非氧環(huán)境下氣體傳感器氣敏特性研究

錢小瑞，吳 飛，許 奇，吳晨謀

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620)

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非氧環(huán)境下氣體傳感器氣敏特性研究

錢小瑞，吳 飛，許 奇，吳晨謀

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620)

針對目前在非氧環(huán)境下影響氣體傳感器的氣敏特性研究成果較少的情況，文中提出了非氧環(huán)境下氣體傳感器氣敏特性研究。通過真空泵制造無氧環(huán)境，以LabVIEW作為上位機軟件，單片機為下位機，搭建了一個以SnO2氣體傳感器為傳感器的檢測平臺。采用單一控制變量法，實驗以測試濃度范圍、加熱裝置溫度范圍、靈敏度等指標評價SnO2氣體傳感器響應(yīng)程度，觀察氣體傳感器的響應(yīng)曲線。結(jié)果表明，乙醇的最佳工作電壓為3.0 V，環(huán)境溫度<200 ℃時，傳感器的響應(yīng)速度較快，靈敏度較好。該檢測系統(tǒng)操作簡便，成本低廉，實驗結(jié)果為無氧環(huán)境下氣體傳感器特性研究提供了參考。

無氧環(huán)境；氣體傳感器；乙醇濃度；環(huán)境溫度

空氣污染中，可揮發(fā)有機物(VOC)產(chǎn)生于辦公用品、生活用品、建筑材料等，其中氯乙烯、苯、多環(huán)芳烴等已被列為致癌物，當濃度嚴重超標時可對人體造成傷害[1]。顯然，若能快速有效地檢測到這些氣體，減少損失是必要的。目前常用的檢測裝置是二氧化錫氣體傳感器，采用SnO2半導(dǎo)體材料做成阻抗器件，與氣體分子相互作用時材料薄膜表面發(fā)生還原反應(yīng)，引起以載流子運動為特征的電導(dǎo)率的變化。也就是說，VOC氣體傳感器的阻值會隨著檢測氣體濃度的變化而變化。待測氣體成分不同，VOC氣體傳感器表現(xiàn)出不同的氣敏特性。一般地，將VOC氣體傳感器接入分壓電路，間接測出傳感器的電阻值，得到傳感器電阻的響應(yīng)曲線，從而判斷待測氣體的成分[2-3]。

針對室內(nèi)空氣污染問題，李杰在文獻[4]中設(shè)計了VOC氣體檢測儀，能夠?qū)κ覂?nèi)空氣質(zhì)量進行實時監(jiān)測與分析。Khan M R R[5]提出了PWM感測系統(tǒng)，對VOC氣體苯的敏感度達到7.79 ns/ppb；CD Biase[6]定量地研究了兩種試規(guī)模的地下水污染處理系統(tǒng)除去VOC能力。上述檢測技術(shù)都是基于有氧環(huán)境，傳感器能夠表現(xiàn)出良好的特性。但對于一些特殊的檢測場合，可能從有氧環(huán)境變成了無氧環(huán)境或者本身就是無氧環(huán)境，需要對一些含有污染性質(zhì)的氣體進行檢測。然而目前市面上應(yīng)用于無氧環(huán)境下或者同時在有氧和無氧環(huán)境下能夠?qū)Νh(huán)境溫度或多種氣體同時檢測的傳感器或相關(guān)檢測設(shè)備參考數(shù)據(jù)，是相當緊缺的[7-8]。

近年來，國內(nèi)外對無氧環(huán)境下氣體傳感器檢測技術(shù)也投入更多的關(guān)注度和研究力度。F Erden[9]采用紅外傳感器，根據(jù)在光譜范圍內(nèi)VOC氣體的吸收帶特點檢測泄漏氣體，具有一定效果，但紅外傳感器響應(yīng)慢，應(yīng)用范圍有限，且成本較高。郭京偉在文獻[10]中提出了一種新型檢測VOC氣體濃度的手持式儀器，可實現(xiàn)對低濃度氣體的檢測、測量地點的實時有效定位、3G/WiFi實時上傳數(shù)據(jù)、觸摸屏操作，但對高濃度的VOC氣體檢測不佳。

