（测试计量技术及仪器专业论文）气体传感器的自动测试系统.pdf

摘要 本文组建了一套用于半导体气体传感器的自动测试系统。该系统由计算机、a g i l e n t 6 6 2 6 a 程控电源、8 2 3 5 0 ag p i b 接口卡、p c 一6 3 4 2 数据采集卡、p c i 一6 2 0 8 vd a 卡、4 支u n i t 公司的质量流量控制器、两台台湾生产的直流电压源、钢瓶装气源、测试瓶和 半导体气体传感器测试电路等组成。 该系统通过g p i b 卡程控四路输出的6 6 2 6 a 程控直流电源对半导体气体传感器进行 编程加热，计算机利用d a 卡控制质量流量器实现低浓度下被测气体的精确配气，并通 过数据采集卡实时采集气体传感器的动态响应信号；在测试系统的工作晃面中，可同时 实时输出对应数据采集卡不同采集通道的8 条不同颜色的数据曲线，并把数据采集卡采 集到的电压信号数据存入文本文件中，供使用者以后作进一步信号处理。此外，为了满 足使用者处理数据上的方便，也可以把文本文件转换成e x c e l 文件，充分发挥e x c e l 的 强大数据处理及数据画图能力。 在系统的软件设计中，采用微软公司的v i s u a lc + + 6 0 的多媒体定时器来控制数 据采集时间间隔以及气体通入测试箱中的持续时间，来进行动态测试半导体气体传感器 在不同情形下的响应信号。 该自动测试系统功能齐全，用户操作界面友善，操作简单，数据观察和分析方便， 为半导体气体传感器特性的研究将提供可靠的数据。 关键词：半导体气体传感器自动测试系统质量流量控制器数据采集 a b s t r a c t a na u t o m a t e dt e s ts y s t e mf o rs e m i c o n d u c t o rg a ss e n s o r si sc o n s t r u c t e di n t h i st h e s i s t h es y s t e mi sc o m p o s e do fac o m p u t e r ，ap r o g r a m m a b l ed cp o w e rs u p p l y a g i l e n t6 6 2 6 a ，a 8 2 3 5 0 ag p i bc a r d ，ad a t ac o l l e c tc a r dp c 一6 3 4 2 ，ad a c a r d p c i 一6 2 0 8 v 4m a s sf l o wc o n t r o l l e r sm a d eb yu n i t ，2d cp o w e rs u p p l ym a d ei nt a i w a n ， t e s tg a s ，t e s tc h a m b e ra n ds e m i c o n d u c t o rg a s s e n s o r st e s tc i r c u i t ap r o g r a m m a b l ed cp o w e rs u p p l yw i t hf o u ro u t p u tc h a n n e l s i su s e dt oh e a t u p g a s s e n s o r st h r o u g hg p i bc a r di nt h es y s t e m ac o m p u t e ri su s e dt oc o n t r o l m f c st oa c c u r a t e l yo f f e rt e s t i n gg a s e si nl o wc o n c e n t r a t i o n s ，a n dt oc o l l e c t t h er e s p o n s e so fg a ss e n s o r sb yd a t ac o l l e c t i n gc a r di nr e a lt i m e ；a tt h es a m e t i m e8d i f f e r e n tc o l o rd a t ac u r v e sc o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n td a t ac h a n n e i so f t h ea dc a r da r ed i s p l a y e di nt h es u r f a c eo ft h et e s ts y s t e m ，a n dt h ev o l t a g e s i g n a ld a t ao fg a ss e n s o r st o t e s t e dg a si ss a v e di nt e x tf i l et ob ep r o c e s s e d i na d d i t i o n ，i no r d e rt os a t i s f y u s e r sr e q u i r e m e n to fp r o c e s s i n gd a t a ，t h e d a t at e x tf i l