一种新型气敏材料测试系统技术方案

本发明专利技术公开了一种新型气敏材料测试系统的设计，属于气敏测试技术领域，包括箱体：用于模拟气敏材料的测试环境；测试台：放置在所述箱体底部中间位置，加热平台为MCH加热陶瓷片，测试探针为黄铜表面镀金的弹簧压力平头探针；测试及控制系统：以ARM处理器为核心，通过K型热电偶测量数据，精确控制MCH温度，并将通过探针得到的电信号进行数模转换；上机位：与所述硬件控制电路相连，可设置阶梯升温和恒温两种工作模式，设置恒温温度，或阶梯升温梯度和目标温度的持续时间，实时显示测试曲线与数据保存。该气敏测试系统可用于对气敏材料研究的各个阶段的测试，将繁琐耗时的测试过程进行智能化处理，降低了测试过程人力资源，提高了气敏材料开发的效率。

A new testing system for gas sensitive materials

The present invention discloses a new design of gas sensitive material test system, which belongs to the technical field of gas sensing test, which comprises a box body: test environment for simulation of gas sensitive materials; test bench: placed in the middle position of the bottom of the box body, the heating platform for MCH heating ceramic sheet, test probe for spring pressure probe flat brass surface gold; test and control system using ARM processor as the core, through the K type thermocouple measurement data, precise control of the temperature of the MCH signal and the probe through the analog-to-digital conversion; computer: with the hardware control circuit is connected, can set the step heating and constant temperature in two kinds of working mode, set the constant temperature the duration, or stepped temperature gradient and target temperature, real-time display and data storage test curve. The gas sensing test system can be used in various stages of research on gas sensitive materials testing, the testing process will be tedious and time-consuming for intelligent processing, reduces the test process of human resources, improve the efficiency of gas sensitive materials development.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于气敏测试
，具体涉及一种针对气敏材料性能测试，拥有两个工作模式的测试系统。
技术介绍
1906年，传感器的先驱者Cremer首次发现了玻璃薄膜电极对氢离子的选择应答效应。在1930年，国外就开始研究和开发气敏传感器，主要是用于煤气、液化石油气、天然气矿井中的瓦斯气体的检查与报警。50多年前，Bardeen等人首次发现气体吸附在半导体表面会引起电导的变化。从那时起，商业化的半导体器件用于气体检测就快速发展起来。气敏传感器是一种将气体种类、浓度转换成电信号等容易测量的信号的装置。气敏传感器的应用价值不言而喻，在生活中，工业的废气、汽车的普及带来了汽车尾气和酒驾的事故隐患，煤气、天然气通入各家中，同样带来了运输泄露和室内泄露等危害，气敏传感器在检测和预警方面起到了至关重要的作用。为了解决响应的问题，各类气敏传感器应运而生，用传感器来评定工业的排放是重要手段；测量汽车尾气和驾驶者酒精的气敏传感器已经很轻巧便携；早在1980年，日本就已经开始实行城市煤气等报警器法规。在工业领域，气敏传感器在食品加工、化工生产、环境保护、医学诊断等方面有着广阔的应用前景。在自然资源开发生产中，可以检测各种易燃、易爆以及有毒气体(H2S、CH4、NH3、CO)。科学的进步与生活质量的提高都离不开传感器等相关技术的保证。随着生活水平的提高，人们对生活质量越来越重视，特别是对房屋装修、室内装饰材料和汽车内饰材料、椅套坐垫中的带来甲醛、甲苯等有机挥发气体(VOCs)更加关心，因此，提高相关气敏元件的灵敏度和检测限，已成为气敏工作者的一个重要的研究课题。从1962年至今，日本清山哲郎等人对ZnO及SnO2薄膜气敏特性研究以来的50多年以来，粉末气敏材料的技术已经比较成熟，但是旁热式器件的制作流程却是相当繁琐，并且由于材料结构的限制，在灵敏度和响应恢复特性方面很难再进行突破。