為了研究氣體濃度和環(huán)境溫度對VOC氣體傳感器響應(yīng)信號的影響，特別是在無氧環(huán)境下，本文利用抽氣泵抽成真空制造了無氧環(huán)境，分別以乙醇濃度和傳感器加熱絲兩端溫度為自變量，采用單一控制變量法，觀察氣體傳感器的響應(yīng)曲線。系統(tǒng)可對某種特定氣體進行檢測，也可對多種氣體成分同時檢測，并以測試濃度范圍、傳感器兩端的電壓、穩(wěn)定性、靈敏度等指標評價SnO2氣體傳感器響應(yīng)程度[11]。

1 系統(tǒng)設(shè)計思路

1.1 系統(tǒng)工作描述

本測試系統(tǒng)的目的是研究無氧環(huán)境下VOC氣體傳感器的氣敏特性和溫度特性。系統(tǒng)的主要內(nèi)容如下：(1)設(shè)計無氧環(huán)境；(2)保持氣室溫度不變，向氣室進樣。將VOC氣體傳感器兩端電壓值傳輸給上位機，上位機顯示不同的電阻變化曲線、電壓變化曲線和響應(yīng)曲線，通過曲線分析VOC氣體傳感器的氣敏響應(yīng)特性；(3)保持進樣量一定，改變加熱絲溫度。上位機根據(jù)下位機傳輸?shù)臍怏w傳感器兩端電壓值數(shù)據(jù)，描繪電阻變化曲線、電壓變化曲線和響應(yīng)曲線，通過曲線分析VOC氣體傳感器的溫度特性。

1.2 系統(tǒng)選型

(1)無氧環(huán)境設(shè)計。惰性氣體排氣法成本較高，操作相對復(fù)雜；而采用抽氣泵抽真空法操作簡單方便，并能觀察到明顯的空氣抽盡現(xiàn)象，因此，實驗選用抽真空法制造無氧環(huán)境；

(2)配氣方式。目前配置低濃度標準氣體的方法有兩種：一種是靜態(tài)配氣法；另一種是動態(tài)配氣法。動態(tài)配氣法適用于通入氣體時間較長或用量較大的實驗，操作復(fù)雜，且不適合配置高濃度氣體；靜態(tài)配氣法是將一定量的氣態(tài)或蒸汽態(tài)的原料加入已知容積的容器中，充入稀釋氣后混勻氣體制得，適用于化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的氣體，設(shè)備簡單、操作方便；

本文研究在無氧環(huán)境下VOC氣體傳感器的工作情況，測量的目標氣體化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定、濃度低，故實驗采用靜態(tài)配氣法，簡化配氣操作步驟。

1.3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

本文為無氧環(huán)境下靜態(tài)配氣測試系統(tǒng)，測試過程中的單一變量分別是液體樣品進樣量和VOC氣體傳感器加熱絲溫度。

(1) 上位機測試時間。上位機測試的時間與氣體傳感器的靈敏度和進行靜態(tài)測試的氣室大小有關(guān)，且測試時傳感器的氣敏響應(yīng)特性未知，所以上位機的測試時間設(shè)計為可調(diào)節(jié)，靈活地對VOC氣體傳感器的氣敏響應(yīng)特性和溫度特性進行研究；

(2) VOC氣體傳感器加熱絲溫度。VOC氣體傳感器的工作溫度受加熱絲溫度的影響。加熱絲的溫度與加熱絲加熱電壓存在一定的關(guān)系，數(shù)值關(guān)系如表1所示。根據(jù)表1中電壓與發(fā)熱溫度之間的關(guān)系，實驗過程中改變VOC氣體傳感器加熱絲電壓間接改變了加熱絲溫度，就能得到無氧環(huán)境下VOC氣體傳感器的溫度響應(yīng)曲線。