ec a nb ec h a n g e di n t ot h ee x c e lf i l ei nw h i c ht h ed a t ap r o c e s s i n g a n dd a t ap l o t t i n ga b i l i t ya r es u f f i c i e n t l yu s e d i ns o f td e s i g no ft h es y s t e m t h em u l t i m e d i at i m e ro fv i s u a lc + + 6 0i su s e d t oc o n t r o ld a t ac o l l e c ti n t e r v a la n dt h et e s t e dg a sf l o wt i m ei nt h et e s tc h a m b e r t o d y n a m i c a l l y t e s tt h e g a s s e n s o r s r e s p o n s es i g n a l u n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s a l lk i n d so fo p e r a t i n gf u n c t i o no ft h et e s ts y s t e m 、f r i e n d l yu s e ro p e r a t i n g s u r f a c ea n dc o n v e n i e n td a t aa n a l y s i sp r o v i d er e l i a b l ed a t af o rt h er e s e a r c ho f s e m i c o n d u c t o rg a ss e n s o r s k e y w o r d s ：s e m i c o n d u c t o rg a ss e n s o r ，a u t o m a t i ot e s ts y s t e m ，m f c d a t a c o ii e c t 气体传感器的自动铡试系统 第一章绪论 随着科学技术的进步和社会经济的发展，从工农业生产的各个领域到人们家庭生活 的各个方面，人们直接或间接接触各种有毒有害，可燃气体的机会大大增加，由此而引 起的中毒，火灾和爆炸事故屡见不鲜，严重威胁到人们的生命和财产安全，成为一种新 的社会公害。因此对环境气体进行检测和分析技术的研究日益受到人们的重视。传统的 分析气体组分和浓度的方法是以色谱法为代表的各种化学计量方法，尽管其测量精度很 高，但操作手续繁杂，实验周期长，无法对有毒、有害、可燃性气体进行实时、连续、 瞬时检测，而气体传感器则满足这种要求，并且在人们日常生活中对减少气体爆炸、火 灾等事故已经发挥着越来越大的作用。 现今伴随电子技术的迅速发展及计算机的广泛普及，以及分析仪器智能化的程度愈 来愈高，人们对测量结果要求愈加准确，因此环境信息的准确获取在监测全过程中也愈 加显得重要，可以认为传感器是目前最直接、最方便、最可靠获取外界信息的有效手段。 传感器是将某种信号，按一定规律转换成相应的另一种有用信号的器件或装置。传感技 术是获取信息的工具，是一项迅速发展的高技术，是构成现代信息技术的主要技术之一， 是现代微电子技术、生物工程技术等多学科高新技术结合的产物，其迸一步的研究与开 发利用可能导致分析技术的一场变革，为环境监测连续化、自动化、在线化开辟了广阔 的诱人前景。 目前世界各大强国都把传感器技术列为国家发展的重点技术，国防现代化、工业生 产过程自动化、家庭电器化都与传感器的发展休戚相关，今天的传感器技术己渗透到国 民经济的各个领域，日益突出它的重要作用。集成化、多功能化、智能化、加工技术微 精细化、指标高精度化和性能高稳定、高可靠化已经成为入们开发和研究传感器的重要 方向。 气体传感器是一种检测气体中的特定成份和浓度并转换成电信号的器件。在各种气 体传感器中，半导体气体传感器已广泛应用于军事、医学、交通、化工、环保、质检、 防伪等领域，用来检测环境中各种低浓度的有毒、有害气体，有效地解决了气相色谱分 析等仪器分析方法所带来的仪器体积庞大，连续、实时性差等缺点，因此对于研究如何 组建高精度、自动化的半导体气体传感器的自动测试系统成为人们进一步开发半导体气 体传感器的重要基础工作。 在自动测试系统的组建过程中，人们一方面对测试技术和设备提出了越来越高的要 求，如测试速度、效率、精度、可靠性、健壮性、测试参数的多样性，灵活性、智能性、 高密度、小体积与轻量化等，另方面也为其的发展提供了越来越强有力的方法与手段， 由计算机、测量仪器及其它支援设备组成的自动测试系统已被公认为测试技术的发展方 向。 半导体气体传感器的自动测试系统主要由微处理器或微机、测量电路、接口总线和 半导体气体传感器等几部分组成，如图1 1 所示“1 。其构成特点是自动测试系统各组成 部分均配有标准化的接口功能电路，并都与统的总线相联。此特点决定了可以很灵活 地实现更改、增加测试内容的系统改建，且组成系统的各功能部件与设备均具有很强的 通用性。 