提高半導(dǎo)體電阻式氣敏元件動(dòng)態(tài)檢測靈敏度的方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供提高半導(dǎo)體電阻式氣敏元件動(dòng)態(tài)檢測靈敏度的方法及系統(tǒng)，包括加熱回路、測試回路和控制器；加熱回路由直流穩(wěn)壓電源與加熱器組成，測試回路由0～10V直流穩(wěn)壓電源與半導(dǎo)體氣敏元件及負(fù)載電阻連接組成，負(fù)載電阻兩端電壓通過采集電路與控制器連接，加熱器由控制器控制，負(fù)載電阻為可調(diào)節(jié)電阻，阻值由控制器控制調(diào)節(jié)。本發(fā)明基于電阻形式輸出的半導(dǎo)體氣敏元件進(jìn)行氣體濃度的動(dòng)態(tài)檢測，在一定氣體濃度作用下，隨著半導(dǎo)體氣敏元件輸出電阻動(dòng)態(tài)變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載電阻大小，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體氣敏元件輸出電阻和負(fù)載電阻的匹配，從而提高動(dòng)態(tài)檢測靈敏度，減少人工操作和縮短測試時(shí)間，間接提高測試精度，達(dá)到實(shí)時(shí)精確監(jiān)測氣體濃度的目的。
【專利說明】提高半導(dǎo)體電阻式氣敏元件動(dòng)態(tài)檢測靈敏度的方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于測試技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種提高半導(dǎo)體電阻式氣敏元件動(dòng)態(tài)檢測靈敏度的方法及其檢測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體氣敏傳感器，是一種對(duì)于某種氣體敏感的化學(xué)傳感器，它能隨著外部氣體的濃度或者氣體種類的不同而改變敏感膜的電阻。半導(dǎo)體電阻式氣敏元件由于其靈敏度高、制作工藝不復(fù)雜、使用方便靈活等優(yōu)點(diǎn)，因而成為半導(dǎo)體電阻式氣敏元件中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的一類氣敏傳感器。就提高半導(dǎo)體電阻式氣敏元件靈敏度的方法而言，目前采用的方法有:(I)添加催化劑，提高氣敏材料的活性；(2)材料超微?；?；(3)尋找新的敏感特性好的材料。然而，采用這些方法提高氣敏元件的靈敏度是有一定限度的，目前的元件很難實(shí)現(xiàn)ppb級(jí)的檢測。
[0003]另外，氣體檢測中通常采用靜態(tài)測試方法，如專利文件一種氣敏元件參數(shù)測試系統(tǒng)”(授權(quán)號(hào)CN204221107U)和“一種氣敏元件參數(shù)測試的方法和系統(tǒng)”(申請(qǐng)?zhí)?01110294768.0)中所提出的方法，為了保證氣敏傳感器靈敏度，負(fù)載電阻采用可換硬件插卡來設(shè)置，均需要通過人工更換匹配電阻的方法測試電阻式氣敏傳感器的各項(xiàng)性能。其操作繁瑣，測試時(shí)間較長，容易造成匹配電阻阻值過大或過小，導(dǎo)致采樣電壓檢測精度低，不易觀察。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種提高半導(dǎo)體電阻式氣敏元件動(dòng)態(tài)檢測靈敏度的方法及系統(tǒng)，在有效提高半導(dǎo)體電阻式氣敏元件動(dòng)態(tài)檢測靈敏度基礎(chǔ)上，間接提高了測試精度，并能夠?qū)崟r(shí)檢測氣體濃度。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為:
[0006]一種提高半導(dǎo)體電阻式氣敏元件動(dòng)態(tài)檢測靈敏度的方法，其特征在于:它包括以下步驟:
[0007]I)采用O?IOV直流穩(wěn)壓電源與加熱器組成加熱回路，O?IOV直流穩(wěn)壓電源與半導(dǎo)體氣敏元件及負(fù)載電阻相串聯(lián)組成測試回路；
[0008]2)半導(dǎo)體氣敏元件將氣體與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電阻信號(hào)，通過測試回路以分壓的方式從負(fù)載電阻兩端以電壓形式輸出；
[0009]3)所述的負(fù)載電阻選用可調(diào)節(jié)電阻，負(fù)載電阻的輸出大小由控制器調(diào)節(jié)，使得半導(dǎo)體氣敏元件的阻值與負(fù)載電阻的阻值相等或近似相等，所述的近似相等的含義為負(fù)載電阻的阻值的取值為半導(dǎo)體氣敏傳感器的阻值± IkQ ；
