一种基于虚拟技术的气敏传感器测试系统

祁昌禹，韩根亮，徐武德，杨旭辉，马宏伟,尚丽萍

(1.甘肃省科学院传感技术研究所，甘肃 兰州 730000;2.甘肃省科学院自然能源研究所，甘肃 兰州 730000)

一种基于虚拟技术的气敏传感器测试系统

祁昌禹1，韩根亮1，徐武德1，杨旭辉1，马宏伟1,尚丽萍2

(1.甘肃省科学院传感技术研究所，甘肃 兰州 730000;2.甘肃省科学院自然能源研究所，甘肃 兰州 730000)

传统的气敏传感器测试是将传感器固定在一个已知体积的密闭容器中，通入一定浓度的被测气体，借助简单的电路设计，监测传感器的电阻表征性能。该方法存在配气误差大、动态响应弱、测试效率低等问题，无法满足用户的实际测试需求。针对该问题，提出了一种基于LabVIEW虚拟技术的动态电阻匹配方法。介绍了整个测试系统的模块组成、各个模块的基本原理和实现方法。试验结果表明，应用该系统进行气敏传感器测试，测试误差减小了0.1%，测试时间也缩短一半。气敏传感器测试系统不但降低了试验成本，还解决了许多高灵敏度气体传感器无法测试的问题，为衡量气敏传感器的性能优劣提供了真实可靠的参数，在气敏传感器测试中具有广阔的应用前景。

传感器; LabVIEW; 滤波器; 数据采集； 精度

0 引言

气体传感器已广泛应用于人们的日常生活中。近年来，国外气体传感器发展很快。这一方面是由于人们安全意识增强，提高了对环境安全性和生活舒适性的要求；另一方面是由于传感器市场受到政府安全法规的推动。国外气体传感器技术起步早、发展快，成熟的气体传感器产品已广泛应用于各行各业。相比之下，国内的气体传感器发展速度比较缓慢。针对气体传感器的测试系统主要有以下两类：一是科研院所根据自己的学科方向自行设计制作；二是少数企业按照用户需求在通用模型的基础上进行改造升级，由于该系统受到用户需求的限制，企业不会批量生产。所以，国内的气体传感器测试系统仍然停留在相对滞后的静态测试阶段[1]，无法满足实际的测试要求。

为了能够更加精确、高效和方便地标定气体传感器，亟需一种能满足多种测量要求的测试系统[2]。本文基于LabVIEW，设计了一套气敏传感器动态测试系统。首先为传感器创造浓度可变的气体测试环境即动态配气，将配比好的气体送达传感器测试室；然后在测试室完成传感器的测试，采用行业界普遍运用的恒压法测试原理，借助与传感器串联的匹配电阻，间接计算出传感器的电阻值即信号值；最后将信号值采集保存到计算机，用于后期的处理和分析。系统实现了动态配气、传感器测试、数据处理及图形化显示等功能。LabVIEW的编程平台完成了界面友好的人机交互环境，更符合用户的实际需求；软硬件结合的自适应电阻匹配模块提高了系统的运行效率；基于限幅滤波和平均滤波的数字滤波算法提高了系统的整体测试精度。

1 动态配气系统

1.1 硬件设计

动态配气是相对于传统静态配气系统而设计的。早期的静态配气是在一个体积已知的密闭容器中通入一定量的气体，所以在整个测试过程中气体浓度是不变的。这种测试传感器的方法误差大且不太符合实际应用环境需求。改进设计的动态配气装置[3-4]模拟现实环境，保证了在整个测试过程中不同时间段有不同的气体浓度。这种测试方法提高了气体传感器的精度。

动态配气的硬件设计[5-6]主要包括两部分内容：一是气路的设计，二是对气体质量流量计的控制。系统气源、气路结构如图1所示。

图1 系统气源、气路结构图

为了较为真实地反映现实气体环境，图1中的气源由2路被测气体和1路背景气体构成，惰性气体氮气主要用于每次试验前后整个气路的冲洗。图1中标注的1～10为电磁阀，主要用于控制气路的通闭和对气体质量流量计的保护。选用5 SCCM、15 SCCM和10 SLM的不同规格质量流量计，便于配置更宽范围的气体浓度，满足用户的测试需求。考虑到气体管路需承受一定的压力和耐酸碱腐蚀，所以各管路均采用不锈钢材料。

质量流量计用于精准地控制每一路气体的流量，以确保测试过程中气体传感器的精度。图1中，每个质量流量计两边的电磁阀用于避免大流量的气体冲击而破坏质量流量计的测量精度。对于质量流量计的控制，首先计算机通过多功能数据采集卡的模拟量输出口，控制流量显示仪的“内设”端子、完成质量流量计的输出设置；然后多功能数据采集卡的数字输入口通过质量流量仪的“流量检测”端子完成当前流量值的实时采集。图1中各种电磁阀的开闭由多功能数据采集卡的I/O口完成。