气体传感器的自动测试系统 图1 1 半导体气体自动测试系统原理框图 在自动测试系统中，微处理器或微机( 也称系统的中央控制器) 控制对气体传感器 进行测量的全过程。测量电路主要完成中央控制器与气体传感器间的联系、传递信息或 a d 转换等。接口和总线如同一个多功能的神经网络，把各种仪器设备有机地联接起来， 完成系统内部各种信息的交换和传输任务，它具有极强的通用性和多功能性，对于不同 的测试任务，只需增减或更换“挂”在它上的仪器设备，而它本身不变。它的出现，使 由一个微处理器或一台微机实现对若干不同测试任务的控制执行成为现实。利用气体传 感器的自动测试系统不仅能解决大量重复测试中的手工繁琐操作步骤以及因人体疲劳 造成的易错问题，而且能使人远离有毒气体环境下的测试任务，非常适用于气体传感器 动态响应信号瞬间出现难以捕捉，且在测量时间极短而数据处理工作量极大的测试任务 中，可以最大限度地提高工作效率。 基于气体传感器在现实生活中的重要作用和自动测试系统的诸多优点，国内外的科 研人员对气体传感器的测试系统做了深入的研究，采用不同方式组建了功能各异的半导 体气体传感器的自动测试系统，对提高气体传感器的性能及其标定技术水平发挥了重要 作用”“”。“。其中国外的l h a r v e y ，g s v c o l e sa n dj w a t s o n ”3 等学者先后研究 设计出一套自动测试系统，它能够在纯净空气中、单一气体中、混合气体中对气体传感 器进行测试，同时也考虑到了环境温度、湿度对其性能参数的影响，但很多操作还需手 工进行，还需进一步提高系统自动化程度。国内的管玉国9 1 、彭忠明“”等学者也对气敏 元件性能测试装置进行了研究，他们介绍了一种能测试气敏元件性能的装置，该装置集 试验箱体、检测系统为一体，为新产品开发提供了可靠的数据。 为了进一步深入研究气体传感器的性能参数标定，本文在考虑自己实际情况的测试 需要并借鉴其它类似系统的情况下，也组建了一套气体传感器的自动测试系统，该系统 涉及到传感器技术，仪器自动控制技术，数据采集和信号处理等多种技术，主要具有以 下三个功能：( 1 ) 能够高精度的实现常见测试气体( c o 、n o 。等) 在常规测试浓度范围 内的配气；( 2 ) 可同时测试四支气体传感器，并采用程控电源实现传感器阵列各单元间 的不同加热组合；( 3 ) 能够实时采集、存储、显示气体传感器组合或阵列的动态响应信 号。 本文在第二章介绍了半导体气体传感器的些工作原理；第三章讲述了系统的原理 框架设计及所用硬件特点；第四章描述了测试系统的软件设计；最后给出了系统对c 0 、 2 气体传感器的自动测试系统 n o ：和0 ：等气体的一些测试数据。 本论文得到了国家自然科学基金重大项目“航天技术与信息器件中的微尺度传热” 中的二级予课题“微传感器中的微尺度热特性研究”( 5 9 9 9 5 5 5 0 - - 5 ) 和8 6 3 预启动项 目( 8 6 3 一m e m s 1 0 1 一0 3 一0 1 ) 的资助。 气体传感器的自动铡试系统 第二章半导体气体传感器 2 ，1 半导体气体传感器的工作原理及其基本参数 在本论文中，由于主要是针对半导体表面电阻控制型气体传感器的研究，所以对 其工作原理及其基本参数作一些简要介绍。 2 1 1 半导体气体传感器的工作原理“订 半导体表面电阻控制型气体传感器表面电阻的变化，取决于表面吸附气体与半导体 材料之间的电子交换。通常器件工作在空气中，空气中的氧和n 0 ：等气体，接受来自半 导体材料的电子而吸附负电荷，结果使n 型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电 子减少，使表面电导减小，从而使器件处于高阻状态，即 1 三0 ，+ n e _ 0 ： ( 2 一1 ) 2 。 式中，o l - 表示表面吸附氧，氧束缚材料中的电子，e 为电子电荷，n 为若干个数。 一旦器件与被测气体接触，就会与吸附的氧起反应，将被氧束缚的n 个电子释放出 来。例如，与、c o 的情况，敏感膜表面电导增加，使器件电阻减小，即 0 。b d - + 日2 斗h2 0 + n e ( 2 - 2 ) o e + c o 斗c o 2 + n e ( 2 - - 3 ) 将反应式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 合并，变为 1 h ，+ 二0 ，斗日，0 ( 2 4 ) 。 2 反应式( 2 1 ) 和( 2 3 ) 合并，则变为 1 c o + 二a 专c 馥 ( 2 5 ) 2 + s n o 。烧结型器件是典型的表面电阻控制型气体传感器，通常工作在加热状态( 2 0 0 4 5 0 。c ) ，目的是为了加速上述的氧化还原反应。该种器件的敏感材料是多孔质s n o z 多晶 烧结体，在晶体组成上，锡和氧偏离化学计量比，器件表面产生氧空位，在通常情况下 空气中的氧被吸附在器件敏感膜表面时，吸附的氧束缚晶体中的电子，如式( 2 1 ) 所 示，表面电导减小，器件处于高阻状态。当器件表面与h 。或c 0 等还原性气体接触时， 被测气体与吸附氧反应，如式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 所示，被氧束缚的电子释放出来，表 面电导增加，器件电阻减小。 