气体传感器的应用设计

气体传感器计算机测试系统

摘要：

标定气体传感器的电性能参数，对于其理论研究和应用都具有重要的意义。文章采用计算机打印口来实现计算机和外部电路的信号控制和数据传输，具体包括温度控制、数据采集及气体配置，并采用VC++6.0开发出了基于计算机打印口的应用软件程序。

关键词：

气体传感器测试系统计算机打印口应用软件

引言：

气体传感器检测在环境监测、食品工业、化学工业等领域有着重要的意义[1~4]。目前我国气体传感器行业以手工测试为主，测试效率低、精度低，而且手工测试无法实现动态测量，从而不能准确的测得气敏元件的某些参数，如响应时间曲线、恢复时间曲线等。日本费加罗公司针对气体传感器采用单片机进行自动监测系统；国内各科研小组和气体传感器生产企业纷纷开展出上下位机结构测试系统的研制，并出现了基于嵌入式和虚拟仪器的气体传感器测试系统[5~8]。

本文利用计算机并行口来实现气体传感器计算机测试系统的分析。

测量原理：

气体传感器的测试原理如图1所示。将气体传感器RS和固定采样电阻R1进行串联分压，测得总回路电压Ui、采集R1两端电压Uo，并通过公式RS=(Ui/Uo-1)*R1就可以计算出气体传感器的电阻值。当气体传感器检测不同浓度的待测气体时，其电阻值会发生一定的变化，通过动态检测这一变化，就可以获得响应时间、恢复时间、感应前后的电阻值、灵敏度等参数。其中，RH是加热电阻。

系统测试原理及硬件设计：

根据气体传感器参数测试的要求，设计了基于计算机打印口的气体传感器测试系统方案，其原理框图如图2所示。它主要由用户端、打印口和外围电路三部分组成。

其工作流程是：气体传感器放置在测试腔中，通过温度控制电路控制其工作环境温度，通过质量流量控制器和三通电磁阀实现待测气体的定量注入，气体传感器的电性能变化信息可通过A/D转换送入计算机，实现数据的显示、处理和保存。根据外围电路实现功能的不同，可以分成三大模块：温度控制系统、数据采集系统和气体配置系统，由计算机打印口和计算机相连，通过软硬件结合实现相应的功能，采用这种方法，可以使测试系统模块化，从而可以分别设计，最终组合成整个测试系统。

1．计算机打印口端口资源分配

在计算机打印口资源中，5位状态线作为输入，8位数据线和4位控制线作为输出。本系统中，外围电路需要通过计算机打印口和计算机进行信号传递，与计算机打印口连接时所需的信号线如下所示：

模数转换器MAX187：两个控制线 (时钟端SCLK和片选端cs) ，一个数字输出端 (DOUT端) 。

数模转换器MAX539：三个控制线 (时钟端SCLK、控制字输入端DIN和片选端cs) 。

三通电磁阀：一个控制线。

质量流量控制器：阀控状态选择需要两个控制线。

综上所述，总共所需8个控制线和一个状态线，既没有超过计算机并行打印口所能提供的资源量，也能充分利用计算机并行打印口数据传输速度快的特点。具体资源分配如表1所示。

2．气体配置系统工作原理

本系统采用静态配气法，原理框图如图3所示，根据所要检测的气体量，通过程序计算出MFC (气体质量流量控制器) 的气流量对应的电压值和通过三通电磁阀向测试腔注气的注气时间，然后控制模数转换电路来实现这一电压量，采用开关控制电路来控制三通电磁阀来控制注气时间，实现气体的自动配置。在配气之前还要清除管道中的各种杂质气体，通过开关控制电路控制质量流量器及三通

电磁阀的工作状态来实现管道清洗。

3．开关电路硬件设计

继电器开关电路主要实现两个功能，一是通过控制质量流量控制器的阀控端决定质量流量控制器的工作状态，二是控制三通电磁阀进气口与两个出气口的气路。

(1) 质量流量控制器阀控端控制信号的实现质量流量控制器的阀控端决定着它的工作状态，接“+15V”时阀关闭，接“-15V”时为清洗功能，悬空时为阀控功能。当质量流量控制器工作于阀控状态时，根据设定端不同的电压值就可以实现不同的气体流量。

阀控端控制信号由继电器开关电路来实现，如图4所示。其控制信号由计算机打印口的4脚和3脚来控制，在光耦隔离后用驱动芯片ULN2003来驱动继电器工作，并设置了两个指示灯来指示质量流量控制器的工作状态。质量流量控制器工作状态指示的对应关系如表2所示。为了在继电器断开操作时能顺利快速放电，在继电器控制端反接了快速恢复续流二极管FR107。

(2) 三通电磁阀控制信号的实现通过控制三通电磁阀就可以实现是否往测试腔注入待测气体，以及注入气体的时间。当需要向测试腔注入气体时，则使三通电磁阀的进气口与和测试腔相连的那个出气端相通，否则与另一个出气端相通并进行尾气处理。其控制线圈的工作电压为24V，常闭端为与尾气处理相通的那一端，常开端则为与测试腔相通的那一端。控制信号产生电路如图5所示。通过接口JP1与三通电磁阀相连接。

4．测试系统软件设计

本系统选用VC++6.0[9]软件来开发测试系统。外围电路的三大模块 (温度控制、数据采集和气体配置)，温度控制系统是通过PID自整定算法来实现，数据采集系统和气体配置系统则需要计算机来实现控制并与计算机进行信息传输，因此需要编写相应的软件程序，加上要实现文件保存和文件打开等文件操作功能，因此整个应用程序框架就可以分为四个部分。文件操作实现文件保存和文件打开的功能，以及应用程序退出前提示保存数据防止丢失数据功能；数据采集程序主要实现数据采集、数据处理和电压—时间曲线绘制功能；气体配置程序主要实现向测试腔中注入气体功能，以及在注气前清除管道中的杂质气体 (如空气等) 和在实验完成后清洗管道功能。

5．系统运行及测试结果分析

采用本气体传感器测试系统测试对CO气体敏感的气体传感器。图6是用该气体传感器测试系统分别对注入1000ppmCO气体的MQ-7气敏元件进行测试的运行结果。

将本系统所测试的响应曲线和这些标准气体传感器应用手册中的特性曲线做比较，有较好的一致性。

本气体传感器测试系统将测试环境发生装置、检测、数据采集、分析、显示集于一体，减少了人工测量误差，提高工效和测试精确度，降低成本，完全满足科研或生产对气体传感器测试的要求。