[0010]4)基于最小二乘法原理，建立氣體濃度在線檢測數(shù)學(xué)模型，以氣體濃度值作為測試模型的輸入量，將半導(dǎo)體氣敏兀件的輸出電阻作為測試模型的輸出量，根據(jù)輸入輸出的變量關(guān)系，選取適合的函數(shù)為模型建立氣體濃度和半導(dǎo)體氣敏元件的輸出電阻之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，利用MATLAB曲線擬合工具箱，求得函數(shù)模型中的系數(shù)大小；
[0011]5)當(dāng)進(jìn)行氣體濃度檢測時(shí)，根據(jù)負(fù)載電阻兩端的電壓，求出對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體氣敏元件的輸出電阻，再利用所建立的氣體濃度在線檢測數(shù)學(xué)模型，得到當(dāng)前半導(dǎo)體氣敏元件的輸出電阻所對(duì)應(yīng)的氣體濃度。
[0012]按上述方法，所述的步驟I)通過調(diào)節(jié)電壓來改變加熱器的溫度，從而選擇一個(gè)適合于氣體測試的溫度。
[0013]按上述方法，所述的步驟3)可調(diào)節(jié)電阻由大小分別為fd1，…，2\Ω的電阻組成，每個(gè)電阻兩端并聯(lián)一個(gè)由繼電器控制的開關(guān)觸點(diǎn)，電阻之間以串聯(lián)方式連接，繼電器的通電或斷電狀態(tài)由控制器控制，通過繼電器控制可調(diào)節(jié)電阻串入或短接，得到2^21,2°+2\…，2°+2k…+2N連續(xù)可變的數(shù)字電阻，其電阻大小依次以2°kQ為基數(shù)，遞增增加，調(diào)節(jié)使得半導(dǎo)體氣敏元件的阻值與負(fù)載電阻的阻值相等或近似相等。
[0014]一種用于實(shí)現(xiàn)上述提高半導(dǎo)體電阻式氣敏元件靈敏度的方法的氣體濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于:它包括加熱回路、測試回路和控制器；其中加熱回路由O~IOV直流穩(wěn)壓電源與加熱器組成，測試回路由O~IOV直流穩(wěn)壓電源與半導(dǎo)體氣敏元件及負(fù)載電阻連接組成，負(fù)載電阻兩端電壓通過采集電路與控制器連接，所述加熱器的加熱電壓由控制器控制，所述負(fù)載電阻為可調(diào)節(jié)電阻，其阻值由控制器控制調(diào)節(jié)。
[0015]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明方法及實(shí)現(xiàn)裝置是基于電阻形式輸出的半導(dǎo)體氣敏元件進(jìn)行氣體濃度的動(dòng)態(tài)檢測，由于能夠根據(jù)半導(dǎo)體氣敏元件的電阻變化選取匹配的負(fù)載電阻，提聞了動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)的靈敏度，使得系統(tǒng)的檢測精度間接提聞，并縮短檢測時(shí)間，減少人工操作，達(dá)到實(shí)時(shí)精確自動(dòng)監(jiān)測氣體濃度的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為選取定值負(fù)載電阻時(shí)半導(dǎo)體氣敏元件測試原理圖。
[0017]圖2為選取可變負(fù)載電阻時(shí)半導(dǎo)體氣敏元件測試原理圖。
[0018]圖3為可調(diào)節(jié)電阻結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖4為本發(fā)明一實(shí)施例的方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合具體實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0021]本發(fā)明的工作原理為:圖1為通常的半導(dǎo)體氣敏元件測試的原理圖理論上，如果&為固定電阻，不隨氣體濃度而變化；當(dāng)待測氣體濃度變化時(shí)，在其一端會(huì)隨著Rs偏離&的加大，其檢測電壓值會(huì)逐步減小，經(jīng)分壓甚至的到一個(gè)極小的值，以致A/D采樣器無法分辨和采集；若將&變?yōu)榭筛S同步氣體濃度變化的電阻，則當(dāng)負(fù)載電阻的阻值應(yīng)與氣敏電阻的阻值相等時(shí)，表明負(fù)載電阻的阻值與半導(dǎo)體氣敏元件的阻值相匹配，可使輸出信號(hào)電壓隨氣體濃度的變化始終保持在一個(gè)較大值，從而在整個(gè)量程區(qū)間始終保證靈敏度較高，不會(huì)出現(xiàn)上述A/D采樣器無法分辨和采集的問題。這在半導(dǎo)體氣敏元件輸出電阻值較大和A/D采樣器位數(shù)太低時(shí)，問題尤為突出。