4 气体传感器的自动试系统 2 1 2 半导体气体传感器基本特性与参数 半导体气体传感器的基本特性与参数： 1 灵敏度特性 气体传感器在最佳工作条件下，接触同一种气体，其电阻值r 。随气体浓度变化的特 性称之灵敏度特性，用k 表示。 k = r 。，r 。 ( 2 - - 6 ) 式中r 。为气体传感器在正常空气条件下( 洁净空气中) 的电阻值；r 。为气体传感器 在一定浓度的检测气体中的电阻值。 器件灵敏度特性虽各有差异，但我们可以发现，它们都遵循共同规律，即器件电阻 与检测气体浓度大都具有如下关系： l o g r 。= l o g c + 月 ( 2 7 ) 式中，_ ，i 代表器件相对于气体浓度变化的敏感性，又称气体分离能，对于可燃气体， m 值为1 2 1 3 ；c 是检测气体浓度：n 与检测气体，器件材料有关，并随测试温度和 材料中有无增感剂而有所不同。 2 初期稳定特性 半导体气体传感器在不通电状态存放一段时间后，再通电时，器件并不能立即投入 正常工作，气体传感器经一定时间不通电放置后，再通电工作，电阻值达到稳定时所需 要的时间，定义为初期稳定时间。图2 1 为s n o 。气体传感器吸附气体时阻值的变化，其 电阻值在洁净空气中会急剧下降，达到极小后开始上升，然后经过一段时间后再达到稳 定值。 1 0 0 奄 v 霉轴 t 5 童村朋庄i 件u 一 型滴r 嚣帮 tlj 曩件舡t 壹记 雌薹量泌奄 卜一喜气 t 一气件曩 曩篷一 垃气悻 图21s n o ：气体传感器吸附气体时阻值的变化 f i g 2 1t h er e s i s t a n c ec h a n g eo fs n 0 2s e n s o ra b s o r b i n gg a s 一般的情况下，不通电时间越长，初期稳定时闻也越长，当不通电存放时间达到 1 5 天左右时，初期稳定时间一般需要5 分钟以上。初期稳定时间还与器件种类、存放 环境及通电功耗有关。 气体传感器的自动测试系统 3 初期恢复时间 s n o z 气体传感器长时间不通电存放，无论在洁净空气中，还是在气体中，都将出现 高阻现象，即器件电阻比初始稳定值要高，一般高2 0 左右。通电开始达定时间后， 器件电阻才恢复到初始值并稳定下来。一般地把通电开始到器件恢复到初始稳定值的时 间，称为初期恢复时间。 器件初期恢复时间，随器件种类、表面温度等不同而异。一般地说，在空气中不通 电放置一周时间以内，不产生高阻化现象，也不存在初期恢复时间。如放置达到6 个月， 初期恢复时间达到最大值。 4 加热特性 气体传感器需要在加热状态下工作，加热温度直接影响器件的性能。一般地说，温 度越高，反应越快，气体吸附和脱附越快，所以响应时间和恢复时间就越快。 5 最佳工作条件 根据气体传感器的稳定性、灵敏度、响应时间与恢复时间等参数所选定的晟佳测量 电压、加热电压及负载电阻等条件。 6 响应时间 在最佳工作条件下，气体传感器接触待测气体后，负载电阻上的电压( 电流) 变化 到规定值所需的时间。 7 恢复时间 在最佳工作条件下，气体传感器脱离被测气体后，负载电阻上的电压( 电流) 恢复 到规定值所需的时间。 2 2 气体传感器测试条件及装置要求 1 影响气体传感器性能的因素 由于环境气氛条件对气体传感器的正常工作及其性能有直接的影响，对于高精度的 测量和调试，则希望这些条件要尽可能保持稳定。影响气体传感器的性能主要有三方面 的因素：气体传感器的工作温度、环境温度和湿度及噪声气体。欲使器件具有良好的特 性，应使器件处于最佳工作状态。这主要由加热器电压和电流决定。改变加热电压或电 流，将改变器件工作温度，从而改变器件性能，所以加热电压或电流必须稳定。环境的 温度和湿度对器件性能有直接的影响，标准的环境条件，必须是对环境温度和湿度能进 行控制。在整个测试实验过程中，我们是在大连理工大学m e m s 控制中心的超净实验室 里操作控制系统进行的，里面环境温度和湿度都非常适宜且保持稳定，外界环境对实验 结果影响很小，测试效果很好。在测试某特定成分气体时，必须注意排除其他气体的干 扰，特剐是测试有机溶剂蒸汽时，由于残留气体将影响测试结果，因此在气体传感器通 电工作时，必须注意保持环境空气的清洁度，在测试实验中，我们通过排风系统随时清 气体传感器的自动测试系统 除测试气体以达到环境空气清洁。 2 测试装置各部分要求 ( 1 ) 空气 这里使用的“空气”要求是“洁净空气”。使用洁净空气时，要注意不含水分。在 该测试系统中，我们采用高纯氮气作为载气，替代室内的空气。 ( 2 ) 测试箱 测试箱容积视测试器件数量而定。测试箱材料要选用与气体不发生反应的金属、玻 璃或塑料，测试箱的形状可以作成方形也可以作成圆形。我们采用5 0 0 毫升的圆形玻璃 瓶作为测试箱进行动态测试。 ( 3 ) 电源 测试用电源可用直流也可以用交流电源。对于高精度测量要注意直流电源极性保持 一致。加热电极用恒压源或恒流源。在本论文设计中，传感器加热电源使用a g i l e n t 6 6 2 6 a 带有g p l 8 接口卡的且支持标准通用命令的高精度可编程电源，测量电路的测试 电源采用台湾的g p c 一3 0 3 0 d 电源。 ( 4 ) 待测气体 气体浓度可通过改变注入气体体积进行调整。在测试液体蒸汽时，可通过注入测试 箱内液体量来调整。在本论文设计中，我们使用美国u n i t 公司的质量流量控制器来精 确控制气体的流量。待测气体主要使用大连光明化工研究设计院生产的浓度为2 0 0 p p m 的c o 和4 0 0 p p m 的n o ：等气体。 第三章 自动测试系统的原理框架及硬件设计 本章主要对该自动测试系统的原理框架设计进行描述，并对所用到的仪器设备进行 简要的介绍。 3 1 自动测试系统的原理框架设计 以计算机为控制中心、利用g p i b 仪器控制技术和a d 卡的数据采集技术所组建的 气体传感器的自动测试系统不但充分利用了计算机的高速的数据处理能力、g p i b 仪器 控制技术以及数据采集卡的数据采集能力，实现气体在低浓度下的精确配气，而且还能 够连续监测气体传感器的响应信号，并根据测试仪器所观测出来的响应信号比较精确地 反映出气体传感器的性能参数，实时地对比出不同气体传感器对同一种气体的响应情 况，从而可以评价出气体传感器的性能，大大方便了人们对气体传感器性能参数的研究。 测试系统图见图3 1 。 图3 1 自动测试系统图 测试系统包括系统的硬件框架设计、系统的气路设计、测试电路设计和排风系统的 通风橱设计。 气体传感料的自动测试系统 3 1 1 自动测试系统硬件框架设计 自动测试系统硬件框架设计主要是关于系统硬件仪器及其器件的连接设计，实现系 统的仪器自动控制和数据实时采集。该部分是实现自动测试的最主要的部分，直接关系 到自动测试系统性能的好坏，系统硬件框架设计原理图见图3 2 。 图3 2 仪器系统示意图 f i g 3 2s c h e m a t i co f i n s t r u m e n ts y s t e m 测试系统以计算机为控制中心，通过g p i b 接口卡( a g i l e n t8 2 3 5 0 a ) 控制a g i l e n t 6 6 2 6 a 程控电源适时、灵活地可同时给测试箱中的四支传感器实现不同的加热组合以及 多种温度调制，达到自动控制仪器的目的，既实时又精确；发挥a d 卡( 北京中泰计算 机技术有限公司生产的转换分辨率为1 2 位的p c 一6 3 4 2 模入模出接口卡) 数据采集的能 力，实时采集气体传感器对某一气体或几种已知混和气体的响应信号，所采集的数据以 文件的形式存储在计算机上进行信号处理，实现测试系统对气体传感器响应的连续监 测；利用d a 卡( 台湾生产的可同时输出8 路电压控制信号的p c i - 6 2 0 8 v ) 程控4 支质 量流量控制器( 美国u n i t 公司的流量控制信号为o 一5 v 直流电压的高精度气体流量控 制器) 精确控制气体输出流量，从而可以达到气体低浓度下的精确配气，大大提高了测 试数据的准确度以及可信度。系统中的直流电源( 台湾产l p s3 0 4 型) 主要用于提供 m f c 的1 5 v 工作电源，使之处于正常的工作状态。 3 1 2 自动测试系统气路设计 在气体传感器的自动测试系统的设计中，为了采集气体传感器对某一气体或几种已 知混合气体的响应信号，需要设计一个配气系统，实现系统的精确配气，组成测试系统 的气路回路。气路设计示意框图见图3 3 ，气路系统实图见图3 4 。 气体传感器的自动测试系统 图3 3 系统气路原理示意图 f i g 3 3s c h e m a t i co fg a sc i r c u i t 图3 4 系统气路实图 在配气系统中，利用三通阀门把各气路管道连接起来将测试气体输送到测试箱中。 本系统中一共有四支m f c 。其中两只的流量范围为0 1 0 0 0 c m 3 m i n ，用于向测试系统输 送载气n t 或洁净空气。采用两只这种m f c 的目的是为了满足更宽浓度范围配气的需要， 其中一只也可根据需要用于输送其它气体；另两只m f c 分别用于输送被测气体c 0 和n 如。 输送c o 的m f c 的流量范围为o 5 0 0 c m 3 m i n ，输送n 0 。的m f c 的流量范围为0 5 0 c m 3 m i n 。 配送气体的浓度由被测气体的浓度以及载气和被测气体的流量比确定。选用的商售c 0 和n o 。的源气浓度分别为2 0 0 p p m 和4 0 0 p p m ( 大连光明化工研究院生产) ，系统对c o 和 n o ：的配气范围分别0 5 p p m 2 0 0 p p m 和0 5 p p m 4 0 0 p p m 。 1 0 气体传感器的自动测试系统 本系统可进行动态和静态两种测试。在动态测试中，不同种类或不同浓度的气体在 不同的时间段内依次通入测试腔并经尾气管排出，由于测试腔体积很小( 5 0 0 毫升) 且 处于常压状态，可以认为腔内的气体成分和压力能够跟上测试气体的浓度及其随时问的 变化：在静态测试中，测试箱改为一个体积为2 0 升的密封箱体，测试时忽略测试箱中 气压的微小变化。 