非氧环境下气体传感器气敏特性研究

钱小瑞，吴 飞，许 奇，吴晨谋

(上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620)



非氧环境下气体传感器气敏特性研究

钱小瑞，吴 飞，许 奇，吴晨谋

(上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620)

针对目前在非氧环境下影响气体传感器的气敏特性研究成果较少的情况，文中提出了非氧环境下气体传感器气敏特性研究。通过真空泵制造无氧环境，以LabVIEW作为上位机软件，单片机为下位机，搭建了一个以SnO2气体传感器为传感器的检测平台。采用单一控制变量法，实验以测试浓度范围、加热装置温度范围、灵敏度等指标评价SnO2气体传感器响应程度，观察气体传感器的响应曲线。结果表明，乙醇的最佳工作电压为3.0 V，环境温度<200 ℃时，传感器的响应速度较快，灵敏度较好。该检测系统操作简便，成本低廉，实验结果为无氧环境下气体传感器特性研究提供了参考。

无氧环境；气体传感器；乙醇浓度；环境温度

空气污染中，可挥发有机物(VOC)产生于办公用品、生活用品、建筑材料等，其中氯乙烯、苯、多环芳烃等已被列为致癌物，当浓度严重超标时可对人体造成伤害[1]。显然，若能快速有效地检测到这些气体，减少损失是必要的。目前常用的检测装置是二氧化锡气体传感器，采用SnO2半导体材料做成阻抗器件，与气体分子相互作用时材料薄膜表面发生还原反应，引起以载流子运动为特征的电导率的变化。也就是说，VOC气体传感器的阻值会随着检测气体浓度的变化而变化。待测气体成分不同，VOC气体传感器表现出不同的气敏特性。一般地，将VOC气体传感器接入分压电路，间接测出传感器的电阻值，得到传感器电阻的响应曲线，从而判断待测气体的成分[2-3]。

针对室内空气污染问题，李杰在文献[4]中设计了VOC气体检测仪，能够对室内空气质量进行实时监测与分析。Khan M R R[5]提出了PWM感测系统，对VOC气体苯的敏感度达到7.79 ns/ppb；CD Biase[6]定量地研究了两种试规模的地下水污染处理系统除去VOC能力。上述检测技术都是基于有氧环境，传感器能够表现出良好的特性。但对于一些特殊的检测场合，可能从有氧环境变成了无氧环境或者本身就是无氧环境，需要对一些含有污染性质的气体进行检测。然而目前市面上应用于无氧环境下或者同时在有氧和无氧环境下能够对环境温度或多种气体同时检测的传感器或相关检测设备参考数据，是相当紧缺的[7-8]。

近年来，国内外对无氧环境下气体传感器检测技术也投入更多的关注度和研究力度。F Erden[9]采用红外传感器，根据在光谱范围内VOC气体的吸收带特点检测泄漏气体，具有一定效果，但红外传感器响应慢，应用范围有限，且成本较高。郭京伟在文献[10]中提出了一种新型检测VOC气体浓度的手持式仪器，可实现对低浓度气体的检测、测量地点的实时有效定位、3G/WiFi实时上传数据、触摸屏操作，但对高浓度的VOC气体检测不佳。

为了研究气体浓度和环境温度对VOC气体传感器响应信号的影响，特别是在无氧环境下，本文利用抽气泵抽成真空制造了无氧环境，分别以乙醇浓度和传感器加热丝两端温度为自变量，采用单一控制变量法，观察气体传感器的响应曲线。系统可对某种特定气体进行检测，也可对多种气体成分同时检测，并以测试浓度范围、传感器两端的电压、稳定性、灵敏度等指标评价SnO2气体传感器响应程度[11]。

1 系统设计思路

1.1 系统工作描述

本测试系统的目的是研究无氧环境下VOC气体传感器的气敏特性和温度特性。系统的主要内容如下：(1)设计无氧环境；(2)保持气室温度不变，向气室进样。将VOC气体传感器两端电压值传输给上位机，上位机显示不同的电阻变化曲线、电压变化曲线和响应曲线，通过曲线分析VOC气体传感器的气敏响应特性；(3)保持进样量一定，改变加热丝温度。上位机根据下位机传输的气体传感器两端电压值数据，描绘电阻变化曲线、电压变化曲线和响应曲线，通过曲线分析VOC气体传感器的温度特性。

1.2 系统选型

(1)无氧环境设计。惰性气体排气法成本较高，操作相对复杂；而采用抽气泵抽真空法操作简单方便，并能观察到明显的空气抽尽现象，因此，实验选用抽真空法制造无氧环境；

(2)配气方式。目前配置低浓度标准气体的方法有两种：一种是静态配气法；另一种是动态配气法。动态配气法适用于通入气体时间较长或用量较大的实验，操作复杂，且不适合配置高浓度气体；静态配气法是将一定量的气态或蒸汽态的原料加入已知容积的容器中，充入稀释气后混匀气体制得，适用于化学性质稳定的气体，设备简单、操作方便；