1.2 软件设计

测试系统的软件是在LabVIEW 2011平台上开发的，借助虚拟仪器技术[7]，通过LabVIEW中各控件对上述硬件设计中的电子阀、质量流量计进行实时控制，以“软面板”的形式和用户友好互动。

电子阀门的控制相对比较简单，只要成功创建设备(多功能数据采集卡)之后，对I/O口实施写操作就可以实现电子阀的闭合。气体质量流量计的操作要完成读和写两个过程，读操作实现了对气体质量流量计数值的实时采集；写操作完成了对气体流量的精确控制。写操作的具体方法是：创建两个输入控件，一个用于设置用户需求的流量值，另一个用于设置系统时间值，二者一一对应。也就是说，在一段时间的试验过程中，气体流量大小是按照提前设定好的时间点随时变化的，而且时间点的多少可由用户按需增减。

2 传感器测试

2.1 硬件设计

2.1.1 系统测试原理

气敏传感器动态测试系统的测试采用恒压法[8]，即给传感器两端施加一个恒定的工作电压，同时给传感器串联一个匹配电阻，使其阻值与传感器的阻值尽可能接近。通常情况下，气敏传感器在300 ℃[9]左右才能够正常工作，所以要在传感器中设计加热电路，以保证传感器的正常工作温度。在此，采用旁路加热装置，即在传感器周围设置加热丝，并通过控制加热丝的温度来实现。

在设计电路时，依据经验值，设计了多个匹配电阻。在测试时，根据传感器电阻值的范围自动切换匹配电阻，实现了电阻的自适应匹配。系统测试原理如图2所示。

图2 系统测试原理图

图2中：Rs为匹配电阻；UC1为传感器加热电压；UC2为传感器工作电压；UO为传感器信号输出电压。

由于串联电路电流相等，通过测量匹配电阻两端的电压，就可以间接得到传感器的阻值，如式(1)所示，从而进一步得到传感器的敏感特性。

(1)

2.1.2 测试电路设计

测试电路[10]主要由开关管、调整管、比较放大器和高精度电阻等元件组成。开关管VT7、VT8和电阻R11、R12组成选择开关电路。当CON4为高电平时，选通匹配电阻R10。比较放大器A1的同向端接基准+5 V信号，反向端与匹配电阻R10和传感器电阻RX1构成的反馈网络相连接。稳压电源的输出经R10、RX1组成的分压电路分压后送到运放A1的反向端，经运放比较放大后，驱动调整管VT0，保持电路平衡。最终使传感器的工作电压始终稳定在+5 V，使传感器稳定、正常工作，保证采集信号的稳定、准确。

匹配电阻R1、R4、R7的电路组成和R10一样，它们共同组成电阻切换阵列，在系统软件的控制下自动调节匹配电阻，使得传感器匹配最合适的电阻，实现了从100 Ω～10 MΩ的气体传感器阻值的测量。当CON1和CON2端为高电平时,由一对NPN和PNP三极管组成的电阻切换开关打开，电阻匹配成功。

2.2 软件设计

依据硬件设计原理，要检测气敏传感器的敏感特性，首先需要测量匹配电阻两端的电压，然后通过式(1)间接得到传感器的阻值，以此来标称传感器的特征值。所以软件设计的目的就是通过一定的算法，实现在不同气体浓度下的实时电阻匹配，从而衡量传感器气敏特性的优劣性。每个模拟输出端口对应的匹配电阻如表1所示。

LabVIEW通过多功能数据采集卡的4个模拟输出端，实现对图3中CON1、CON2、CON3、CON4的控制。在LabVIEW程序设计中，4个模拟输出端输出的高、低(1、0)电平相当于4个布尔量，4个布尔量组成1维4元素的数组，再将该数组转换为整型数值(8、4、2、1)对应模拟输出端口[11]。

表1 模拟输出端口与匹配电阻对照表

系统默认CON2连通的匹配电阻为2 kΩ，从初始状态开始采集匹配电阻两端的电压值并判断其是否满足要求。当匹配电阻两端的电压值y在区间[5.3,9.7]时，证明符合系统工作的要求，输出结果。

当匹配电阻两端的电压值y<5.3 V时，证明分配给传感器的电压较多，将打开CON3；当匹配电阻两端的电压值y>9.7 V时，证明分给传感器的电压较少，将打开CON1。打开CON1或CON3后，再判断采集的电压值y是否在区间[5.3,9.7]。如果电压值在这个范围，证明匹配正确；如果不在这个范围，将继续执行前面所述的判断过程。