[0022]圖1中，O~IOV直流穩(wěn)壓電源與加熱器組成加熱回路，穩(wěn)壓電源供給器件加熱電壓νΗ，O~IOV直流穩(wěn)壓電源V。與半導(dǎo)體氣敏元件及負(fù)載電阻組成測試回路，穩(wěn)壓電源Vc供給測試回路電壓，負(fù)載電阻&作為負(fù)載電阻，通過測試與半導(dǎo)體氣敏元件串聯(lián)的負(fù)載電阻&上的電壓^^來間接表明半導(dǎo)體氣敏元件的特性。從測試回路可以得到:
[0023]測試回路中電流Ic:
【權(quán)利要求】
1.一種提高半導(dǎo)體電阻式氣敏元件動(dòng)態(tài)檢測靈敏度的方法，其特征在于:它包括以下步驟: 1)采用O~IOV直流穩(wěn)壓電源與加熱器組成加熱回路，O~IOV直流穩(wěn)壓電源與半導(dǎo)體氣敏元件及負(fù)載電阻相串聯(lián)組成測試回路； 2)半導(dǎo)體氣敏元件將氣體與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電阻信號(hào)，通過測試回路以分壓的方式從負(fù)載電阻兩端以電壓形式輸出； 3)所述的負(fù)載電阻選用可調(diào)節(jié)電阻，負(fù)載電阻的輸出大小由控制器調(diào)節(jié)，使得半導(dǎo)體氣敏元件的阻值與負(fù)載電阻的阻值相等或近似相等，所述的近似相等的含義為負(fù)載電阻的阻值的取值為半導(dǎo)體氣敏傳感器的阻值± IkQ ； 4)基于最小二乘法原理建立氣體濃度在線檢測數(shù)學(xué)模型，以氣體濃度值作為測試模型的輸入量，將半導(dǎo)體氣敏元件的輸出電阻作為測試模型的輸出量，根據(jù)輸入輸出的變量關(guān)系，選取適合的函數(shù)為模型建立氣體濃度和半導(dǎo)體氣敏元件的輸出電阻之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，利用MATLAB曲線擬合工具箱，求得函數(shù)模型中的系數(shù)大?。? 5)當(dāng)進(jìn)行氣體濃度檢測時(shí)，根據(jù)負(fù)載電阻兩端的電壓，求出對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體氣敏元件的輸出電阻，再利用所建立的氣體濃度在線檢測數(shù)學(xué)模型，得到當(dāng)前半導(dǎo)體氣敏元件的輸出電阻所對(duì)應(yīng)的氣體濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高半導(dǎo)體電阻式氣敏元件動(dòng)態(tài)檢測靈敏度的方法，其特征在于:所述的步驟I)通過調(diào)節(jié)電壓來改變加熱器的溫度，從而選擇一個(gè)適合于氣體測試的溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高半導(dǎo)體電阻式氣敏元件動(dòng)態(tài)檢測靈敏度的方法，其特征在于:所述的步驟3)可調(diào)節(jié)電阻由大小分別為fd1，…，2\Ω的電阻組成，每個(gè)電阻兩端并聯(lián)一個(gè)由繼電器控制的開關(guān)觸點(diǎn)，電阻之間以串聯(lián)方式連接，繼電器的通電或斷電狀態(tài)由控制器控制，通過繼電器控制可調(diào)節(jié)電阻串入或短接，得到-,2^21+-+2N連續(xù)可變的數(shù)字電阻，其電阻大小依次以2°kQ為基數(shù)，遞增增加，調(diào)節(jié)使得半導(dǎo)體氣敏元件的阻值與負(fù)載電阻的阻值相等或近似相等。
4.一種用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的一種提高半導(dǎo)體電阻式氣敏元件靈敏度的方法的氣體濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于:它包括加熱回路、測試回路和控制器；其中加熱回路由O~IOV直流穩(wěn)壓電源與加熱器組成，測試回路由O~IOV直流穩(wěn)壓電源與半導(dǎo)體氣敏元件及負(fù)載電阻連接組成，負(fù)載電阻兩端電壓通過采集電路與控制器連接，所述加熱器的加熱電壓由控制器控制，所述負(fù)載電阻為可調(diào)節(jié)電阻，其阻值由控制器控制調(diào)節(jié)。
【文檔編號(hào)】G01N27/04GK103558260SQ201310576183
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月18日
【發(fā)明者】林偉, 顏露, 陳文 , 周靜, 劉曰利, 金偉, 祁琰媛, 李朋 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)