表1 VOC氣傳感器加熱絲溫度與加熱電壓關(guān)系

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

本測試系統(tǒng)的工作原理采用靜態(tài)配氣的方式向系統(tǒng)進給待測氣體，通過單片機采集VOC氣體傳感器所在分壓電路的電壓信號，電壓信號能夠通過液晶屏顯示，同時單片機將電壓信號傳輸給上位機，上位機對VOC氣體傳感器的電阻值、對其所在分壓電路的電壓值變化進行實時觀測并保存，根據(jù)VOC氣體傳感器的阻值變化繪制傳感器的響應(yīng)曲線[12-13]。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

2.2 硬件模塊

(1)加熱裝置模塊。加熱裝置選用鎳鉻電熱絲氣體蒸發(fā)爐，將氣體蒸發(fā)爐放置在氣室中，爐口對準液體樣品進樣口放置。蒸發(fā)爐的內(nèi)部電熱絲兩端加電壓后發(fā)熱，并且隨著兩端電壓的升高，電熱絲的溫度升高。電熱絲的加熱溫度滿足的條件是液體樣品注射入氣室后觸碰電熱絲后能全部汽化成氣體。經(jīng)過實驗測試，對氣體蒸發(fā)爐兩端通以4.4 V電壓，滿足液體樣品注射入氣室后觸碰電熱絲后能全部汽化成氣體狀態(tài)的條件;

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

(2)數(shù)據(jù)傳輸模塊。數(shù)據(jù)傳輸使用CP2102模塊，使單片機處理的數(shù)字信號傳輸給上位機進行相關(guān)操作。CP2012接線圖如圖2所示。

圖2 CP2012接線圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 下位機系統(tǒng)

無氧環(huán)境下乙醇濃度和環(huán)境溫度對氣體傳感器響應(yīng)信號影響的測試系統(tǒng)，下位機系統(tǒng)程序包括主程序、定時器中斷程序、A/D采集程序、液晶顯示程序和串口通信程序。單片機首先控制A/D采集模塊采集模擬信號，接著將采集到的模擬信號處理成數(shù)字信號送入液晶屏顯示并通過串口發(fā)送到上位機[14-15]。系統(tǒng)程序流程圖3所示。

3.2 上位機系統(tǒng)

LabVIEW采用圖形化編輯語言G編寫程序，實驗采用LabVIEW作為上位機。

(1)數(shù)據(jù)采集。完成定時器中斷初始化，等待定時器進入中斷，并在中斷程序里對數(shù)據(jù)進行采集、液晶屏顯示和串口發(fā)送數(shù)據(jù)進行調(diào)度。定時器中斷程序如圖4所示；

圖3 程序流程圖

圖4 定時器中斷程序

(2)上位機與下位機通信。上位機與下位機間，選擇異步串行通信，以便將下位機采集的數(shù)據(jù)上傳到上位機中進行處理。LabVIEW使用串口功能有兩種方式，一種調(diào)用微軟系統(tǒng)自帶的串口控件commen32，另外一種則使用LabVIEW提供的VISA驅(qū)動，為了程序的簡潔易用性，因此使用VISA驅(qū)動為最佳選擇[16]。數(shù)據(jù)通信時，將數(shù)據(jù)進行了打包操作，每一次發(fā)送的數(shù)據(jù)可以看成為一幀，設(shè)置數(shù)據(jù)的幀頭為0xAA、0xBB、0xFA，幀尾為0xFB。當數(shù)據(jù)來時去除幀頭與幀尾，留下的則為所需數(shù)據(jù)；

