基于LabVIEW的电阻式半导体气体传感器测量系统设计*

王庆吉， 张俊红， 王 巧， 张淑慧

(吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春 130012)

0 引 言

目前，针对气体传感器的测试系统主要分为：高校根据教学或研究需要进行设计制作和有关公司根据用户需求进行量身定做，由于产品受用户需求的限制，无法批量生产。因此，国内的气体传感器测试系统仍停留在较低的水平，无法满足实际测量需求[1]。本文设计了基于LabVIEW的电阻式半导体气体传感器测量系统，系统采用业界普遍使用的电阻分压法测试原理，借助与传感器串联的匹配电阻器间接计算出传感器的阻值，最后将数据通过RS—232串行总线发送给计算机[2]。采用LabVIEW完成对数据的分析与处理，采用限幅滤波和巴特沃斯滤波法，提高了系统的整体精度，同时人机交互界面友好，使用方便。另外设计了温湿度检测装置，用于监控传感器的工作环境指标。系统既可以用于检测电阻型半导体气体传感器，也可以用于研究电阻型半导体气敏材料。

1 系统总体设计

1.1 传感器和实验方法

图1 电阻分压法测量原理

根据气体传感器的特性设计采集方案，传感器工作温度要求300 ℃，气敏传感器阻值具有不确定性[4]。因此在设计时要求有加热电路和电阻自动匹配电路。在实际测试中选定的测试电压和加热电压为5 V并且要求测量电压稳定，因而系统设计了稳压源模块。在实际测量中会出现随机噪声以及高频噪声，故设计了电压跟随器以及低通滤波器。

1.2 系统组成

系统测量电路采用意法半导体公司生产的STM32F103C8系列芯片为核心控制器，利用STM32自带的模拟/数字转换(analog to digital conversion,ADC)模块、匹配电阻器自动切换电路以及信号调理电路实现对气体传感器信号的数据采集[5]。同时利用温湿度传感器来监控气体传感器的工作环境指标。测量电路的通信采用RS—232总线通信，上位机对接收的数据进行分析处理并绘出测量气体传感器的响应特性曲线，保存处理后的数据。其中数据调理、数据采集、数据通信和控制是关键部分[6]。系统的总体框图如图2所示。

图2 传感器测量系统总体框图

1.3 系统硬件设计

系统硬件设计主要包括测量电路设计和元件实验箱设计。测量电路设计主要由稳压源部分、匹配电阻自动切换部分、信号调理部分、串口通信部分组成。硬件电路用于实现对气体传感器输出的信号进行调理、采集、检测以及实现与上位机的通信等功能。

稳压源用于产生稳定的3.3 V的系统电压以及5 V的测试电压，采用AMS公司生产的AMS1117系列芯片。信号调理部分包括低通滤波器和电压跟随器，其中电压跟随器用于阻抗变换器，低通滤波器滤除系统高频噪声。信号调理部分所采用的芯片为运算放大器AD8571。

元件实验箱内置测试元件、温湿度传感器、注气排气装置等，能够很好地模拟气体传感器的工作环境。气体传感器测量在元件实验箱中进行，配置好的气体进入密封的元件实验箱中，气敏元件置于元件实验箱内，测量电路将实时采集到的信号送入上位机中。

1.4 系统软件设计

上位机采用LabVIEW图形化编程语言作为开发工具，下位机采用C语言编写。上位机主要功能模块为：串口设置、采集时间显示、实时绘图、数据表格显示、数据保存与查询。上位机每隔0.5 s刷新1次数据。采集的原始信号可能因为系统干扰而出现一些随机噪声，会影响整个采集系统的采集精度以及气敏传感器响应曲线的正确性、光滑性。因此数据处理模块采用LabVIEW自带的巴特沃斯滤波器和限幅滤波器，巴特沃斯滤波器能够滤除各种系统干扰数据，而限幅滤波器能够有效克服因偶然因素引起的波动干扰,有效提高测量的精度。由于采集系统的数据吞吐量比较大，所以数据保存需满足大容量、高速、可靠、实时、易于提取等特点。基于上述要求该设计采用电子表格文件读取方式。

数据处理软件采用模块化处理，其结构层次如图3。

图3 数据软件处理框图

下位机主要是实现对传感器信号的采集、量程自动切换、对采集到的信号进行均值处理、将传感器信号送到液晶显示及通过串口通信发送到上位机，对气敏传感器工作环境实时监控等功能。下位机将采集的数据每4次进行均值处理，再将处理后的结果发给上位机，有效降低了系统干扰对信号产生的影响，提高了采集系统的精度。图4为完成1次数据采集的流程。

图4 下位机软件流程

2 实验与结果分析

通常采用气体传感器的响应时间和恢复时间来衡量一个气体传感器的优劣[8]。实验所用的电阻型半导体传感器为MQ3气体传感器。所用气体为无水乙醇，元件实验箱的体积为1L，通过微量取样器向元件实验箱中注入无水乙醇，观察气体传感器的响应曲线。

2.1 初期稳定时间的测量

气体传感器通过电阻丝通电加热后，其阻值首先急剧下降，经过一段时间后阻值达到初始稳定状态，所经过的时间称为初期稳定时间[9]，如图5所示。

图5 初期稳定时间测量

2.2 响应恢复时间[10]测量

测量条件：元件实验箱1 L、无水乙醇0.4 μL、测试温度28.1 ℃、测试传感器为MQ3。测量结果如图6所示，测量出响应时间为25.3 s，恢复时间为38.7 s。

图6 响应恢复时间测量

2.3 同种气敏传感器在不同气体浓度响应

采用MQ3传感器，通过微量取样器向元件实验箱中分别通入0.2,0.4,0.6,0.8,1 μL的无水乙醇，观察气体传感器的响应参数。表1为通过分析气体传感器的特征曲线得到的特征参数[8]。

表1 气体传感器在不同乙醇含量气体中的特征参数

响应时间随着气体浓度的增高呈现下降的趋势，而恢复时间随着气体浓度的升高没有下降的趋势。

3 结 论

本系统经过实验验证可以快速方便地测出电阻式半导体气敏传感器的响应特性，具有测试精度高、性能可靠稳定、用户使用方便灵活等特点，极大方便了生产生活，具有一定的实用性。采用LabVIEW编程实时测量系统的显示面板，可以在采集数据同时处理分析并显示数据，生成气体传感器的响应特性曲线。可靠的硬件设计和友好的软件设计界面使测试更方便，提高效率。该气体传感器测试系统0.5 s刷新1次数据，测量精度优于1 %，能够满足测量要求，具有较高的性价比。但系统的精度有待进一步提高，配气方式可改成自动配气，减少挥发性气体对人体的伤害。