本文研究在无氧环境下VOC气体传感器的工作情况，测量的目标气体化学性质比较稳定、浓度低，故实验采用静态配气法，简化配气操作步骤。

1.3 系统参数设计

本文为无氧环境下静态配气测试系统，测试过程中的单一变量分别是液体样品进样量和VOC气体传感器加热丝温度。

(1) 上位机测试时间。上位机测试的时间与气体传感器的灵敏度和进行静态测试的气室大小有关，且测试时传感器的气敏响应特性未知，所以上位机的测试时间设计为可调节，灵活地对VOC气体传感器的气敏响应特性和温度特性进行研究；

(2) VOC气体传感器加热丝温度。VOC气体传感器的工作温度受加热丝温度的影响。加热丝的温度与加热丝加热电压存在一定的关系，数值关系如表1所示。根据表1中电压与发热温度之间的关系，实验过程中改变VOC气体传感器加热丝电压间接改变了加热丝温度，就能得到无氧环境下VOC气体传感器的温度响应曲线。

表1 VOC气传感器加热丝温度与加热电压关系

2 硬件系统设计

2.1 系统硬件总体设计

本测试系统的工作原理采用静态配气的方式向系统进给待测气体，通过单片机采集VOC气体传感器所在分压电路的电压信号，电压信号能够通过液晶屏显示，同时单片机将电压信号传输给上位机，上位机对VOC气体传感器的电阻值、对其所在分压电路的电压值变化进行实时观测并保存，根据VOC气体传感器的阻值变化绘制传感器的响应曲线[12-13]。系统硬件框图如图1所示。

2.2 硬件模块

(1)加热装置模块。加热装置选用镍铬电热丝气体蒸发炉，将气体蒸发炉放置在气室中，炉口对准液体样品进样口放置。蒸发炉的内部电热丝两端加电压后发热，并且随着两端电压的升高，电热丝的温度升高。电热丝的加热温度满足的条件是液体样品注射入气室后触碰电热丝后能全部汽化成气体。经过实验测试，对气体蒸发炉两端通以4.4 V电压，满足液体样品注射入气室后触碰电热丝后能全部汽化成气体状态的条件;

图1 系统硬件框图

(2)数据传输模块。数据传输使用CP2102模块，使单片机处理的数字信号传输给上位机进行相关操作。CP2012接线图如图2所示。

图2 CP2012接线图

3 系统软件设计

3.1 下位机系统

无氧环境下乙醇浓度和环境温度对气体传感器响应信号影响的测试系统，下位机系统程序包括主程序、定时器中断程序、A/D采集程序、液晶显示程序和串口通信程序。单片机首先控制A/D采集模块采集模拟信号，接着将采集到的模拟信号处理成数字信号送入液晶屏显示并通过串口发送到上位机[14-15]。系统程序流程图3所示。

3.2 上位机系统

LabVIEW采用图形化编辑语言G编写程序，实验采用LabVIEW作为上位机。

(1)数据采集。完成定时器中断初始化，等待定时器进入中断，并在中断程序里对数据进行采集、液晶屏显示和串口发送数据进行调度。定时器中断程序如图4所示；

图3 程序流程图

图4 定时器中断程序

(2)上位机与下位机通信。上位机与下位机间，选择异步串行通信，以便将下位机采集的数据上传到上位机中进行处理。LabVIEW使用串口功能有两种方式，一种调用微软系统自带的串口控件commen32，另外一种则使用LabVIEW提供的VISA驱动，为了程序的简洁易用性，因此使用VISA驱动为最佳选择[16]。数据通信时，将数据进行了打包操作，每一次发送的数据可以看成为一帧，设置数据的帧头为0xAA、0xBB、0xFA，帧尾为0xFB。当数据来时去除帧头与帧尾，留下的则为所需数据；

(3)曲线观测与数据保存。如图5所示为观测曲线界面，选项卡“电压曲线”、“电阻曲线”和“响应曲线”，能够实时观测VOC气体传感器电压的变化、电阻的变化和响应曲线。“保存数据到电子表格”和“保存曲线图”的功能是将曲线显示的相关数据保存到Excel电子表格，将曲线保存为bmp格式的图片。“浓度与体积计算”选项卡能够计算已知气体浓度所需注入液体的量，以及已知注入液体的量计算气室内气体浓度。

