本發(fā)明屬于氣敏測試技術領域，具體涉及一種針對氣敏材料性能測試，擁有兩個工作模式的測試系統(tǒng)。

背景技術：

1906年，傳感器的先驅(qū)者Cremer首次發(fā)現(xiàn)了玻璃薄膜電極對氫離子的選擇應答效應。在1930年，國外就開始研究和開發(fā)氣敏傳感器，主要是用于煤氣、液化石油氣、天然氣礦井中的瓦斯氣體的檢查與報警。50多年前，Bardeen等人首次發(fā)現(xiàn)氣體吸附在半導體表面會引起電導的變化。從那時起，商業(yè)化的半導體器件用于氣體檢測就快速發(fā)展起來。

氣敏傳感器是一種將氣體種類、濃度轉(zhuǎn)換成電信號等容易測量的信號的裝置。氣敏傳感器的應用價值不言而喻，在生活中，工業(yè)的廢氣、汽車的普及帶來了汽車尾氣和酒駕的事故隱患，煤氣、天然氣通入各家中，同樣帶來了運輸泄露和室內(nèi)泄露等危害，氣敏傳感器在檢測和預警方面起到了至關重要的作用。為了解決響應的問題，各類氣敏傳感器應運而生，用傳感器來評定工業(yè)的排放是重要手段；測量汽車尾氣和駕駛者酒精的氣敏傳感器已經(jīng)很輕巧便攜；早在1980年，日本就已經(jīng)開始實行城市煤氣等報警器法規(guī)。在工業(yè)領域，氣敏傳感器在食品加工、化工生產(chǎn)、環(huán)境保護、醫(yī)學診斷等方面有著廣闊的應用前景。在自然資源開發(fā)生產(chǎn)中，可以檢測各種易燃、易爆以及有毒氣體(H₂S、CH₄、NH₃、CO)?？茖W的進步與生活質(zhì)量的提高都離不開傳感器等相關技術的保證。

隨著生活水平的提高，人們對生活質(zhì)量越來越重視，特別是對房屋裝修、室內(nèi)裝飾材料和汽車內(nèi)飾材料、椅套坐墊中的帶來甲醛、甲苯等有機揮發(fā)氣體(VOCs)更加關心，因此，提高相關氣敏元件的靈敏度和檢測限，已成為氣敏工作者的一個重要的研究課題。

從1962年至今，日本清山哲郎等人對ZnO及SnO₂薄膜氣敏特性研究以來的50多年以來，粉末氣敏材料的技術已經(jīng)比較成熟，但是旁熱式器件的制作流程卻是相當繁瑣，并且由于材料結構的限制，在靈敏度和響應恢復特性方面很難再進行突破。由于傳感器的靈敏度依賴于敏感材料的孔隙率、有效表面積和密度等因素，充分發(fā)揮氣敏材料的形態(tài)和結構對靈敏度的響應尤為重要，因此新型多孔骨架材料成為了熱門。

新型多孔骨架材料如泡沫鎳，是均質(zhì)的三維立體網(wǎng)狀結構，孔隙率88％～99％，比表面積可以達到1000～9000cm²/cm³，在此上生長出大量微觀PN結構，結合材料表面的異質(zhì)結，會大幅度提高靈敏度。但也由于泡沫鎳的多孔骨架結構，材料的延展性差，骨架不能承受太大壓力，傳統(tǒng)的旁熱式根本無法對其進行測量。由于新型氣敏材料研究的需要，對相關科研儀器的研究開發(fā)有著重要的實際意義。

現(xiàn)有的測量儀器存在以下問題：傳統(tǒng)旁熱式測量對溫度僅僅是預估值，但實際測試時，溫度值一定會受到當時的實時環(huán)境而影響；目前的測量儀器在高阻的測量速度上略有欠缺，難以滿足響應恢復特性測試的要求，測試的過程繁瑣復雜。