3 1 3 测试系统的测试电路设计 大多数测试系统的测试电路采用共负载电路，但是该电路对输出电压的稳定性有很 大的影响，输出电压随时问呈下降趋势，变化范围较大，稳定时间长，所以在实际测试 电路中采用非共负载测试电路，可以有效地解决稳定时间长的问题o “，其原理设计图见 图3 5 ，测试电路实图见图3 6 。在该测试电路中，将气敏电阻与采样电阻构成简单的 分压器，通过测定采样电阻上的电压u 。来反映被测气体的浓度。 当气体传感器接触到被测气体时，气体传感器电阻r 随气体浓度或成分不同而变 化，r 的变化与r 。上的电压u 。关系如下： r：jl：一u01 ( 3 1 ) = 一 l d 一， r + r or o 尺：r 姿吨 u o 测量电压 加热电压 图3 5 测试电路图 f i g 3 5t e s t i n gc i r c u i t ( 3 2 ) 由式( 3 2 ) 可以看出气体传感器的电阻r 与采样电阻的输出电压成反比，并且气 体传感器电阻r 与气体浓度也成反比，因此，气体浓度与采样电阻输出电压成正比，即 气体浓度越高，采样电阻输出电压越大。 气体传感器的自动测试系统 图3 ，6 测试电路实图 f i g 3 6ap h o t o g r a p ho ft e s t i n gc i r c u i t 3 1 4 排风系统的通风橱设计 由于本自动测试系统安装在大连理工大学电信学院m e m s 控制中心的密封超净实验 室中，且在系统的测试实验中我们使用大连光明化工研究设计院生产的c 0 和n o ：等有毒 气体，为了保证实验操作人员的安全性以及不影响到超净实验室其它房间的正常运转， 我们按照实际情况设计了进行有毒气体排风的通风橱，并让大连八方阀门有限公司进行 了加工，现已投入使用。 通风橱是一种适用于物理、化学、生物、环保等实验室，用来排放在实验过程中所 产生的有毒有害气体，保证实验人员、实验环境健康和安全的通风设备，它在实验安全 性和整体功能上起着至关重要的作用。在本系统的测试实验中，c 0 和n o 。等有毒气体从 测试腔的一个孔流入，从测试腔的另一个孔流出，使测试腔内的气体维持一个动态的平 衡，但如果测试腔出口周围流出的气体不能及时被排除，它会影响到测试腔内部的气体 流动，使其内部气体浓度逐渐增大，影响测试结果的准确性。而在通风橱中做实验时， 排风系统保持通风橱的气体处于一个流通的状态，大大增强了测试腔内测试气体的流动 性，从而保证其内部的气体处于一个流入流出的动态平衡，并且在实际测试实验中，取 得了很好的测试效果。 通风橱正面视图、侧面视图示意图分别见图3 7 和图3 8 。 1 2 气体传感器的自动测试系统 lj 6 5 0 m ma t o m m b 2 2 ( 3 r c j 4 0 0 m md 1 1 5 0 0 m m 一 图3 7 通风橱正面视图示意图 f i g 37f a c es c h e m a t i co fv e n t i l a t i v et a n k f 0 0 叽 2 0 0 t 咀 l 15 0 嘶+ 图3 8 通风橱侧面视图示意图 f i g 38f l a n ks c h e m a t i co fv e n t i l a t i v et a n k 图3 7 中的b 区为可上下移动的有机玻璃，通过其上下移动来关闭和打开自动测试 系统的工作区域，同时为了便于操作，在有机玻璃的上端加了两个吊锤；b 区和c 区之 间的挡板为不锈钢材质的工作台，系统的气路部分放在上面：c 区和d 区是安放自动测 试系统仪器和设备的工作室；a 区和通风橱的侧面区域为经过喷塑的铁板，用来保证通 风橱的密封性；此外为了便于实验操作，在通风橱的左侧安装了日光灯。在测试实验中， 从测试腔中流出的测试气体通过通风橱上面的直径为2 0 0 r a m 的孔经过处理后排放到空 气中，保证了整个测试系统的安全性。 通风橱实图见图3 9 。 气体传感器的自动测试系统 图3 9 通风橱实图 3 26 p i b 接口总线 随着科学技术的发展，以g p i b 通用标准接口为核心的自动测试系统广泛应用于自 动测量、数据采集、工业自动控制、气象、医疗、航天等各个领域。在采用c p i b 的自 动测试系统中，各种自动测试设备都经标准化的接口和母线( 标准化的通用无源电缆) 连接起来，系统中的各个设备组成单元，均配以标准化的接口，且各设备可以单独使用， 整个系统测试工作都是在测量前预先编好的测试程序统一指挥下自动完成的。在本次自 动测试系统的组建中，我们以计算机为控制中心，通过a g i l e n t 公司的8 2 3 5 0 a 接口卡 和总线在软件的支持下达到完全自动程控仪器的目的，使用简单方便。 3 2 1g p ib 接口的组成 g p i b 通用接口总线( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) ，又称i e e e 4 8 8 标准接口总 线“”“4 “”3 ，是国际上应用广泛的一种可程控的仪器接口，是传统测试仪器在数字接口方 面的延伸和扩展，三十多年来得到了广泛的应用，并成为仪器领域的种国际标准。尽 管近年来面临着v x i 等新型接口标准的激烈竞争，但配备g p i b 接口的仪器至今仍然在 测量仪器领域占据着统治地位，并成为通用综合测试系统的主要组成部分。