氣體傳感器特性測試系統(tǒng)的研究

朱志鵬 李銀華

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院,鄭州 450002)

氣體傳感器特性測試系統(tǒng)的研究

朱志鵬 李銀華

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院,鄭州 450002)

針對(duì)氣體傳感器測試系統(tǒng)測試效率低和傳統(tǒng)手動(dòng)配氣方式對(duì)人體健康影響較大的問題，設(shè)計(jì)一套集自動(dòng)配氣、數(shù)據(jù)采集分析與管理于一體的氣體傳感器特性測試系統(tǒng)。給出了該系統(tǒng)的總體方案、硬件電路與部分軟件程序。系統(tǒng)測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)可自動(dòng)完成氣體配制、實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控、批量氣敏元件檢測、數(shù)據(jù)采集分析與報(bào)表生成，降低了人體與揮發(fā)性氣體的接觸幾率，減小了揮發(fā)氣體對(duì)人體健康的影響。

測試系統(tǒng) 氣體傳感器 自動(dòng)配氣 批量測試 數(shù)據(jù)采集

揮發(fā)性氣體的普遍應(yīng)用帶動(dòng)了氣體傳感器產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，而落后的氣體傳感器測試系統(tǒng)卻又限制了氣體傳感器產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展[1]。目前，常用的WS-30A氣敏元件測試系統(tǒng)均使用傳統(tǒng)手動(dòng)配氣方式，配氣效率低、精度低，同時(shí)增加了人體與揮發(fā)性氣體的接觸幾率，對(duì)人體健康影響較大。而CGS-1TP智能氣敏分析系統(tǒng)每次只能測試一只傳感器，主要用于科研分析和生產(chǎn)抽檢，難以滿足批量在線測試需求。因此，氣體傳感器自動(dòng)測試系統(tǒng)對(duì)批量生產(chǎn)具有重要的意義。

針對(duì)氣體傳感器測試系統(tǒng)的現(xiàn)狀、特點(diǎn)與生產(chǎn)需求，筆者設(shè)計(jì)了一套集自動(dòng)配氣、多通道測試、數(shù)據(jù)采集分析與管理于一體的氣體傳感器特性測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)傳感器的批量測試，提高傳感器的測試效率。

1 測量原理與技術(shù)要求

1.1 測量原理

氣體傳感器在空氣中的阻值Rx較小(幾歐姆到十幾歐姆)，而在特定氣體環(huán)境中阻值會(huì)發(fā)生巨大變化。因此，依據(jù)氣體傳感器的特性，其測量原理如圖1所示。通過外加恒流源Is，使氣體傳感器與恒流源構(gòu)成串聯(lián)電路，當(dāng)傳感器電化學(xué)材料與氣體接觸后，氣體傳感器阻值發(fā)生變化，而恒流源電流Is不變，由歐姆定律Is=Vo/Rx可知，只需測量輸出電壓Vo，即可得到氣體傳感器阻值[2]。圖1中Vh為可調(diào)加熱電壓，依據(jù)貼片式溫度傳感器實(shí)時(shí)反饋的溫度值調(diào)節(jié)加熱電壓，通過加熱電阻Rh使氣體傳感器工作溫度保持恒定。

圖1 氣體傳感器測量原理示意圖

1.2技術(shù)要求

根據(jù)氣體傳感器特性和批量測試數(shù)據(jù)分析要求，結(jié)合目前氣體傳感器實(shí)際生產(chǎn)中存在的問題，氣體傳感器測試系統(tǒng)技術(shù)要求有：可一次對(duì)多支傳感器同時(shí)進(jìn)行測試，通過對(duì)測試數(shù)據(jù)的處理，能以圖形曲線和數(shù)據(jù)兩種方式顯示氣敏元件的特性；可根據(jù)用戶設(shè)定完成自動(dòng)配氣；實(shí)時(shí)反映被測試傳感器的工作溫度并保持溫度恒定；可計(jì)算氣敏元件電阻值、電壓靈敏度、電阻靈敏度、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間；測試過程中動(dòng)態(tài)顯示傳感器阻值在特定濃度下隨時(shí)間變化的特性曲線；如用戶需要，可對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、打印等操作，并可用其他數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；電源220V±10%(AC)、50Hz；系統(tǒng)綜合誤差小于±1%。

2 系統(tǒng)總體方案

氣體傳感器測試系統(tǒng)(圖2)主要由傳感器測試箱、基于ARM的系統(tǒng)控制單元和上位機(jī)軟件分析部分組成。傳感器測試箱包括矩陣式元件板、多路電子開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器和自動(dòng)配氣裝置。基于ARM的系統(tǒng)控制單元?jiǎng)t負(fù)責(zé)對(duì)測試箱氣體濃度、溫度、通道選擇進(jìn)行控制，顯示屏實(shí)時(shí)顯示測試箱氣體濃度、溫度等測試環(huán)境信息[3]。上位機(jī)軟件分析部分對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、生成報(bào)表、保存、打印[4]。揮發(fā)性氣體通過以氣體質(zhì)量流量控制器為核心的自動(dòng)配氣裝置在測試箱形成模擬測試環(huán)境，多路電子開關(guān)控制矩陣元件板上元件測試通道的開斷。氣體傳感器在特定氣體種類

