2 多組分配氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(以三組分為例)

在三組分配氣系統(tǒng)中,輸入氣路共有6路,氣路1、氣路2為干燥空氣輸入氣路,分別流通經(jīng)過不同流速范圍的2個流量計;氣路3、氣路4為氣體組分1輸入氣路,同樣設置為不同流速范圍;氣路5、氣路6為氣體組分2和氣體組分3的輸入氣路,氣體組分是否輸入由常閉電磁閥控制。其中濕度發(fā)生裝置用于控制待測氣體濕度范圍,最終混氣后通入氣體傳感器陣列所在的氣室中。

本設計中氣體濃度均由理論計算后配比完成,實際氣體濃度還會受氣室設計、氣路關系以及溫度濕度等因素發(fā)生小范圍變化,需要在配氣后再次進行氣體濃度的測量保證配氣精度和測量精度。

1.3 硬件控制電路設計

硬件控制電路結(jié)構(gòu)圖見圖3,主要包括電源電路、信號采樣電路和微處理器電路。電源電路輸入電壓為DC 24 V,通過線性穩(wěn)壓模塊降壓后實現(xiàn)對各電路模塊的供電。傳感器陣列信號通過多通道分壓電路轉(zhuǎn)化為待檢測的電壓信號,電壓信號將傳遞給高精度ADC轉(zhuǎn)換電路完成數(shù)據(jù)的采集。加熱電路通過將PWM信號控制轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的加熱電壓實現(xiàn)對氣體傳感器的加熱控制。微處理器電路實現(xiàn)對其他電路的控制和與上位機軟件的數(shù)據(jù)通信。

圖3 高精度電子鼻硬件控制電路結(jié)構(gòu)框圖

1.3.1 電源電路設計

電源電路輸入電壓為DC 24 V,該輸入電壓通過DC-DC變壓后,再經(jīng)過電源芯片LM1085和AMS1117依次穩(wěn)定降壓為5 V及3.3 V電壓。其中24 V電壓輸入電源用于多組分配氣系統(tǒng)的開關閥控制,5 V電壓用于給ADC轉(zhuǎn)換芯片及傳感器加熱模塊等模擬電路供電,3.3 V電壓用于給微處理器電路等數(shù)字電路供電。其中C3～C10等電容用于調(diào)控電源芯片的輸出電壓范圍,電源電路圖如圖4所示。

圖4 直流穩(wěn)壓電源電路圖

1.3.2 采樣電路設計

本設計中采樣電路采用電阻分壓式測量電路,將半導體氣體傳感器采樣電阻作為待測電阻Rs(sample resistance)與高精度定值電阻串聯(lián),在電路兩端施加固定電壓V,通過測量定值電阻的分壓計算得到待測電阻阻值,其中固定電壓V由16位ADC芯片(ADS114S08)輸出的穩(wěn)定2.5 V標準電壓REF25提供,電阻阻值Rs計算公式如下:

(1)

式中:R0為參考電阻,采用精度為0.1%的1 MΩ電阻;V0為待測電壓信號。

采樣電路圖如圖5所示,其中ADS114S08是精度為16位的低功耗的數(shù)模轉(zhuǎn)換器件,該芯片中包含了一個可編程的增益放大器(PGA),其增益范圍為1～128倍,可用程序自動控制,用于放大低電平信號便于測量。該芯片支持最多12路電平信號輸入轉(zhuǎn)換,其工作原理為,處理器通過SPI協(xié)議與ADS114S08芯片通信,并按照相關時序驅(qū)動其工作;REF25為ADS114S08芯片輸出的標準2.5 V電壓,可以作為該芯片是否成功初始化的標志;AINx為信號輸入引腳。

圖5 16位ADC采樣電路設計

1.3.3 微處理器電路設計

微處理器電路需要將采集到的信號數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機軟件,本設計中采用型號為ESP32-WROOM-32的微處理器,其主要功能為:控制采樣電路,實現(xiàn)電壓信號的自動放大,提高采樣精度;控制傳感器加熱溫度;進行測試數(shù)據(jù)的初步處理,便于數(shù)據(jù)傳輸;設定WiFi,并通過WiFi通信方式與上位機軟件進行命令接收及數(shù)據(jù)傳輸,其電路圖見圖6。

圖6 無線通信微處理器電路設計

當電源電路供電后,微處理器上電,點亮電路上L1號LED燈,表示電路已正常供電。微處理器通過設置產(chǎn)生WiFi,采用TCP協(xié)議實現(xiàn)與上位機軟件的通信,上位機軟件連接上該WiFi后即完成與通信連接,此時將點亮電路上L2號LED燈,表示電路已完成通信端口連接。

1.4 上位機軟件設計

上位機軟件運行在PC端,采用Qt軟件開發(fā)平臺進行設計,軟件完成開發(fā)后在Windows、Linux系統(tǒng)下均能運行,無需移植。上位機軟件與微處理器電路采用TCP協(xié)議進行通信,與多組分配氣系統(tǒng)采用串口RS485協(xié)議進行通信,上位機軟件具體通信端口設置見表1。

