一種基于虛擬技術的氣敏傳感器測試系統

祁昌禹，韓根亮，徐武德，楊旭輝，馬宏偉,尚麗萍

(1.甘肅省科學院傳感技術研究所，甘肅 蘭州 730000;2.甘肅省科學院自然能源研究所，甘肅 蘭州 730000)

一種基于虛擬技術的氣敏傳感器測試系統

祁昌禹1，韓根亮1，徐武德1，楊旭輝1，馬宏偉1,尚麗萍2

(1.甘肅省科學院傳感技術研究所，甘肅 蘭州 730000;2.甘肅省科學院自然能源研究所，甘肅 蘭州 730000)

傳統的氣敏傳感器測試是將傳感器固定在一個已知體積的密閉容器中，通入一定濃度的被測氣體，借助簡單的電路設計，監測傳感器的電阻表征性能。該方法存在配氣誤差大、動態響應弱、測試效率低等問題，無法滿足用戶的實際測試需求。針對該問題，提出了一種基于LabVIEW虛擬技術的動態電阻匹配方法。介紹了整個測試系統的模塊組成、各個模塊的基本原理和實現方法。試驗結果表明，應用該系統進行氣敏傳感器測試，測試誤差減小了0.1%，測試時間也縮短一半。氣敏傳感器測試系統不但降低了試驗成本，還解決了許多高靈敏度氣體傳感器無法測試的問題，為衡量氣敏傳感器的性能優劣提供了真實可靠的參數，在氣敏傳感器測試中具有廣闊的應用前景。

傳感器; LabVIEW; 濾波器; 數據采集； 精度

0 引言

氣體傳感器已廣泛應用于人們的日常生活中。近年來，國外氣體傳感器發展很快。這一方面是由于人們安全意識增強，提高了對環境安全性和生活舒適性的要求；另一方面是由于傳感器市場受到政府安全法規的推動。國外氣體傳感器技術起步早、發展快，成熟的氣體傳感器產品已廣泛應用于各行各業。相比之下，國內的氣體傳感器發展速度比較緩慢。針對氣體傳感器的測試系統主要有以下兩類：一是科研院所根據自己的學科方向自行設計制作；二是少數企業按照用戶需求在通用模型的基礎上進行改造升級，由于該系統受到用戶需求的限制，企業不會批量生產。所以，國內的氣體傳感器測試系統仍然停留在相對滯后的靜態測試階段[1]，無法滿足實際的測試要求。

為了能夠更加精確、高效和方便地標定氣體傳感器，亟需一種能滿足多種測量要求的測試系統[2]。本文基于LabVIEW，設計了一套氣敏傳感器動態測試系統。首先為傳感器創造濃度可變的氣體測試環境即動態配氣，將配比好的氣體送達傳感器測試室；然后在測試室完成傳感器的測試，采用行業界普遍運用的恒壓法測試原理，借助與傳感器串聯的匹配電阻，間接計算出傳感器的電阻值即信號值；最后將信號值采集保存到計算機，用于后期的處理和分析。系統實現了動態配氣、傳感器測試、數據處理及圖形化顯示等功能。LabVIEW的編程平臺完成了界面友好的人機交互環境，更符合用戶的實際需求；軟硬件結合的自適應電阻匹配模塊提高了系統的運行效率；基于限幅濾波和平均濾波的數字濾波算法提高了系統的整體測試精度。

1 動態配氣系統

1.1 硬件設計

動態配氣是相對于傳統靜態配氣系統而設計的。早期的靜態配氣是在一個體積已知的密閉容器中通入一定量的氣體，所以在整個測試過程中氣體濃度是不變的。這種測試傳感器的方法誤差大且不太符合實際應用環境需求。改進設計的動態配氣裝置[3-4]模擬現實環境，保證了在整個測試過程中不同時間段有不同的氣體濃度。這種測試方法提高了氣體傳感器的精度。