圖2 氣體傳感器測試系統(tǒng)框圖

和濃度下，阻值的變化將轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并由信號(hào)采集電路傳送到MCU系統(tǒng)進(jìn)行處理，通過RS-232串口送入計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、報(bào)表生成和數(shù)據(jù)保存。

3 系統(tǒng)硬件部分

3.1處理器選型

CPU選用基于ARM920T的32位微處理器S3C2440A，主頻400MHz，最高可達(dá)533MHz，具有低成本、低功耗、高性能的優(yōu)點(diǎn)，可以流暢運(yùn)行Linux嵌入式系統(tǒng)，擴(kuò)展性強(qiáng)，便于后續(xù)開發(fā)管理。

3.2數(shù)據(jù)采集接口電路

A/D轉(zhuǎn)換器選用16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705，該芯片自帶有靜態(tài)RAM的校準(zhǔn)微控制器、時(shí)鐘振蕩器、數(shù)字濾波器和一個(gè)雙向串行通信端口，提供雙通道、低成本、高分辨力的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。采用Σ-Δ結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換使得A/D轉(zhuǎn)換器在噪音環(huán)境下能免受干擾，適用于工業(yè)控制領(lǐng)域。S3C2440A的SPI口包括兩條數(shù)據(jù)線和兩條控制線，分別與AD7705相應(yīng)端口連接即可實(shí)現(xiàn)兩者之間的接口電路[5]。數(shù)據(jù)采集接口電路如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集接口電路

3.3多路選擇電路

AD7705前端多路選擇芯片選用CD4067，該芯片為16選1雙向模擬開關(guān)，可以用于數(shù)字傳輸、信號(hào)分時(shí)處理及多路巡回監(jiān)測等電路中。基于CD4067的多路選擇電路如圖4所示，兩片CD4067分別通過對(duì)A、B、C、D、INM編碼實(shí)現(xiàn)32選1電路，用戶也可以根據(jù)需要進(jìn)行后續(xù)擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)批量測試功能。

圖4 多路選擇電路

3.4通信接口電路

選用MAX232芯片構(gòu)成通信接口電路(圖5)，該芯片可實(shí)現(xiàn)RS-232電平和TTL電平的相互轉(zhuǎn)換，使MCU與上位機(jī)以RS-232協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)通信功能。

圖5 通信接口電路

3.5人機(jī)交互

S3C2440A內(nèi)自帶LCD控制器和觸摸屏接口，支持STN和TFT兩種LCD所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)LCD與觸摸屏的無縫連接。LCD采用5寸液晶顯示觸摸屏，具有顯示質(zhì)量高、數(shù)字式接口、體積小、重量輕及功耗低等特點(diǎn)。可以在LCD控制寄存器中設(shè)置各時(shí)間信號(hào)參數(shù)。VCLK是時(shí)序圖的基準(zhǔn)信號(hào)，其頻率VCLK(Hz)=HCLK/[(CLKVAL+1)×2]。VSYNC、HSYNC、VCLK設(shè)置好后，將幀內(nèi)存地址告知LCD控制器，便可以自動(dòng)發(fā)送圖像數(shù)據(jù)[6]。

3.6自動(dòng)配氣

目前，氣體配制方法主要有靜態(tài)配氣法和動(dòng)態(tài)配氣法，相對(duì)于靜態(tài)配氣法來說，動(dòng)態(tài)配氣法具有配氣精度高和配氣遲滯低的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)配氣方案，以SITRANS FC430氣體質(zhì)量流量控制器(流量誤差不大于0.1%示值，密度誤差不大于0.001g/cm3)為核心，引入PID調(diào)節(jié)來控制比例閥，從而精確控制氣體濃度，保證配氣精度[7]。

4 系統(tǒng)軟件部分

Qt/Embedded是圖形化開發(fā)工具Qt的嵌入式版本，它通過QtAPI與Linux I/O和Framebuffer直接交互，擁有較高的運(yùn)行效率。Qt/Embedded整體采用面向?qū)ο缶幊蹋哂辛己玫捏w系架構(gòu)和編程模式，運(yùn)行在嵌入式Linux系統(tǒng)上，為嵌入式應(yīng)用程序提供Qt標(biāo)準(zhǔn)API[8]。氣體傳感器測試系統(tǒng)軟件由展示部分、設(shè)備部分和業(yè)務(wù)部分組成。展示部分主要是人機(jī)交互界面；設(shè)備部分包括數(shù)據(jù)采集和溫度、濃度控制；業(yè)務(wù)部分主要是數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。上位機(jī)軟件支持?jǐn)?shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存取、曲線擬合、報(bào)表管理及打印輸出等功能，操作簡單，可以方便地分析傳感器特性。

