[实用新型]传感器高精度动态测试仪

说明书

技术领域

本发明涉及传感器的测试表征等测量领域，特别是传感器的高精度动态测量。

背景技术

现代纳米技术催生出采用纳米材料研制的各种高性能传感器，如酒精、CO、H₂S等各种气敏传感器、温湿度传感器等等，这些传感器正以极高灵敏度(高达10000)、极快的响应速度(小于1s)等无可比拟的优越特点正在取代传统工艺制备的传感器，尤其是现代物联网技术的迅速发展，更是使这些物联网前端新型传感器件备受关注，需求大增，各级科研机构纷纷研制、改良各类传感器，然而他们却都是使用传统的传感器测量仪器进行测量、分析，而这些仪器已经不能适应现代纳米传感器的特点了。

传统的传感器测量原理是采取电阻分压测量原理，即传感器与基准电阻串联分压，通过测量分压值来推算传感器电阻值。例如，普通高等院校机电类规划教材《检测与转换技术》第三版机械工业出版社(书号ISBN 7-111-03106-7)，第八章第二节气敏传感器第五小节基本测试电路(217页)，其测量原理图如图3所示就是这种分压式测量原理，从图中可以通过公式计算传感器QM-N5的电阻Rs＝UcR_L/U_RL-R_L(式中R_L是基准电阻，Uc是测试电压源，U_RL是取样电压)。又如，甘肃科学学报《半导体气敏传感器及其阵列的检测技术研究》(2009)、仪表技术与传感器《基于ARM的高阻气敏传感器测试电路》(2006)等论文，河南上市公司汉威电子公司生产的“HW-C30A气体传感器测试仪”，也都是采取这种分压式原理测量的。这种方式的测量导致业界五个大问题，并引起测量结果的极大误差：

一是测量结果精度低，分压的结果直接导致A/D转换的精度降低，测量误差高达90％以上。目前传感器灵敏度已经达到几十倍甚至数百倍以上，传感器的电阻在测试过程中的变化高达10个量级以上。如反应前测量误差为1％，而反应灵敏度若为100则反应后的测量误差就高达1％*100＝100％，因此测量精度很低，所测试结果反映不了传感器的本证特性。

二是纳米传感器的电阻值范围极宽，大到千兆欧以上，用这种分压方式测量势必要选择上千兆的精密基准电阻，而常规精密电阻的范围限于2兆欧以下，这种大阻值的精密电阻实际上做不出来或者要采用极为昂贵材料和特殊工艺制作，故无法实现测量；

三是传感器测量电压的不确定性，也就是说若使用5V电压测量时，实际加在传感器上的电压是个动态不确定值，利用这种仪器测量结果将直接误导传感器测试结果的巨大误差；

四是传感器测量电压不能随意设置，即不能过小或大于A/D转换器的参考电压，否则将引致失真或不精确的小幅度分电压值，直接导致测量结果准确度低；

五是整个业界均被误导为测量的灵敏度值就是这种测量在传感器反应前后的分压值的比值，实际上它们有很大差别，通过简单计算可知，若反应灵敏度为m，在最佳匹配情况下，其反应前后的电压比值V_RL2/V_RL1＝(m+1)/2，只有在m＝1时，电压比值V_RL2/V_RL1＝1＝m，若在m＝100则电压比值V_RL2/V_RL1＝50.5，可见用电压比来体现灵敏度的误差是出人意料的大，这直接误导了传感器的研究。

因此，本专利的传感器高精度动态测试仪可精确计算出传感器的电阻和灵敏度等指标。

包括

动态可控的测试电压源：实现动态可调的高精度电压源，使得待测传感器所加的测试电压是确定的；

动态可调的标准电阻：通过动态可调的标准精密电阻实现在测量过程中动态选择合适的测量档位，以达到高精度测量；

还包括

极性处理模块：通过测量和减去正负极性的零点值，解决测量电路的零点漂移问题。

衰减式反馈网络：以获得大阻值标准精密电阻，以解决难以获得大阻值标准精密电阻难题。

由上所述，本专利的传感器高精度动态测试仪，彻底克服了现有测量技术中动态测量精度低、不能测量高阻值纳米传感器、加在传感器上的测试电压源不确定和业界在传感器灵敏度方面的误导等问题，具有以下一系列十分明显的优点：