表1 上位機軟件相關通信端口設置

上位機軟件工作流程如圖7所示,包括測試通信信道是否通暢、設置測試參數(shù)、發(fā)送控制命令、接收流量計數(shù)據(jù)與采樣數(shù)據(jù)、實時繪制動態(tài)測試曲線,以及根據(jù)需求保存不同格式的測試結(jié)果。

圖7 上位機軟件工作流程

上位機軟件啟動后,在開始工作前需確保PC端連接上微處理器電路設置的WiFi信號,確認后開始設置本次測試流程的具體參數(shù),包括設置穩(wěn)定階段、響應階段和系統(tǒng)恢復階段的時長分布、設置多組分配氣系統(tǒng)的配氣通道與濃度、設置單個傳感器的加熱溫度,如圖8所示。

圖8 上位機軟件測試參數(shù)設置

完成本次測試流程的參數(shù)設置后,可點擊“開始采集”進行數(shù)據(jù)采樣操作,二次確認后,上位機軟件開始實時顯示并繪制電子鼻采樣電路上傳的采樣數(shù)據(jù)。在此過程中,可點擊“通道選擇”選擇單獨或者多組采樣數(shù)據(jù)進行選擇性顯示,該操作只影響根據(jù)采樣數(shù)據(jù)繪制的曲線顯示,并不影響采樣數(shù)據(jù)本身的顯示。通過“顯示模式”可選擇當前數(shù)據(jù)顯示模式,“固定模式”將固定Y軸坐標,僅顯示該坐標內(nèi)的數(shù)據(jù)曲線;“自動調(diào)節(jié)模式”將自動計算當前X軸范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)最值,并自動調(diào)整Y軸坐標保證所有數(shù)據(jù)曲線均可正常顯示,該模式同時受“通道選擇”功能影響。

在測試流程完成后,軟件自動進入結(jié)束階段,等待其他命令,此時有3種數(shù)據(jù)保存方式,即TXT文本保存、EXCEL表格保存以及GRAPH圖像保存,點擊“保存”選項,可根據(jù)需求不同選擇合適的方式保存所有數(shù)據(jù)。碰到非正常情況時,可隨時點擊“停止采集”按鍵,重新調(diào)整測試參數(shù)并等待傳感器恢復后,可重復測試流程,軟件交互界面具體設計見圖9。

圖9 上位機軟件交互界面顯示

2 系統(tǒng)測試與驗證

2.1 測試對象與方法

為了保證測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性,在系統(tǒng)設計制作完成后進行整體封裝。在本次測試中,采用本文自研的電子鼻系統(tǒng)對乙醇、甲苯和甲醛3種VOCs分別進行不同濃度梯度的測試并保存采樣數(shù)據(jù),本次測試不使用濕度發(fā)生裝置,假定濕度恒定為0%。3種氣體的原氣濃度為100 ppm(1 ppm=10-6),為了設置不同濃度的待測氣體,濃度設置方法如下,通過流量計控制設定氣體原氣的流速分別為2.5、5、25、50、125 mL/min,設定干燥空氣流速分別為497.5、495、475、450、375 mL/min,以此設定氣體測試時測試濃度分別為0.5、1、5、10、20、25 ppm。

整個測試過程分為穩(wěn)定階段和多次的響應-恢復循環(huán)階段,同種氣體測試流程約11 h。初始2 h為基線穩(wěn)定階段,多組分配氣系統(tǒng)持續(xù)向氣室通入干燥空氣,隨后電子鼻系統(tǒng)進入傳感器響應階段,氣室通入特定濃度待測氣體30 min,最后是恢復階段,配氣系統(tǒng)持續(xù)通入干燥空氣60 min后再次進入下一濃度梯度的響應-恢復循環(huán)。配氣系統(tǒng)按濃度由低到高的順序依次進行待測氣體混氣,可減少高濃度待測氣體對低濃度測試時的影響。在同種氣體測試完成后,系統(tǒng)自動進入下一種氣體的測試流程。

2.2 測試動態(tài)響應及分類結(jié)果

對測試氣體的動態(tài)響應曲線進行分析,比較傳感器陣列對同種類不同濃度以及同濃度不同種類氣體響應的差異。作為示例,選取0.5、1、5、10 ppm甲醛氣體在氣體傳感器MP503下的響應數(shù)據(jù)繪制成圖10,同時選取10 ppm濃度的乙醇、甲苯和甲醛氣體在該傳感器下的響應數(shù)據(jù)繪制動態(tài)響應曲線見圖11。從圖10、圖11中可以看出,傳感器在基線穩(wěn)定階段的電阻阻值并不相同,這是傳感器受前一次測試影響導致并未恢復到相同的電阻基線處。由圖10可看出,注入不同濃度的待測甲醛氣體后,隨著濃度升高,氣體傳感器響應時間減小,響應程度升高,同時恢復時間增大;由圖11可看出,對同濃度不同種類待測氣體,傳感器的響應程度、恢復時間等參數(shù)均不相同,有較大差異。