技術實現(xiàn)要素：

針對以上問題，本發(fā)明設計了模糊PID控制使溫度更加穩(wěn)定準確，通過多檔分段測量方法實現(xiàn)氣敏材料電阻值的快速測量，擁有兩種工作模式的測試系統(tǒng)，階梯升溫和恒溫兩種工作模式，分別應用于材料探求、材料最佳工作溫度點和響應恢復特性測試，上位機控制可選擇工作模式，有可視化的數(shù)據(jù)曲線以及數(shù)據(jù)的存儲、導出，從而極大的簡化了測試過程中的操作，節(jié)省了在氣敏材料研究過程中的人力資源，提高了氣敏材料研究的效率。

本發(fā)明通過下述技術方案實現(xiàn)：

一種新型氣敏材料測試系統(tǒng)，包括箱體1、位于箱體1內(nèi)底部的測試臺22、測試及控制系統(tǒng)14及上位機15；箱體1上設置有換氣口3(用于更換箱體內(nèi)氣體，)、注氣孔4及導線過孔9；測試及控制系統(tǒng)14和上位機15位于箱體1外，測試臺22由升降旋鈕5、支撐臂6、測試探針7、K型熱電偶8、加熱片11、微調(diào)架12及微調(diào)旋鈕13組成，微調(diào)架12固定在測試臺22上，加熱片11放置在微調(diào)架12上，測試樣品10放置在加熱片11，微調(diào)架12上設置有3個微調(diào)旋鈕13，分別可微調(diào)測試樣品10在X-Y-Z方向上的位置；K型熱電偶8固定在與測試樣品10平行的位置，用于測量測試樣品10的溫度，測試探針7通過支撐臂6固定安裝在測試臺22的上方，可通過升降旋鈕5調(diào)節(jié)測試探針7相對于測試臺22的高度，加熱片11的電源線16、K型熱電偶8的數(shù)據(jù)線及測試探針7的信號線通過箱體1上的導線過孔9與測試及控制系統(tǒng)14相連。

進一步地，該氣敏測試系統(tǒng)的箱體1內(nèi)還安裝有風扇2，風扇2可由測試及控制系統(tǒng)14或者上位機15控制其開關狀態(tài)，有助于注氣孔4注入的氣體更快混合均勻。

進一步地，所述的箱體1為有機玻璃箱體，內(nèi)部空間為正方體結構，容量為39.8～40.2L；所述的測試樣品10為片狀的、未被封裝的氣敏材料，如泡沫鎳、泡沫銅等多孔骨架材料；所述的加熱片11為MCH陶瓷加熱片，表面絕緣，直流電源供電，升溫速率快，加熱溫度可達500～550℃；所述的電源線16為陶瓷片電源線。

進一步地，所述的測試探針7為黃銅表面鍍金材質(zhì)，由柱形結構的探針頭、探針柄、探針柄套及彈簧組成；探針頭安裝在探針柄的一端，探針柄的另一端伸入到探針柄套內(nèi)，彈簧安裝于探針柄套與探針柄之間，測試探針7為兩根，間距為4.9～5.0mm，探針頭直徑1.1～1.2mm，探針頭長度1.7～1.8mm，整個測試探針7的長度為32～33mm，接觸電阻45～50mΩ，彈簧壓力19～20g，額定電流為3A。

進一步地，所述的微調(diào)旋鈕13的調(diào)節(jié)精度為0.1mm，調(diào)節(jié)距離為20mm；所述的升降旋鈕5的調(diào)節(jié)精度為1mm，調(diào)節(jié)距離為80mm。