经由g p i b 1 4 气体传感器的自动测试系统 这种标准总线接口，不同厂家生产的各种不同的仪器设备可以被容易地组合成一个完整 统一的测试系统，其中，g p i b 系统控制器通常是配有g p i b 接口适配器( g p i b i n t e r f a c ea d a p t e r ) 的通用计算机一一控制系统中的所有仪器设备，指令其完成各自 不同的测量工作，并对其传回的测量数据进行各种分析、处理工作，达到综合测试的目 的。 g p i b 总线上传递的信息分为两类，一类是为完成测试任务所需要交换的实质性信 息，如设定测试设备工作条件的程控命令，获得测试结果的测量数据，以及表明设备工 作状况的状态数据等，统称为仪器消息；另一类是为了完成上述仪器消息的传递，而使 总线上各设备接口处于适当状态所需要的接口管理信息，统称为接口信息。 g p i b 是一种8 位并行数字通讯接口，主要由三个部分组成：( 1 ) 接口功能实现电 路；( 2 ) 译码电路；( 3 ) 总线收发器。数据传输速率达1 m b s 以上。g p i b 有i e e e 4 8 8 。l 一1 9 8 7 ( 1 9 9 4 ) 和i e e e 4 8 8 2 1 9 9 2 两个标准。接口总线由2 4 条线组成，它包含1 6 条 信号线、7 条逻辑地线和l 条屏蔽地线。1 6 条信号线中，8 条为输入输出线，用来传 送数据和命令；3 条互锁联络线，由d a v ( 数据有效) 线、n r f d ( 未准备好接收数据) 线和n d a c ( 未完成数据接收) 线组成，用以控制数据总线上的数据传送：5 条接口管理 线，用来控制接口，以保证各类信息按正确的时序在数据总线上传递。5 条接口管理线 的内容如下： ( 1 )a t n ( 注意) 线由系统控者控制。当a t n = 1 ( 低电平) 时，表示此时控者 正使用数据总线向各设备发送总线命令或地址信息；当a t n = o ( 高电平) 时，表示当前的讲者正使用数据总线向已寻址的听者发送程控命令、数据 或状态信号。 ( 2 )i f c ( 接口清除) 线也由系统控者控制。当i f c = 1 ( 脉冲形式) 时，整个 总线停止工作，返回初始状态。 ( 3 )r e n ( 遥控允许) 线。当系统控者使r e n = l 时，总线上所有的设备即处于 可遥控状态，此时再对某设备寻址，即可使之处于遥控状态。 ( 4 )s r q ( 服务请求) 线。系统控者之外的所有设备都可以使s r q - - - - 1 ，向控者 请求服务。 ( 5 )e o i ( 结束或识别) 线。它与r e n 线联合使用，当e o i = 1 ，r e n = 0 时，表 示讲者已发送完数据的最后个字节；当e o i = 1 ，r e n = l 时，表示控者正 在进行识别操作。 3 ，2 2g p l b 接口的特点 现介绍一下g p i b 接口的主要特点： l _ 采用2 4 条引脚标准插座 2 用无源的2 4 芯标准总线将具有这种接口的各种设备联结起来( 设备直接并联在 总线上) ，即可组成一个自动测试系统。 3 不同设备可设不同地址，其容量可扩展到9 6 1 个( 听地址3 1 个，讲地址3 1 个) 。 4 总线上最多可联接1 5 台设备，整个系统的联接电缆最长不超过2 0 米，特别适合 气体传感器的自动捌试系统 组建小型自动测试系统。 5 只需1 6 条信号线，信号按照位并行和字节串行的方式传输。 6 总线上采用t t l 电平，负逻辑，即低电平+ o 8 v 为“1 ”；高电平+ 2 o v 为“o ”， 设备内的接口电路无此限制，只要电平兼容即可。 7 用三线式信号交换的异步确认方式控制数据传输，故可以兼容速度不同的设备。 8 信号的最大传送速率为i m b s 。 9 由于接口的通用性，故不同测控领域中的设备如电工仪器、热工仪器、分析仪器 等，都能用这一接口组成自动测试系统。 l o 连接在总线上的设备有控者、讲者和昕者的功能。信息在总线上做双向、异步 互锁传送。任何两台设备都可以直接通信而无需通过控者。控者又称总线控制器， 用来确定挂在总线上的设备哪些应该发送信息，哪些应该接收信息。如果一个自 动测试系统中的控者不止一个，则其中只能有一个做系统控制器。系统控制器具 有i f c ( 总线清除) 和r e n ( 允许遥控) 等特殊功能。一般用微机或专用控制器 做系统控者，讲者又称发话器，用来向其他设备发送信息；听者又称受话器，用 来接收来自其他设备的信息，总线上不允许有两个及以上的控者或讲者同时工 作。 g p i b 接口由于采用位并行、字节串行的异步通信方式通讯，所以便于计算机控制， 并且它通用性强，结构简单，性能可靠，操作灵活，因此被广大用户广泛采用。本论文 所组建的气体传感器的自动测试系统正是充分利用了这些特点，实现了自动控制仪器的 目的，取得了满意的效果。 3 3a g ii e n t6 6 2 6 a 程控电源 在测试系统的组建中，我们需要以计算机为控制中心，通过g p i b 接口总线控制程 控电源以便按照使用者的要求实现传感器阵列各单元间的不同加热组合以及多种温度 调制。在本论文设计中，我们使用的是a g i l e n t 公司的6 6 2 6 a “6 3 多通道输出线性程控电 源，性能稳定可靠。