图5 曲线观测界面

4 实验结果与分析

4.1 测试结果

4.1.1 有氧环境下对不同浓度气体的响应

有氧环境下静态配气测试系统，观察VOC气体传感器在空气中的气敏响应特性，一方面是为了测试下位机和上位机系统的运行情况，另一方面是作为VOC气体传感器在无氧环境下气敏响应特性的对照。

实验过程中，保持加热装置两端电压直流4.4 V不变，分压电路两端电压直流5 V不变。根据表1，保持VOC气体传感器电热丝电压直流5 V不变，改变注入气室样品量即进样液体的体积。每次测试完成后，都需要把气室内的乙醇气体用抽气泵吹出，直到气室内的乙醇气体全部吹尽才可进行下一次测试。有氧环境下，经过多次测试得到VOC气体传感器对不同浓度气体的气敏响应特性曲线。

4.1.2 无氧环境下对不同浓度气体的响应

实验过程中，保持加热装置两端电压直流4.4 V不变，分压电路两端电压直流5 V不变，VOC气体传感器电热丝电压直流5 V不变，改变液体样品注入气室的量即进样液体的体积。每次测试完成后，需把气室内的乙醇气体用抽气泵吹出，直到气室内的乙醇气体全部吹尽，接着用抽气泵将气室内的氧气抽尽，等待下一次无氧环境测试。无氧环境下，经过多次测试得到VOC气体传感器对不同浓度气体的气敏响应特性曲线。

根据在有氧环境和无氧环境下，保持传感器两端的温度一定，即电压一定，VOC气体传感器对不同浓度气体的响应，绘制浓度-响应曲线如图6所示。

图6 浓度-响应曲线

4.1.3 无氧环境下不同温度的响应

根据无氧环境下VOC气体传感器对不同浓度气体的气敏响应特性曲线，观察到液体乙醇样品的进给量为3 mL时，测试系统的抖动最小。因此，取3 mL为固定的液体乙醇样品进给量，观察VOC气体传感器对不同温度响应特性。测试时唯一变量是VOC气体传感器加热丝两端的电压值，即改变加热丝温度。

根据无氧环境下VOC气体传感器的温度响应曲线，绘制了温度-响应曲线，图7表示进样3 mL一定，改变加热装置温度时，气体传感器的响应特性曲线。横坐标为传感器两端温度，纵坐标为响应值。

图7 温度-响应曲线

4.2 测试结果分析

系统对VOC气体传感器在无氧环境下进行气敏响应特性和温度特性测试的结果表明，保持系统的加热装置两端电压不变，改变液体样品注入气室的量，观测到1～10 mL不同浓度的乙醇气敏响应特性曲线。随着检测气体浓度的改变，VOC气体传感器的气体响应值变化明显。检测气体浓度的升高，VOC气体传感器的气体响应值逐渐增大，但是这种变化，无氧环境下略小于有氧环境，并且当乙醇样品的进给量为3 mL时，测试系统的抖动最小，灵敏度最高。

再取3 mL为固定的乙醇样品进给量，以VOC气体传感器加热丝两端的电压值为单一变量，即分别在160 ℃，200 ℃，250 ℃，300 ℃，330 ℃，350 ℃，研究乙醇在无氧环境下的温度特性。实验表明，随着检测气体温度的改变，VOC气体传感器的气体响应值变化明显。检测气体温度的升高，VOC气体传感器的气体响应值逐渐增大，在工作温度降低到200 ℃以下，乙醇的最佳工作电压在3.0 V以下，响应速度快，为目前研究无氧环境下气体传感器的特性提供了参考。

5 结束语

本文设计并实现了无氧环境下静态配气测试系统，选择LabVIEW作为上位机，实时观测和保存特性曲线，成本低、操作简便。测试乙醇的气敏响应特性时，保持加热装置两端电压直流4.4 V不变，只需改变液体样品的进样量，观测1～10 mL不同浓度的乙醇气敏响应特性曲线。实验结果表明，当进给量为3 mL时，测试系统的抖动最小，灵敏性最大，响应恢复时间最快。研究乙醇在无氧环境下的温度特性时，根据上述实验结果，取3 mL为固定的乙醇样品进给量，只需调节VOC气体传感器加热丝两端的电压值，研究160 ℃，200 ℃，250 ℃，300 ℃，330 ℃，350 ℃下的变化。曲线反映出乙醇的工作温度降低到200 ℃以下，最佳工作电压在3.0 V以下，抖动小，响应速度快，为无氧环境下气体传感器的特性研究提供了参考。

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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

国家自然科学基金 (61272097)；上海市科学技术委员会基金(13510501400)

钱小瑞(1991-)，女，硕士研究生。研究方向：绿色节能计算等。吴飞(1979-)，男，博士，教授。研究方向：计算机并行处理与节能控制等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.021

TP212

A

1007-7820(2017)08-076-05