更進一步地，所述的測試及控制系統(tǒng)14由總控制模塊17、功能選擇模塊18、數(shù)據(jù)采集模塊19、溫度控制模塊20及電源模塊21組成；功能選擇模塊18通過鍵盤輸入向總控制模塊17發(fā)送功能選擇操作指令；數(shù)據(jù)采集模塊19將測試樣品的電阻值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號給總控制模塊17進行處理；溫度控制模塊20根據(jù)總控制模塊17設定的溫度值和測量的溫度值進行比較，不斷調(diào)節(jié)加熱片11的工作電壓；電源模塊21將外接的220V交流電轉(zhuǎn)換成各個模塊所需要的工作電壓。測試及控制系統(tǒng)14可對工作模式選擇和加熱片11的加熱溫度進行精確控制，K型熱電偶8數(shù)據(jù)線通過箱體1上的導線過孔9與測試及控制系統(tǒng)14的溫度控制模塊20相連，可實時顯示測試樣品10由K型熱電偶8測量的溫度值與由測試探針7測量的電阻值，并可將數(shù)據(jù)傳至上位機15進行顯示數(shù)據(jù)實時曲線和數(shù)據(jù)保存與分析；

所述總控制模塊17以嵌入式ARM處理器為核心，該處理器體積小、低功耗、低成本、高性能；支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高。

所述功能選擇模塊18可以選擇不同的工作模式，擁有恒溫和階梯式升溫兩種工作模式，實質(zhì)上通過模擬開關切換不同的測試電路，該模塊可由硬件或軟件控制；所述階梯式升溫工作模式用于材料研究初期，探求材料的最佳工作溫度，用戶自己設定升溫梯度和目標溫度的持續(xù)時間。所述恒溫模式用于測試材料的響應恢復特性，其電阻值測量采用分段快速測量方法，根據(jù)不同的參比電阻值，測量范圍分為1Ω～10kΩ、10Ω～100kΩ、100Ω～1MΩ、1kΩ～10MΩ、10kΩ～100MΩ和100kΩ～1GΩ，該測量范圍可涵蓋所有靈敏度在10000以下的氣敏材料，測量時不換擋實現(xiàn)更快速測量，分段測量數(shù)據(jù)更加準確，高阻部分的測量速度仍然可以達到10次/秒，系統(tǒng)綜合誤差1％；

所述數(shù)據(jù)采集模塊19使用外部14位AD，通過算法進行數(shù)據(jù)降噪、校準。

所述溫度控制模塊20包括熱片11、K型熱電偶8及總控制模塊17、電源模塊21，通過所訴處理器給的指令調(diào)節(jié)輸出電壓大小，該電壓由外部DAC信號放大得到，功率由電源模塊21提供。具體的溫度控制算法采用模糊PID控制算法與直徑PID控制算法相結合，達到快速、穩(wěn)定的恒溫效果。

所述上位機15通過串口線與硬件電路相連，為VC編寫的軟件，在界面上可對功能選擇模塊18進行軟件設置，實時顯示數(shù)據(jù)曲線，可將數(shù)據(jù)保存為文本文檔。

本發(fā)明所述系統(tǒng)的氣敏特性測試工作過程為：將測試樣品10放置在加熱片11上，通過升降旋鈕5和微調(diào)架12上的調(diào)整旋鈕13使其與測試探針7良好接觸，K型熱電偶8貼近測試樣品10。測試樣品10為片狀材料，特別的如泡沫鎳等，其厚度為0.1～0.2mm。固定好后關閉箱體門，通過注氣孔4注入預測試分析的已計算好體積的一種目標氣體，打開風扇2幫助氣體快速擴散。氣體混合均勻后，在上位機15或者測試及控制系統(tǒng)14選擇階梯升溫或者恒溫工作模式，設置階梯式升溫階梯溫度、持續(xù)時間或者恒溫溫度、電阻值擋位，然后開始測量，溫度和電阻值可在測試及控制系統(tǒng)14的液晶屏上顯示，也可在上位機15上觀察材料的氣敏特性數(shù)值、曲線和分析以及數(shù)據(jù)另存為文本文當。通過溫度值與電阻值以及測試條件等數(shù)據(jù)來分析氣敏材料的特性。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