a g i l e n t6 6 2 6 a 程控电源实图见图3 1 0 。 3 3 1a g ie n t6 6 2 6 a 程控电源简介 a g i l e n t6 6 2 6 a 是集合了可编程能力和线性电源性能的多通道输出线性电源。该电 源允许我们用具有不同电压和电流要求的同一输出加到一个负载，能根据所设置的最后 一个参数( 电压或电流) 自动地选择一个操作量程，使用简单，方便。 对于任何一个电压或电流输出都可以通过前面板来监视，同时输出的特定错误信息 也能显现出来。前面板指示器出示了仪器的操作状态，操作按钮允许你设置和读回任何 输出的电压限制、电流限制和过压错误等。同时通过操作按钮，我们能有效或禁止输出， 屏蔽和延迟错误寄存器中的位，启动过流保护，重设过压保护和过流保护以及使该电源 返回到本地操作模式，功能非常齐全，操作简单，实用性很高。 气体传感器的自动测试系统 该多通道输出电源通过g p i b 接口总线既可以是听者也可以是讲者。内嵌的接口卡 配合电源大大简化了程序的设计。电压和电流设置可以直接发送到规定的量程输出。该 电源利用g p i b 接口总线通过程控命令测量并返回输出电压和电流值，如下功能都可以 通过g p i b 接口总线来实现： 电压和电流程序设计 测量和读取电压和电流 读取目前和积累的状态值 可编程的服务请求屏蔽 可编程的过流和过压保护 储存和取消所有输出的电压和电流值 有效或禁止输出 语法错误检查 电压、电流和过压校准 图3 1 0a g i l e n t6 6 2 6 a 实图 f i g ，3 1 0ap h o t o g r a p ho fh g i l e n t6 6 2 6 a 3 ，3 。2a g ii e n t6 6 2 6 a 程控电源的特点及技术指标 1 a g i l e n t6 6 2 6 a 程控电源的主要特点： 在单机箱集成解决方案中的多路电源 7 墨堡堡壁塑竺旦垫型苎墨竺 2 、3 或4 路独立的隔离输出 取量程线性输出 稳定、低纹波与噪声 通过快速上、下编程而能更快她测试 电压与电流1 4 位编程控制与读回 2 a g i l e n t6 6 2 6 a 多路输出电源的技术指标 输出功率：电压，电流量程0 5 0 v ，o 5 0 0 m a 编程精度：电胍：l o m v + o 0 1 6 电流：l o o m a + 0 0 4 纹波和噪声：恒定电压：5 0 0i j - v 瞬态响应时间：7 5us ，随着负载在指标内改变，输出恢复到标准值的7 5 m y 以 内 平均编程分辨率：电压：3 2 m y 电流3 3ua 输出响应时问：6 m s 远地检测：每条负载引线压降可达l o v a g i l e n t6 6 2 6 a 多路输出系统电源是一个高性能的、可编程的线性电源，作为该测 试系统的重要组成部分，我们充分利用了6 6 2 6 a 的这些特性，通过程序设计自动控制多 路电源输出，可同时使4 支气体传感器工作在不同的温度模式下，取得了令人满意的效 果。 3 4 质量流量控制器 质量流量控制器”( m a s sf l o wc o n t r o l l e r ，简称m f c ) 用于对气体的质量流量进 行精密测量和控制。它在半导体和集成电路工业、特种材料学科、化学工业、医药、环 保和真空等多种领域的科研和生产中有着重要的作用。其典型的应用场合包括：电子工 艺设备，如扩散、氧化、等离子刻蚀、溅射、离子注入：以及镀膜设备、光纤熔炼、微 反应装置、混气配气系统、气体取样、毛细管测量、气相色谱仪及其它分析仪器。 在本次气体传感器的自动测试系统的配气系统的组建中，我们使用的是u n i t 公司 的质量流量控制器，实图见图3 1 1 ，这些质量流量控制器具有精度高、重复性好、流 量量程宽、响应速度快、软启动、稳定可靠、工作压力范围宽等特点，其操作使用非常 方便，可任意位置安装，并且其控制信号为标准输入输出信号【0 ( 1 ) 5 v ，0 ( 4 ) 2 0 m a 】，便于与计算机连接实现自动控制。同时，它也可以作为质量流量计使用，对气 体的瞬时流量和累积流量进行精确计量。 3 4 1 质量流量控制器工作原理 质量流量控制器由流量传感器、分流器通道、流量调节阀和放大控制电路等部件组 成。流量传感器采用毛细管传热温差量热法原理测量气体的质量流量，具有温度压力自 气体传感器的自动测试系统 动补偿特性。传感器通常用一根不锈钢毛缅管( 外径中o 4 1 5 r a m ) ，并在毛细管上绕 制两组热敏电阻丝，一组在上游，一组在下游。上游下游两个热敏电阻与另外两个精密 电阻构成一个测量电桥。传感器工作时要通电加热，当毛细管中气体不漉动时，上下游 两个热敏电阻的温度是平衡的，测量电桥输出的流量信号为零。而当毛细管中有气流流 过时，气体与毛细管之间会发生热交换，传感器上游绕组的温度会降低，下游绕组的温 度会升高，因而使热敏电阻的阻值发生变化，测量电桥就会输出一个差值信号，这个信 号的大小与流过传感器的气体的质量流量成正比。将传感器加热电桥测得的流量信号送 入放大器放大，并进行线性化修正，输出一个o v 至+ 5 v 的流量检测电压。之后将流量 检测电