系統(tǒng)子程序包括A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)程序、LCD顯示程序和串口通信程序。

將16位高精度A/D轉(zhuǎn)換器AD7705的驅(qū)動(dòng)程序?qū)戇M(jìn)Linux內(nèi)核，系統(tǒng)工作時(shí)可直接調(diào)用。應(yīng)用程序在Linux下以C語言實(shí)現(xiàn)，其主要功能是將每個(gè)通道傳感器的測試電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并傳輸?shù)組CU單元。AD7705芯片采用SPI通信，程序設(shè)計(jì)如下：

Int gpio_open(struct inode*inode,structfile*flip)//配置I/O端口

Int gpio_read(structfile*flip,char*buffer,size_t count,loft_t*f_pos)//讀I/O端口并拷貝到用戶空間buffer中

Int gpio_write(structfile*flip,const char*buffer,size_t count,loft_t*f_pos)//根據(jù)buffer中的值寫I/O端口

Int gpio_release(struct inode*inode,struet file*flip)//復(fù)位I/O端口

圖6 氣體傳感器測試系統(tǒng)主程序流程

LCD顯示程序主要用于顯示氣體濃度、溫度、測試時(shí)間和傳感器特性曲線，包括字符和曲線兩種顯示方式。LCD顯示程序用專門的字模提取軟件獲取需要顯示的字符編碼，然后在液晶屏幕上以打點(diǎn)方式顯示字符。曲線繪制是利用Bresenham畫線算法實(shí)現(xiàn)的[9]，該模塊功能函數(shù)如下：

static void Lcd_Port_lnit(void)//LCD端口初始化

static void LCD_lnit(void)//LCD功能模塊初始化

static void PutPixel(U32 x,U32 y,U16 C)//LCD單個(gè)像素的顯示數(shù)據(jù)輸出

static void Lcd_ClearScr(U16 c)//LCD全屏填充特定顏色單元或清屏

static void Glib_Line(int xl,int yl,int x2,int y2,U16 color)//畫直線

RS-232協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)串口通信模塊程序設(shè)計(jì)的主要工作包括波特率設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸格式設(shè)置、相關(guān)寄存器初始化及數(shù)據(jù)發(fā)送與接收程序設(shè)置等。其功能函數(shù)如下：

void uart_init(void)//串口工作模塊初始化設(shè)置

void put_char(U8 c)//數(shù)據(jù)發(fā)送

U8 get_char(void)//數(shù)據(jù)接收

5 傳感器測試結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案搭建了傳感器硬件測試電路，模擬氣體傳感器測試環(huán)境，最終在上位機(jī)得到氣體傳感器特性曲線如圖7所示。可以看出，接近20s時(shí)氣體傳感器阻值迅速上升并保持恒定，60s后排掉混合氣體，阻值迅速回落。

圖7 氣體傳感器特性曲線

6 結(jié)束語

筆者提出的基于ARM系統(tǒng)控制單元的氣體傳感器特性測試系統(tǒng)將傳統(tǒng)的單通道測試提升至矩陣式多通道批量測試，極大地提高了傳感器測試效率。采用動(dòng)態(tài)可連續(xù)調(diào)節(jié)的配氣方式取代傳統(tǒng)手動(dòng)配氣方式，節(jié)省了配氣時(shí)間，提高了傳感器測試準(zhǔn)確度，同時(shí)減小了揮發(fā)氣體對(duì)人體健康的影響，能夠較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)需要。

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ResearchonGasSensorTestSystem

ZHU Zhi-peng, LI Yin-hua

(CollegeofElectricalandInformationEngineering,ZhengzhouUniversityofLightIndustry,Zhengzhou450002,China)

Considering the relatively backward and inefficient test system for gas sensors and the effect of manual distribution mode on the human health, a gas sensor test system which integrates auto-distribution, data acquisition and analysis and management was designed; and the system’s overall structure, hardware circuit and some software programs were presented. Testing the system indicates that this system can automatically implement gas preparation, real-time temperature monitoring, bulk detection of gas sensors, data collection and analysis as well as the report generation, meanwhile, it can greatly reduce risks of human contact with the test gas and decrease the impact of volatile gas on the human health.

test system, gas sensor, auto-distribute gas, batch test,data collection

TH862

A

1000-3932(2016)05-0508-05

2015-08-31

鄭州輕工業(yè)學(xué)院研究生科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2014005)