氣敏材料的溫度被精確的測量，工作溫度控制穩(wěn)定、準確；實現(xiàn)電阻快速測量，即使在1MΩ以上，測量速度也能達到10次/秒；對氣敏材料的測試特點設計兩種工作模式，將繁瑣的測試過程進行智能化處理，節(jié)約人力資源。

附圖說明

圖1：本發(fā)明所述的一種新型氣敏材料測試系統(tǒng)的結構示意圖；

圖2：本發(fā)明所述的測試臺的結構示意圖；

圖3：本發(fā)明所述的測試及控制系統(tǒng)的結構示意圖；

圖4：本發(fā)明所述的測試探針的結構示意圖。

圖1中：箱體1、風扇2、換氣口3、注氣孔4、升降旋鈕5、測試臺22、測試探針7、K型熱電偶8、導線過孔9、測試樣品10、加熱片11、微調(diào)架12、微調(diào)旋鈕13、測試及控制系統(tǒng)14、上位機15、電源線16。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步地說明。

實施例1：

本發(fā)明所述的一種新型氣敏材料測試系統(tǒng)的結構如圖1所示，有機玻璃箱體1長度為40.0cm，寬度為33.0cm，高度為30.0cm，容量為40L；測試臺22長度為8cm，寬度為8cm，使用固體膠固定在所述箱體1內(nèi)的底板表面中間部位；所述有機玻璃箱體1上設置有兩個換氣口3(用于更換箱體內(nèi)氣體，)、注氣孔4及導線過孔9：換氣口3使用直徑為5cm的手動氣體閥門，外接一個抽氣泵來控制氣體的更換，所述抽氣泵型號為臺灣亞士霸HG-550型，測試時使換氣口3保持關閉狀態(tài)。注氣孔4使用有機玻璃法蘭、硅膠墊作為法蘭墊固定在注氣孔4的外側(cè)，法蘭的外直徑為5cm，內(nèi)直徑為2cm。導線過孔9使用通用的有機玻璃法蘭，法蘭墊有預留的孔徑穿過導線，用密封膠填滿孔隙；測試及控制系統(tǒng)14和上位機15位于箱體1外。測試臺22的主體為市場上現(xiàn)有的顯微鏡升降支架，所述顯微鏡升降支架包括升降旋鈕5、支撐臂6、載物臺等，所述測試臺22還包括測試探針7、K型熱電偶8、加熱片11、微調(diào)架12及微調(diào)旋鈕13；微調(diào)架12固定在測試臺22的中心位置，加熱片11為MCH陶瓷加熱片，放置在微調(diào)架12上，測試樣品10放置在加熱片11，微調(diào)架12為金科品牌的LD90-LM-2LM-90-L型高精度位移平臺，所述微調(diào)架12上設置有3個微調(diào)旋鈕13，分別可調(diào)可微調(diào)放置在測試臺22上的測試樣品10在X、Y、Z方向上的位置；K型熱電偶8固定在與測試樣品10平行的位置(用于測量測試樣品10的溫度)，測試探針7固定在測試臺22的支撐臂6上，可通過測試臺22上的升降旋鈕5調(diào)節(jié)測試探針7的高度，加熱片11的陶瓷片電源線16、K型熱電偶8數(shù)據(jù)線及連接測試探針7的信號線通過箱體1上的導線過孔9與測試及控制系統(tǒng)14相連。

該系統(tǒng)的箱體1內(nèi)還設置有兩個額定電壓5V的直流風扇，風扇可由測試及控制系統(tǒng)14控制開關，有助于注氣孔4注入的氣體更快混合均勻。

所述的測試探針7為深圳華榮華電子科技有限公司的PL75-G平頭測試探針，其材質(zhì)為黃銅表面鍍金，由柱形結構的探針頭、探針柄、探針柄套、彈簧組成；探針柄伸入到探針柄套內(nèi)，彈簧安裝于探針柄套與探針柄之間。由兩根探針組成，間距為5.0mm，探針頭直徑1.2mm，探針頭長度1.8mm，整個測試探針7的長度為32mm，鉆孔尺寸1.6mm，接觸電阻50mΩ，彈簧壓力20g，額定電流為3A。