圖10 0.5～10 ppm甲醛氣體動態(tài)響應曲線

圖11 10 ppm乙醇、甲苯及甲醛動態(tài)響應曲線

硬件控制電路中參考電阻為精度0.1%的1 MΩ電阻,氣體傳感器數(shù)據(jù)由16位ADC芯片進行采樣,其參考電壓為2.5 V,則未啟用PGA時最小分辨電壓為0.076 3 mV。采樣誤差可定義為ADC芯片的最小分辨電壓所對應的氣體傳感器電阻變化值與變化前阻值的比值。若氣體傳感器阻值與參考電阻相同為1 MΩ,可計算得待測電壓V0變化最小分辨電壓時,氣體傳感器變化阻值約為122 Ω,此時PGA無法啟動,采樣誤差可計算得約為0.012%;隨著半導體氣體傳感器阻值變小,當氣體傳感器阻值達到10 kΩ,可計算采樣誤差達到0.311%;當氣體傳感器阻值增大到100 MΩ,可同樣計算采樣誤差達到0.311%,但此時待采樣電壓值較低,可啟用PGA進行放大,放大64倍后采樣誤差可降低為0.013%,采樣誤差見表2。

表2 采樣誤差對比

實驗數(shù)據(jù)如表3所示,其中定義響應為氣體傳感器響應前基線電阻Ra與發(fā)生響應后電阻值Rs的比值,根據(jù)該值可繪制出氣體響應曲線(圖12),可看出該傳感器對乙醇氣體的響應更明顯,對另外兩種氣體響應相似。

表3 實驗特征數(shù)據(jù)

圖12 乙醇、甲苯及甲醛響應曲線

根據(jù)氣體傳感器的響應曲線,可進一步對傳感器的檢測下限進行分析,根據(jù)國際純粹與應用化學聯(lián)合會(international union of pure and applied chemistry,IUPAC)關于傳感器理論檢測下限(limit of detection,LOD)的定義[8]:

(2)

式中:RMSnoise為傳感器響應曲線的噪聲,取基線穩(wěn)定階段的400個數(shù)據(jù)點計算其標準差;slope為傳感器在線性工作區(qū)間的響應斜率。

取濃度最小的3個響應數(shù)據(jù)點擬合其線性公式,所得斜率即為slope,根據(jù)式(2)可得該傳感器對乙醇、甲苯及甲醛的檢測下限分別為22.9、62、16.2 ppb。該檢測下限代表單個傳感器對特定氣體能夠檢測到的最小濃度,而在系統(tǒng)層面,則需要特定的算法計算系統(tǒng)能夠檢測到的特定氣體的最小濃度下限。

包含模式識別算法的電子鼻系統(tǒng)可根據(jù)氣體傳感器陣列響應數(shù)據(jù)進行分類與判別[9-10],本文設計的電子鼻系統(tǒng)采用主成分分析(PCA),選擇傳感器基線阻值、響應穩(wěn)定阻值、傳感器響應值等統(tǒng)計特征作為PCA分類模型的輸入數(shù)據(jù),可獲得傳感器陣列對氣體種類及濃度的分類圖,如圖13所示。

圖13 乙醇、甲苯及甲醛PCA分類圖

通過分析PCA分類圖可知,氣體種類區(qū)分十分明顯,且同種氣體間分類點與圖12中氣體響應相對應,系統(tǒng)具有良好的分類判別能力。

3 結(jié)論

本文基于電子鼻系統(tǒng)研發(fā)過程中氣體傳感器阻值較大且響應范圍較寬的問題,從高精度采樣電路設計出發(fā),結(jié)合配氣系統(tǒng)設計實現(xiàn)了寬量程、高精度的檢測系統(tǒng),能夠在電子鼻研發(fā)過程中進行多種氣體的自動化測試。硬件控制電路部分采用ESP32微處理器為主要控制核心驅(qū)動16位ADC芯片及采樣電路實現(xiàn)對半導體氣體傳感器的高精度采樣,上位機軟件采用Qt軟件設計平臺、C++語言進行設計,通過WiFi通信方式與硬件電路進行數(shù)據(jù)交換,實現(xiàn)穩(wěn)定的實時數(shù)據(jù)及曲線顯示,并采用PCA對采樣的數(shù)據(jù)進行分類判別。

基于該電子鼻系統(tǒng),經(jīng)過多組分配氣系統(tǒng)的自動配氣,對0.5～25 ppm區(qū)間內(nèi)6個濃度梯度的乙醇、甲苯及甲醛3種氣體進行連續(xù)測試,基于其動態(tài)響應曲線提取傳感器基線阻值、響應穩(wěn)定阻值、傳感器響應等特征量進行PCA分析,對采樣數(shù)據(jù)和分類結(jié)果進行分析,表明本文設計的電子鼻系統(tǒng)采樣電路誤差在0.31%以下,且檢測系統(tǒng)具有較好的分類效果,能夠穩(wěn)定地對多種氣體進行高精度、寬量程的數(shù)據(jù)采樣測試,在對高阻值、寬響應的半導體氣體傳感器的檢測上具備可行性。