(3)曲線觀測與數(shù)據(jù)保存。如圖5所示為觀測曲線界面，選項卡“電壓曲線”、“電阻曲線”和“響應(yīng)曲線”，能夠?qū)崟r觀測VOC氣體傳感器電壓的變化、電阻的變化和響應(yīng)曲線?！氨４鏀?shù)據(jù)到電子表格”和“保存曲線圖”的功能是將曲線顯示的相關(guān)數(shù)據(jù)保存到Excel電子表格，將曲線保存為bmp格式的圖片?！皾舛扰c體積計算”選項卡能夠計算已知氣體濃度所需注入液體的量，以及已知注入液體的量計算氣室內(nèi)氣體濃度。

圖5 曲線觀測界面

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 測試結(jié)果

4.1.1 有氧環(huán)境下對不同濃度氣體的響應(yīng)

有氧環(huán)境下靜態(tài)配氣測試系統(tǒng)，觀察VOC氣體傳感器在空氣中的氣敏響應(yīng)特性，一方面是為了測試下位機和上位機系統(tǒng)的運行情況，另一方面是作為VOC氣體傳感器在無氧環(huán)境下氣敏響應(yīng)特性的對照。

實驗過程中，保持加熱裝置兩端電壓直流4.4 V不變，分壓電路兩端電壓直流5 V不變。根據(jù)表1，保持VOC氣體傳感器電熱絲電壓直流5 V不變，改變注入氣室樣品量即進樣液體的體積。每次測試完成后，都需要把氣室內(nèi)的乙醇氣體用抽氣泵吹出，直到氣室內(nèi)的乙醇氣體全部吹盡才可進行下一次測試。有氧環(huán)境下，經(jīng)過多次測試得到VOC氣體傳感器對不同濃度氣體的氣敏響應(yīng)特性曲線。

4.1.2 無氧環(huán)境下對不同濃度氣體的響應(yīng)

實驗過程中，保持加熱裝置兩端電壓直流4.4 V不變，分壓電路兩端電壓直流5 V不變，VOC氣體傳感器電熱絲電壓直流5 V不變，改變液體樣品注入氣室的量即進樣液體的體積。每次測試完成后，需把氣室內(nèi)的乙醇氣體用抽氣泵吹出，直到氣室內(nèi)的乙醇氣體全部吹盡，接著用抽氣泵將氣室內(nèi)的氧氣抽盡，等待下一次無氧環(huán)境測試。無氧環(huán)境下，經(jīng)過多次測試得到VOC氣體傳感器對不同濃度氣體的氣敏響應(yīng)特性曲線。

根據(jù)在有氧環(huán)境和無氧環(huán)境下，保持傳感器兩端的溫度一定，即電壓一定，VOC氣體傳感器對不同濃度氣體的響應(yīng)，繪制濃度-響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6 濃度-響應(yīng)曲線

4.1.3 無氧環(huán)境下不同溫度的響應(yīng)

根據(jù)無氧環(huán)境下VOC氣體傳感器對不同濃度氣體的氣敏響應(yīng)特性曲線，觀察到液體乙醇樣品的進給量為3 mL時，測試系統(tǒng)的抖動最小。因此，取3 mL為固定的液體乙醇樣品進給量，觀察VOC氣體傳感器對不同溫度響應(yīng)特性。測試時唯一變量是VOC氣體傳感器加熱絲兩端的電壓值，即改變加熱絲溫度。

根據(jù)無氧環(huán)境下VOC氣體傳感器的溫度響應(yīng)曲線，繪制了溫度-響應(yīng)曲線，圖7表示進樣3 mL一定，改變加熱裝置溫度時，氣體傳感器的響應(yīng)特性曲線。橫坐標為傳感器兩端溫度，縱坐標為響應(yīng)值。

