[發明專利]一種半導體氣體傳感器動態檢測系統

在審

• 申請號: 201710064710.4
• 申請日: 2017-02-05
• 公開（公告）號: CN106645310A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 鄧勇輝;周欣然
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司31200
• 代理人: 陸飛,陸尤

1.一種半導體氣體傳感器動態檢測系統，其特征在于，該系統包括儀器硬件和計算機，儀器硬件包括四個主要部分：氣體腔室，主控制電路板，數據采集卡，監控與操作面板；其中：

所述氣體腔室，設有進氣接口與出氣接口，分別用于外接配氣源和/或后續氣體產物分析儀器等；氣體腔室內設置有蒸發板、風扇和樣品插槽，蒸發板用于引入揮發性液體氛圍，風扇用于保持腔體內氣體均勻，樣品插槽用于接插傳感器樣品，插槽內設有傳感器接線端和加熱接線端；

所述監控與操作面板設有：用于調節樣品加熱功率的模塊化脈寬調制控制器，用于控制氣體腔室內蒸發板的開關按鈕、控制風扇的開關按鈕，以及控制儀器電源的開關按鈕；脈寬調制控制器包括數顯管和調節電位器；

所述主控制電路板包括：用于為電路各區域提供不同電壓供電的電源模塊，用于連接監控與操作面板上的脈寬調制控制器和各個開關按鈕的面板接口，用于連接氣體腔室中的蒸發板、風扇和樣品插槽的腔室接口，由二級放大電路和數控電阻切換電路組成的信號調理模塊，用于連接數據采集卡的數據采集卡接口；

所述數據采集卡用于實時采集傳感器樣品電流、電阻數值；數據采集卡獲得的數值傳輸給計算機連接。

2.根據權利要求1所述的半導體氣體傳感器動態檢測系統，其特征在于，每個信號調理模塊對應于氣體腔室中一個樣品插槽，即在有多個樣品插槽的設計中采用多個信號調理模塊。

3.根據權利要求1所述的半導體氣體傳感器動態檢測系統，其特征在于，所述信號調理模塊包括：接口P1和接口P2，第一級反向放大電路A1及其反饋電阻R1~R8，第二級放大電路A2，以及R10~R12和C2組成的帶有低通濾波功能的典型反向放大電路；其中：

接口P1和接口P2為氣體腔室接口的一部分，與樣品插槽中的傳感器接線端電氣連接；接口P1與電源模塊中標準電壓VCC電氣連接，接口P2連接至第一級反向放大電路A1的輸入端，即運算放大器A1的負輸入端；反饋電阻R1~R8一端并聯連接至運算放大器A1負輸入端，另一端分別連接S1即多路復用器CD4051或同功能芯片的各個輸入端，S1的公共輸出端連接至運算放大器A1的輸出端，構成反饋回路；運算放大器A1正輸入端通過電阻R9接地，電阻R9取值為R1~R8中最小值；同時用電容C1連接運算放大器A1的輸入與輸出，用于過濾高頻噪音；第二級放大電路A2，R10~R12和C2組成帶有低通濾波功能的典型反向放大電路，第二級放大電路A2采用TL082或其他同類運算放大器；第二級放大電路A2的輸出作為信號調理模塊的輸出，通過數據采集卡接口與數據采集卡的模擬輸入端口連接；S1的三個控制端直接通過數據采集卡接口和數據采集卡的數字輸出端連接，或連接至三個尋址鎖存器輸出再由鎖存器與數據采集卡的數字輸出端連接，以應對樣品插槽和信號調理模塊數較多而數據采集卡的數字輸出端口數不足的情況。

4.根據權利要求1、2或3所述的半導體氣體傳感器動態檢測系統，其特征在于，所述計算機用于實現下述功能：

與數據采集卡通訊，獲取數據采集卡模擬輸入端口數據，通過數據采集卡數字輸出端口輸出數字控制信號；對采集的數據進行數字濾波；根據采集的數據判斷是否需要切換信號調理電路中的反饋電阻，即調整放大率，并通過數字控制信號執行；根據當前選用的信號調理電路放大率，由下述換算公式，將采集的電壓數據換算為電阻數據，并顯示和保存；

換算公式：，

其中，VCC為信號調理模塊中的標準電壓，V為采集到的電壓，R_f為當前選用的信號調理模塊中第一級放大電路的反饋電阻，A₂為信號調理模塊的第二級放大電路的放大率。

5.根據權利要求4所述的半導體氣體傳感器動態檢測系統，其特征在于，系統檢測工作流程如下：傳感器樣品安裝完畢并封閉氣體腔室后，通過操作面板的開關啟動主控制電路板的電源模塊，同時打開計算機并連接數據采集卡、啟動測試軟件；此時測試軟件通過數據采集卡的數字輸出端發出控制信號，切換多路復用器S1的接通端至R1~R8中的最小電阻，使之成為第一級放大電路的反饋電阻；由于傳感器電阻大于該最小反饋電阻，從而信號調理模塊中的第一級放大電路進入深度負反饋狀態，負輸入端保持零電位，則傳感器接線端之間保持負載VCC電壓，而通過傳感器的電流則成為輸入信號進入第一級放大電路，放大并轉化為第一級放大電路的輸出電壓，滿足公式，其中為當前S1接通的反饋電阻；之后第一級放大電路的輸出電壓再作為第二級放大電路的輸入電壓，經過再次放大后成為信號調理模塊的最終輸出，滿足公式；最后由數據采集卡進行采集并發送至計算機；計算機根據該電壓與VCC的比例判斷當前反饋電阻的選擇是否合適：若該電壓在VCC的10%~90%范圍內，則認為當前第一級反饋電阻選擇合理，根據該電壓和反饋電阻選擇，由公式計算當前傳感器阻值，并記錄；若該電壓小于VCC的10%或大于VCC的90%，則認為需要增大或減小反饋電阻，重新發送控制信號切換S1的接通端并讀取新的輸出電壓，直到選擇到合理的反饋電阻。