動態配氣的硬件設計[5-6]主要包括兩部分內容：一是氣路的設計，二是對氣體質量流量計的控制。系統氣源、氣路結構如圖1所示。

圖1 系統氣源、氣路結構圖

為了較為真實地反映現實氣體環境，圖1中的氣源由2路被測氣體和1路背景氣體構成，惰性氣體氮氣主要用于每次試驗前后整個氣路的沖洗。圖1中標注的1～10為電磁閥，主要用于控制氣路的通閉和對氣體質量流量計的保護。選用5 SCCM、15 SCCM和10 SLM的不同規格質量流量計，便于配置更寬范圍的氣體濃度，滿足用戶的測試需求。考慮到氣體管路需承受一定的壓力和耐酸堿腐蝕，所以各管路均采用不銹鋼材料。

質量流量計用于精準地控制每一路氣體的流量，以確保測試過程中氣體傳感器的精度。圖1中，每個質量流量計兩邊的電磁閥用于避免大流量的氣體沖擊而破壞質量流量計的測量精度。對于質量流量計的控制，首先計算機通過多功能數據采集卡的模擬量輸出口，控制流量顯示儀的“內設”端子、完成質量流量計的輸出設置；然后多功能數據采集卡的數字輸入口通過質量流量儀的“流量檢測”端子完成當前流量值的實時采集。圖1中各種電磁閥的開閉由多功能數據采集卡的I/O口完成。

1.2 軟件設計

測試系統的軟件是在LabVIEW 2011平臺上開發的，借助虛擬儀器技術[7]，通過LabVIEW中各控件對上述硬件設計中的電子閥、質量流量計進行實時控制，以“軟面板”的形式和用戶友好互動。

電子閥門的控制相對比較簡單，只要成功創建設備(多功能數據采集卡)之后，對I/O口實施寫操作就可以實現電子閥的閉合。氣體質量流量計的操作要完成讀和寫兩個過程，讀操作實現了對氣體質量流量計數值的實時采集；寫操作完成了對氣體流量的精確控制。寫操作的具體方法是：創建兩個輸入控件，一個用于設置用戶需求的流量值，另一個用于設置系統時間值，二者一一對應。也就是說，在一段時間的試驗過程中，氣體流量大小是按照提前設定好的時間點隨時變化的，而且時間點的多少可由用戶按需增減。

2 傳感器測試

2.1 硬件設計

2.1.1 系統測試原理

氣敏傳感器動態測試系統的測試采用恒壓法[8]，即給傳感器兩端施加一個恒定的工作電壓，同時給傳感器串聯一個匹配電阻，使其阻值與傳感器的阻值盡可能接近。通常情況下，氣敏傳感器在300 ℃[9]左右才能夠正常工作，所以要在傳感器中設計加熱電路，以保證傳感器的正常工作溫度。在此，采用旁路加熱裝置，即在傳感器周圍設置加熱絲，并通過控制加熱絲的溫度來實現。

在設計電路時，依據經驗值，設計了多個匹配電阻。在測試時，根據傳感器電阻值的范圍自動切換匹配電阻，實現了電阻的自適應匹配。系統測試原理如圖2所示。

圖2 系統測試原理圖

圖2中：Rs為匹配電阻；UC1為傳感器加熱電壓；UC2為傳感器工作電壓；UO為傳感器信號輸出電壓。

由于串聯電路電流相等，通過測量匹配電阻兩端的電壓，就可以間接得到傳感器的阻值，如式(1)所示，從而進一步得到傳感器的敏感特性。

(1)

2.1.2 測試電路設計

測試電路[10]主要由開關管、調整管、比較放大器和高精度電阻等元件組成。開關管VT7、VT8和電阻R11、R12組成選擇開關電路。當CON4為高電平時，選通匹配電阻R10。比較放大器A1的同向端接基準+5 V信號，反向端與匹配電阻R10和傳感器電阻RX1構成的反饋網絡相連接。穩壓電源的輸出經R10、RX1組成的分壓電路分壓后送到運放A1的反向端，經運放比較放大后，驅動調整管VT0，保持電路平衡。最終使傳感器的工作電壓始終穩定在+5 V，使傳感器穩定、正常工作，保證采集信號的穩定、準確。