圖7 溫度-響應(yīng)曲線

4.2 測試結(jié)果分析

系統(tǒng)對VOC氣體傳感器在無氧環(huán)境下進行氣敏響應(yīng)特性和溫度特性測試的結(jié)果表明，保持系統(tǒng)的加熱裝置兩端電壓不變，改變液體樣品注入氣室的量，觀測到1～10 mL不同濃度的乙醇氣敏響應(yīng)特性曲線。隨著檢測氣體濃度的改變，VOC氣體傳感器的氣體響應(yīng)值變化明顯。檢測氣體濃度的升高，VOC氣體傳感器的氣體響應(yīng)值逐漸增大，但是這種變化，無氧環(huán)境下略小于有氧環(huán)境，并且當乙醇樣品的進給量為3 mL時，測試系統(tǒng)的抖動最小，靈敏度最高。

再取3 mL為固定的乙醇樣品進給量，以VOC氣體傳感器加熱絲兩端的電壓值為單一變量，即分別在160 ℃，200 ℃，250 ℃，300 ℃，330 ℃，350 ℃，研究乙醇在無氧環(huán)境下的溫度特性。實驗表明，隨著檢測氣體溫度的改變，VOC氣體傳感器的氣體響應(yīng)值變化明顯。檢測氣體溫度的升高，VOC氣體傳感器的氣體響應(yīng)值逐漸增大，在工作溫度降低到200 ℃以下，乙醇的最佳工作電壓在3.0 V以下，響應(yīng)速度快，為目前研究無氧環(huán)境下氣體傳感器的特性提供了參考。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了無氧環(huán)境下靜態(tài)配氣測試系統(tǒng)，選擇LabVIEW作為上位機，實時觀測和保存特性曲線，成本低、操作簡便。測試乙醇的氣敏響應(yīng)特性時，保持加熱裝置兩端電壓直流4.4 V不變，只需改變液體樣品的進樣量，觀測1～10 mL不同濃度的乙醇氣敏響應(yīng)特性曲線。實驗結(jié)果表明，當進給量為3 mL時，測試系統(tǒng)的抖動最小，靈敏性最大，響應(yīng)恢復(fù)時間最快。研究乙醇在無氧環(huán)境下的溫度特性時，根據(jù)上述實驗結(jié)果，取3 mL為固定的乙醇樣品進給量，只需調(diào)節(jié)VOC氣體傳感器加熱絲兩端的電壓值，研究160 ℃，200 ℃，250 ℃，300 ℃，330 ℃，350 ℃下的變化。曲線反映出乙醇的工作溫度降低到200 ℃以下，最佳工作電壓在3.0 V以下，抖動小，響應(yīng)速度快，為無氧環(huán)境下氣體傳感器的特性研究提供了參考。

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Study on Gas Sensing Characteristics of Gas Sensor Under Oxygen-free Environment

QIAN Xiaorui，WU Fei，XU Qi，WU Chenmou

(School of Electronic and Electrical Engineering, Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620, China)

The gas sensing properties of gas sensors under non-oxygen environment have been rarely known. In order to gain an intimate knowledge, study on gas sensing characteristics of gas sensor under oxygen-free environment is proposed in this paper. The complete monitoring and control platform includes an oxygen-free environment created by vacuum pump, LabVIEW as the host computer software, the MCU as the next crew. And using single control variable method, The response of the SnO2gas sensor was evaluated by measuring the concentration range, thermal equipment temperature range and sensitivity.The experimental results demonstrated that the optimal operating voltage of ethanol is 3.0 V and the ambient temperature is below 200 ℃,while the response speed of the sensor is faster and the sensitivity is better. The system is simple and inexpensive, and the experimental results provide reference data for the study of gas sensor characteristics in anaerobic environment.

anaerobic environment;gas sensor;ethanol concentration;ambient temperature

2016- 10- 05

國家自然科學(xué)基金 (61272097)；上海市科學(xué)技術(shù)委員會基金(13510501400)

錢小瑞(1991-)，女，碩士研究生。研究方向：綠色節(jié)能計算等。吳飛(1979-)，男，博士，教授。研究方向：計算機并行處理與節(jié)能控制等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.021

TP212

A

1007-7820(2017)08-076-05