[發(fā)明專利]提高半導(dǎo)體電阻式氣敏元件動(dòng)態(tài)檢測(cè)靈敏度的方法及系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310576183.7
• 申請(qǐng)日: 2013-11-18
• 公開（公告）號(hào): CN103558260A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 林偉;顏露;陳文;周靜;劉曰利;金偉;祁琰媛;李朋
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N27/04
• 分類號(hào): G01N27/04
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 王丹

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于測(cè)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(cè)靈敏度的方法及其檢測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

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：（1）添加催化劑，提高氣敏材料的活性；（2）材料超微粒化；(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(cè)。

另外，氣體檢測(cè)中通常采用靜態(tài)測(cè)試方法，如專利文件一種氣敏元件參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)”（授權(quán)號(hào)CN204221107U）和“一種氣敏元件參數(shù)測(cè)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(cè)試電阻式氣敏傳感器的各項(xiàng)性能。其操作繁瑣，測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，容易造成匹配電阻阻值過大或過小，導(dǎo)致采樣電壓檢測(cè)精度低，不易觀察。

發(fā)明內(nèi)容

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(cè)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(cè)靈敏度基礎(chǔ)上，間接提高了測(cè)試精度，并能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)氣體濃度。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為：

一種提高半導(dǎo)體電阻式氣敏元件動(dòng)態(tài)檢測(cè)靈敏度的方法，其特征在于：它包括以下步驟：

1）采用0～10V直流穩(wěn)壓電源與加熱器組成加熱回路，0～10V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(cè)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(cè)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±1kΩ；

4）基于最小二乘法原理，建立氣體濃度在線檢測(cè)數(shù)學(xué)模型，以氣體濃度值作為測(cè)試模型的輸入量，將半導(dǎo)體氣敏元件的輸出電阻作為測(cè)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；

5)當(dāng)進(jìn)行氣體濃度檢測(cè)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(cè)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。

按上述方法，所述的步驟1）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(cè)試的溫度。

按上述方法，所述的步驟3）可調(diào)節(jié)電阻由大小分別為2⁰，2¹，…，2^NkΩ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2⁰，2¹，2⁰+2¹，…，2⁰+2¹+…+2^N連續(xù)可變的數(shù)字電阻，其電阻大小依次以2⁰kΩ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。

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(cè)系統(tǒng)，其特征在于：它包括加熱回路、測(cè)試回路和控制器；其中加熱回路由0～10V直流穩(wěn)壓電源與加熱器組成，測(cè)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，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)。

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(cè)，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，提高了動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度，使得系統(tǒng)的檢測(cè)精度間接提高，并縮短檢測(cè)時(shí)間，減少人工操作，達(dá)到實(shí)時(shí)精確自動(dòng)監(jiān)測(cè)氣體濃度的目的。

附圖說明