匹配電阻R1、R4、R7的電路組成和R10一樣，它們共同組成電阻切換陣列，在系統軟件的控制下自動調節匹配電阻，使得傳感器匹配最合適的電阻，實現了從100 Ω～10 MΩ的氣體傳感器阻值的測量。當CON1和CON2端為高電平時,由一對NPN和PNP三極管組成的電阻切換開關打開，電阻匹配成功。

2.2 軟件設計

依據硬件設計原理，要檢測氣敏傳感器的敏感特性，首先需要測量匹配電阻兩端的電壓，然后通過式(1)間接得到傳感器的阻值，以此來標稱傳感器的特征值。所以軟件設計的目的就是通過一定的算法，實現在不同氣體濃度下的實時電阻匹配，從而衡量傳感器氣敏特性的優劣性。每個模擬輸出端口對應的匹配電阻如表1所示。

LabVIEW通過多功能數據采集卡的4個模擬輸出端，實現對圖3中CON1、CON2、CON3、CON4的控制。在LabVIEW程序設計中，4個模擬輸出端輸出的高、低(1、0)電平相當于4個布爾量，4個布爾量組成1維4元素的數組，再將該數組轉換為整型數值(8、4、2、1)對應模擬輸出端口[11]。

表1 模擬輸出端口與匹配電阻對照表

系統默認CON2連通的匹配電阻為2 kΩ，從初始狀態開始采集匹配電阻兩端的電壓值并判斷其是否滿足要求。當匹配電阻兩端的電壓值y在區間[5.3,9.7]時，證明符合系統工作的要求，輸出結果。

當匹配電阻兩端的電壓值y<5.3 V時，證明分配給傳感器的電壓較多，將打開CON3；當匹配電阻兩端的電壓值y>9.7 V時，證明分給傳感器的電壓較少，將打開CON1。打開CON1或CON3后，再判斷采集的電壓值y是否在區間[5.3,9.7]。如果電壓值在這個范圍，證明匹配正確；如果不在這個范圍，將繼續執行前面所述的判斷過程。

3 數據采集、處理、保存和分析

LabVIEW在數據采集和處理中有其獨特的優勢，大量封裝好的數據采集和數據處理函數能有效地降低程序設計者的工作難度，硬件提供的各種接口函數方便用戶直接調用。

3.1 數據采集

通過多功能數據采集卡的模擬輸入口，實時采集匹配電阻兩端的電壓值，并將采集到的數值依據式(1)間接計算得到傳感器的實時電阻值。要達到預定的測試精度≤0.1%(用標準電阻代替傳感器進行比對)，必須設計合理的數據采集算法[12-13]。

首先創建數據采集端口，將讀取數據全部存放在Buffer中。多功能數據采集卡為16路共用1個A/D轉換，所以用LabVIEW中的“抽取1維數據”函數實現通道1(以通道 1舉例)的數據讀取并放在1個1維數組中。接著對數組中的數據作升序排列。然后將排序得到的數組通過LabVIEW中的“數組子集”函數去除最大、最小各100個數值，保留中間的200個數值。最后對保留的200個數值求算術平均值，將平均值作為最終結果輸出。

3.2 數據處理

由于采集的原始數據可能因為一些干擾因素出現噪聲，而且這些信號是隨機出現的，會影響整個系統的采集精度和采集曲線的完整性、光滑性，因此需要將這些干擾信號剔除。在此采用LabVIEW自帶的Butterworth濾波器[14]。該濾波器能有效去除各種干擾數據和用戶不需要的數據。

3.3 數據保存

數據保存為后期的試驗結果分析奠定基礎，是軟件設計中不可缺少的一個組成部分。LabVIEW提供各種形式的文件管理模式：文本文件的讀寫、二進制文件的讀寫、電子表格文件的讀寫和特有的TDMS文件的讀寫。由于采集系統的數據吞吐量比較大，所以數據保存需滿足大容量、高速、可靠、實時以及便于后期提取等特點。為了滿足這些條件，系統選用電子表格文件和TDMS文件兩種數據管理模式，以電子表格的形式保存數據是為了用戶在脫離應用軟件的情況下，可以直接以Excel的形式打開已經保存的數據，根據自己的需求對其進行分析和計算；而TDMS格式具有高速存儲的特性，適合海量數據的保存。TDMS格式不但具有二進制文件的優點，而且具備關系數據庫的一些優點。所以選用TDMS格式存儲格式滿足系統要求，方便后期數據分析。