微調(diào)旋鈕13的調(diào)節(jié)精度為0.1mm，調(diào)節(jié)距離為20mm，所述的升降旋鈕5的調(diào)節(jié)精度為1mm，調(diào)節(jié)距離為80mm。

K型熱電偶8直徑為1.2mm，測溫范圍在0～1300℃；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換采用美信公司的MAX31855芯片，MAX31855為熱電偶至數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。器件帶有冷端補償檢測和修正、數(shù)字控制器、SPI兼容接口，以及相關的控制邏輯，在溫度控制器、過程控制或監(jiān)測系統(tǒng)中設計用于配合外部微控制器工作。

溫度控制模塊20包括加熱片11、K型熱電偶8及總控制模塊17、電源模塊21，通過所訴處理器給的指令調(diào)節(jié)輸出電壓大小，該電壓由外部DAC信號放大得到，功率由電源模塊21提供。具體的溫度控制算法采用模糊PID控制算法與直徑PID控制算法相結合，控制溫度接近目標溫度達到一定誤差限度(-5℃≤e≤+5℃)時，啟動模糊PID控制算法，使溫度穩(wěn)定在目標溫度附近，當溫度差值超過上述誤差限度時，采用直徑控制算法，使溫度快速縮小與目標溫度差值。這樣保證了系統(tǒng)的快速、穩(wěn)定的恒溫效果。

實施例2：利用本發(fā)明系統(tǒng)探究以乙醇為靶氣體的氣敏材料的最佳工作溫度；

測試樣品10由現(xiàn)有技術的常規(guī)手段制備，使用新型的一種以具有高阻鈍化表面層的泡沫鎳為基底，在其上利用溶膠-水熱法原位生長SnO₂納米粒子的材料作為測試樣品10，樣品長度10mm，寬度10mm，高度2mm。

如圖1和圖2所示，將測試樣品10水平放置在測試臺22的加熱片11上，調(diào)節(jié)升降旋鈕5使測試探針7靠近測試樣品10，調(diào)節(jié)微調(diào)架在水平面上找到可以良好接觸測試樣品10的位置，然后調(diào)節(jié)微調(diào)架的豎直方向，使將測試樣品10與測試探針7良好接觸，K型熱電偶8貼近測試樣品10。關閉有機玻璃箱體1門，保證換氣口3關閉。

在上位機15上選擇階梯式升溫模式，將加熱片11的目標溫度設置為20、40、60、80、100、120、140、160、180、200、220、240、260、280、300、320、340、360、380、400(℃)，每一個溫度值的持續(xù)時間為60s，點擊開始按鈕，開始測量實時的溫度值和電阻值，上位機15同時開始接收溫度值和電阻值。

程序完成后自動停止，將數(shù)據(jù)導出、命名。待測試樣品10溫度回到室溫，使用微量進樣器通過有機玻璃箱體1上的注氣孔4注入10mL乙醇，打開風扇2進行氣體混合?；旌暇鶆蚝箨P閉風扇2，在上位機15再次點擊開始按鈕進行第二次測量。

測試完畢后打開換氣口3，將氣體抽出，完畢后關閉換氣口3，打開有機玻璃箱體1門，調(diào)節(jié)升降旋鈕5使測試探針7升高，取出測試樣品10。進行數(shù)據(jù)處理，計算出氣敏材料的靈敏度，將靈敏度最大值相對應的溫度值確定為最佳工作溫度。

系統(tǒng)溫度測量準確，溫度控制穩(wěn)定、準確；測試過程中，不需要手動調(diào)節(jié)電壓來升高溫度，整個過程由測試及控制系統(tǒng)14控制。