3 数据采集、处理、保存和分析

LabVIEW在数据采集和处理中有其独特的优势，大量封装好的数据采集和数据处理函数能有效地降低程序设计者的工作难度，硬件提供的各种接口函数方便用户直接调用。

3.1 数据采集

通过多功能数据采集卡的模拟输入口，实时采集匹配电阻两端的电压值，并将采集到的数值依据式(1)间接计算得到传感器的实时电阻值。要达到预定的测试精度≤0.1%(用标准电阻代替传感器进行比对)，必须设计合理的数据采集算法[12-13]。

首先创建数据采集端口，将读取数据全部存放在Buffer中。多功能数据采集卡为16路共用1个A/D转换，所以用LabVIEW中的“抽取1维数据”函数实现通道1(以通道 1举例)的数据读取并放在1个1维数组中。接着对数组中的数据作升序排列。然后将排序得到的数组通过LabVIEW中的“数组子集”函数去除最大、最小各100个数值，保留中间的200个数值。最后对保留的200个数值求算术平均值，将平均值作为最终结果输出。

3.2 数据处理

由于采集的原始数据可能因为一些干扰因素出现噪声，而且这些信号是随机出现的，会影响整个系统的采集精度和采集曲线的完整性、光滑性，因此需要将这些干扰信号剔除。在此采用LabVIEW自带的Butterworth滤波器[14]。该滤波器能有效去除各种干扰数据和用户不需要的数据。

3.3 数据保存

数据保存为后期的试验结果分析奠定基础，是软件设计中不可缺少的一个组成部分。LabVIEW提供各种形式的文件管理模式：文本文件的读写、二进制文件的读写、电子表格文件的读写和特有的TDMS文件的读写。由于采集系统的数据吞吐量比较大，所以数据保存需满足大容量、高速、可靠、实时以及便于后期提取等特点。为了满足这些条件，系统选用电子表格文件和TDMS文件两种数据管理模式，以电子表格的形式保存数据是为了用户在脱离应用软件的情况下，可以直接以Excel的形式打开已经保存的数据，根据自己的需求对其进行分析和计算；而TDMS格式具有高速存储的特性，适合海量数据的保存。TDMS格式不但具有二进制文件的优点，而且具备关系数据库的一些优点。所以选用TDMS格式存储格式满足系统要求，方便后期数据分析。

3.4 数据分析

通常依据传感器的响应时间和电阻灵敏度[15]，衡量被测传感器性能的优劣。数据分析的目的是将采集并保存后的数据，通过曲线重绘的方法计算传感器响应时间和电阻灵敏度。数据采集测试曲线如图3所示。

图3 数据采集测试曲线图

图3中：T响初为传感器在通入某一浓度的被测气体前电阻值对应的时间；T响稳为传感器在某一浓度的被测气体中稳定后电阻值对应的时间；R空稳为传感器在空气中稳定后的电阻值；R测稳为传感器在某一浓度被测气体中稳定后的电阻值。

因为用户需求的不同，所以对气敏传感器的响应时间有不同的定义。这里采用的定义为：响应时间=[(传感器在某一浓度的被测气体中稳定后电阻值对应的时间)-(传感器在通入某一浓度的被测气体前稳定后电阻值对应的时间)×70%]；电阻灵敏度=(气体传感器在空气中稳定后的电阻值/气体传感器在某一浓度被测气体中稳定后的电阻值)。依据公式计算得到气敏传感器的标定参数，完成整个测试。

4 结束语

基于虚拟技术的气敏传感器测试系统，克服了传统测试方法不能够动态改变被测气体浓度的缺陷。综合运用机械制图、电子线路、软件工程等相关技术所完成的动态气敏传感器测试系统，具有测试精度高、性能可靠稳定、自动化程度高和用户使用方便灵活等特点。先进的硬件设计理念和友好的软件设计界面使得该系统被广泛应用于科学研究和日常的生产、生活中，服务各行各业，有效提高了人们的生活质量和生产能力。但随着更多复杂气体环境的出现，该系统还需要在测试结果的精度上作更多的努力，使其适应各种气体传感器的测试。

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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

甘肃省科学院青年科技创新基金资助项目(2014QN-12)

祁昌禹(1980—)，男，硕士，工程师，主要从事嵌入式技术、测控技术的研究。E-mail:qichangyu@126.com。 尚丽萍(通信作者)，女，硕士，助理研究员，主要从事太阳能、可持续发展、资源研究与环境政策方向的研究。 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