3.4 數據分析

通常依據傳感器的響應時間和電阻靈敏度[15]，衡量被測傳感器性能的優劣。數據分析的目的是將采集并保存后的數據，通過曲線重繪的方法計算傳感器響應時間和電阻靈敏度。數據采集測試曲線如圖3所示。

圖3 數據采集測試曲線圖

圖3中：T響初為傳感器在通入某一濃度的被測氣體前電阻值對應的時間；T響穩為傳感器在某一濃度的被測氣體中穩定后電阻值對應的時間；R空穩為傳感器在空氣中穩定后的電阻值；R測穩為傳感器在某一濃度被測氣體中穩定后的電阻值。

因為用戶需求的不同，所以對氣敏傳感器的響應時間有不同的定義。這里采用的定義為：響應時間=[(傳感器在某一濃度的被測氣體中穩定后電阻值對應的時間)-(傳感器在通入某一濃度的被測氣體前穩定后電阻值對應的時間)×70%]；電阻靈敏度=(氣體傳感器在空氣中穩定后的電阻值/氣體傳感器在某一濃度被測氣體中穩定后的電阻值)。依據公式計算得到氣敏傳感器的標定參數，完成整個測試。

4 結束語

基于虛擬技術的氣敏傳感器測試系統，克服了傳統測試方法不能夠動態改變被測氣體濃度的缺陷。綜合運用機械制圖、電子線路、軟件工程等相關技術所完成的動態氣敏傳感器測試系統，具有測試精度高、性能可靠穩定、自動化程度高和用戶使用方便靈活等特點。先進的硬件設計理念和友好的軟件設計界面使得該系統被廣泛應用于科學研究和日常的生產、生活中，服務各行各業，有效提高了人們的生活質量和生產能力。但隨著更多復雜氣體環境的出現，該系統還需要在測試結果的精度上作更多的努力，使其適應各種氣體傳感器的測試。

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Test System Based on Virtual Technology for Gas Sensitive Sensors

QI Changyu1,HAN Genliang1,XU Wude1,YANG Xuhui1,MA Hongwei1,SHANG Liping2

(1.Institute of Sensor Technology,Gansu Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China; 2. Institute of Natural Energy Research,Gansu Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China)

The traditional test of gas sensitive sensor is processed in a closed container with known volume,and filled with measured gas in certain concentration,with help of a simple circuit design,the resistance characteristic performance of the sensor is monitored.This method features many disadvantages,such as big error of gas distribution,weak dynamic response and low test efficiency,etc.,so the practical test demands cannot be met.Aiming at these problems,the dynamic resistance matching method based on LabVIEW virtual technology is proposed.The modular composition of the whole test system,the basic principle of each module and the implementing method are described.The experimental results show that by using this system for testing gas sensitive sensor,the test error may be reduced to 0.1%,and the test time can be shortened by 50%,the implementation of this test system decreases the cost of test,and resolves many problems for high sensitive gas sensors.The system provides real and reliable parameters reflecting the performance of gas sensitive sensors,it possess wide applicable prospects in testing field of gas sensitive sensors.

Sensor; LabVIEW; Rejector; Data acquistion; Precision

甘肅省科學院青年科技創新基金資助項目(2014QN-12)

祁昌禹(1980—)，男，碩士，工程師，主要從事嵌入式技術、測控技術的研究。E-mail:qichangyu@126.com。 尚麗萍(通信作者)，女，碩士，助理研究員，主要從事太陽能、可持續發展、資源研究與環境政策方向的研究。 E-mail：liping.shang@yahoo.com。

TH7;TP202

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705019

修改稿收到日期：2017-01-16