[发明专利]提高半导体电阻式气敏元件动态检测灵敏度的方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于测试技术应用领域，具体涉及一种提高半导体电阻式气敏元件动态检测灵敏度的方法及其检测系统。

背景技术

半导体气敏传感器，是一种对于某种气体敏感的化学传感器，它能随着外部气体的浓度或者气体种类的不同而改变敏感膜的电阻。半导体电阻式气敏元件由于其灵敏度高、制作工艺不复杂、使用方便灵活等优点，因而成为半导体电阻式气敏元件中发展最快、应用最广的一类气敏传感器。就提高半导体电阻式气敏元件灵敏度的方法而言，目前采用的方法有：（1）添加催化剂，提高气敏材料的活性；（2）材料超微粒化；(3)寻找新的敏感特性好的材料。然而，采用这些方法提高气敏元件的灵敏度是有一定限度的，目前的元件很难实现ppb级的检测。

另外，气体检测中通常采用静态测试方法，如专利文件一种气敏元件参数测试系统”（授权号CN204221107U）和“一种气敏元件参数测试的方法和系统”（申请号201110294768.0）中所提出的方法，为了保证气敏传感器灵敏度，负载电阻采用可换硬件插卡来设置，均需要通过人工更换匹配电阻的方法测试电阻式气敏传感器的各项性能。其操作繁琐，测试时间较长，容易造成匹配电阻阻值过大或过小，导致采样电压检测精度低，不易观察。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种提高半导体电阻式气敏元件动态检测灵敏度的方法及系统，在有效提高半导体电阻式气敏元件动态检测灵敏度基础上，间接提高了测试精度，并能够实时检测气体浓度。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：

一种提高半导体电阻式气敏元件动态检测灵敏度的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1）采用0～10V直流稳压电源与加热器组成加热回路，0～10V直流稳压电源与半导体气敏元件及负载电阻相串联组成测试回路；

2）半导体气敏元件将气体与浓度有关的信息转换成电阻信号，通过测试回路以分压的方式从负载电阻两端以电压形式输出；

3）所述的负载电阻选用可调节电阻，负载电阻的输出大小由控制器调节，使得半导体气敏元件的阻值与负载电阻的阻值相等或近似相等，所述的近似相等的含义为负载电阻的阻值的取值为半导体气敏传感器的阻值±1kΩ；

4）基于最小二乘法原理，建立气体浓度在线检测数学模型，以气体浓度值作为测试模型的输入量，将半导体气敏元件的输出电阻作为测试模型的输出量，根据输入输出的变量关系，选取适合的函数为模型建立气体浓度和半导体气敏元件的输出电阻之间的数学关系式，利用MATLAB曲线拟合工具箱，求得函数模型中的系数大小；

5)当进行气体浓度检测时，根据负载电阻两端的电压，求出对应的半导体气敏元件的输出电阻，再利用所建立的气体浓度在线检测数学模型，得到当前半导体气敏元件的输出电阻所对应的气体浓度。

按上述方法，所述的步骤1）通过调节电压来改变加热器的温度，从而选择一个适合于气体测试的温度。

按上述方法，所述的步骤3）可调节电阻由大小分别为2⁰，2¹，…，2^NkΩ的电阻组成，每个电阻两端并联一个由继电器控制的开关触点，电阻之间以串联方式连接，继电器的通电或断电状态由控制器控制，通过继电器控制可调节电阻串入或短接，得到2⁰，2¹，2⁰+2¹，…，2⁰+2¹+…+2^N连续可变的数字电阻，其电阻大小依次以2⁰kΩ为基数，递增增加，调节使得半导体气敏元件的阻值与负载电阻的阻值相等或近似相等。

一种用于实现上述提高半导体电阻式气敏元件灵敏度的方法的气体浓度检测系统，其特征在于：它包括加热回路、测试回路和控制器；其中加热回路由0～10V直流稳压电源与加热器组成，测试回路由0～10V直流稳压电源与半导体气敏元件及负载电阻连接组成，负载电阻两端电压通过采集电路与控制器连接，所述加热器的加热电压由控制器控制，所述负载电阻为可调节电阻，其阻值由控制器控制调节。

本发明的有益效果为：本发明方法及实现装置是基于电阻形式输出的半导体气敏元件进行气体浓度的动态检测，由于能够根据半导体气敏元件的电阻变化选取匹配的负载电阻，提高了动态检测系统的灵敏度，使得系统的检测精度间接提高，并缩短检测时间，减少人工操作，达到实时精确自动监测气体浓度的目的。

附图说明