由于传感器的灵敏度依赖于敏感材料的孔隙率、有效表面积和密度等因素，充分发挥气敏材料的形态和结构对灵敏度的响应尤为重要，因此新型多孔骨架材料成为了热门。新型多孔骨架材料如泡沫镍，是均质的三维立体网状结构，孔隙率88％～99％，比表面积可以达到1000～9000cm2/cm3，在此上生长出大量微观PN结构，结合材料表面的异质结，会大幅度提高灵敏度。但也由于泡沫镍的多孔骨架结构，材料的延展性差，骨架不能承受太大压力，传统的旁热式根本无法对其进行测量。由于新型气敏材料研究的需要，对相关科研仪器的研究开发有着重要的实际意义。现有的测量仪器存在以下问题：传统旁热式测量对温度仅仅是预估值，但实际测试时，温度值一定会受到当时的实时环境而影响；目前的测量仪器在高阻的测量速度上略有欠缺，难以满足响应恢复特性测试的要求，测试的过程繁琐复杂。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术设计了模糊PID控制使温度更加稳定准确，通过多档分段测量方法实现气敏材料电阻值的快速测量，拥有两种工作模式的测试系统，阶梯升温和恒温两种工作模式，分别应用于材料探求、材料最佳工作温度点和响应恢复特性测试，上位机控制可选择工作模式，有可视化的数据曲线以及数据的存储、导出，从而极大的简化了测试过程中的操作，节省了在气敏材料研究过程中的人力资源，提高了气敏材料研究的效率。本专利技术通过下述技术方案实现：一种新型气敏材料测试系统，包括箱体1、位于箱体1内底部的测试台22、测试及控制系统14及上位机15；箱体1上设置有换气口3(用于更换箱体内气体，)、注气孔4及导线过孔9；测试及控制系统14和上位机15位于箱体1外，测试台22由升降旋钮5、支撑臂6、测试探针7、K型热电偶8、加热片11、微调架12及微调旋钮13组成，微调架12固定在测试台22上，加热片11放置在微调架12上，测试样品10放置在加热片11，微调架12上设置有3个微调旋钮13，分别可微调测试样品10在X-Y-Z方向上的位置；K型热电偶8固定在与测试样品10平行的位置，用于测量测试样品10的温度，测试探针7通过支撑臂6固定安装在测试台22的上方，可通过升降旋钮5调节测试探针7相对于测试台22的高度，加热片11的电源线16、K型热电偶8的数据线及测试探针7的信号线通过箱体1上的导线过孔9与测试及控制系统14相连。进一步地，该气敏测试系统的箱体1内还安装有风扇2，风扇2可由测试及控制系统14或者上位机15控制其开关状态，有助于注气孔4注入的气体更快混合均匀。进一步地，所述的箱体1为有机玻璃箱体，内部空间为正方体结构，容量为39.8～40.2L；所述的测试样品10为片状的、未被封装的气敏材料，如泡沫镍、泡沫铜等多孔骨架材料；所述的加热片11为MCH陶瓷加热片，表面绝缘，直流电源供电，升温速率快，加热温度可达500～550℃；所述的电源线16为陶瓷片电源线。进一步地，所述的测试探针7为黄铜表面镀金材质，由柱形结构的探针头、探针柄、探针柄套及弹簧组成；探针头安装在探针柄的一端，探针柄的另一端伸入到探针柄套内，弹簧安装于探针柄套与探针柄之间，测试探针7为两根，间距为4.9～5.0mm，探针头直径1.1～1.2mm，探针头长度1.7～1.8mm，整个测试探针7的长度为32～33mm，接触电阻45～50mΩ，弹簧压力19～20g，额定电流为3A。进一步地，所述的微调旋钮13的调节精度为0.1mm，调节距离为20mm；所述的升降旋钮5的调节精度为1mm，调节距离为80mm。更进一步地，所述的测试及控制系统14由总控制模块17、功能选择模块18、数据采集模块19、温度控制模块20及电源模块21组成；功能选择模块18通过键盘输入向总控制模块17发送功能选择操作指令；数据采集模块19将测试样品的电阻值转换成数字信号给总控制模块17进行处理；温度控制模块20根据总控制模块17设定的温度值和测量的温度值进行比较，不断调节加热片11的工作电压；电源模块21将外接的220V交流电转换成各个模块所需要的工作电压。测试及控制系统14可对工作模式选择和加热片11的加热温度进行精确控制，K型热电偶8数据线通过箱体1上的导线过孔9与测试及控制系统14的温度控制模块20相连，可实时显示测试样品10由K型热电偶8测量的温度值与由测试探针7测量的电阻值，并可将数据传至上位机15进行显示数据实时曲线和数据保存与分析；所述总控制模块17以嵌入式ARM处理器为核心，该处理器体积小、低功耗、低成本、高性能；支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高。所述功能选择模块18可以选择不同的工作模式，拥有恒温和阶梯式升温两种工作模式，实质上通过模拟开关切换不同的测试电路，该模块可由硬件或软件控制；所述阶梯式升温工作模式用于材料研究初期，探求材料的最佳工作温度，用户自己设定升温梯度和目标温度的持续时间。所述恒温模式用于测试材料的响应恢复特性，其电阻值测量采用分段快速测量方法，根据不同的参比电阻值，测量范围分为1Ω～10kΩ、10Ω～100kΩ、100Ω～1MΩ、1kΩ～10MΩ、10kΩ～100MΩ和100kΩ～1GΩ，该测量范围可涵盖所有灵敏度在10000以下的气敏材料，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型气敏材料测试系统，其特征在于，包括箱体(1)、位于箱体(1)内底部的测试台(22)、测试及控制系统(14)及上位机(15)；箱体(1)上设置有换气口(3)、注气孔(4)及导线过孔(9)；测试及控制系统(14)和上位机(15)位于箱体(1)外，测试台(22)由升降旋钮(5)、支撑臂(6)、测试探针(7)、K型热电偶(8)、加热片(11)、微调架(12)及微调旋钮(13)组成，微调架(12)固定在测试台(22)上，加热片(11)放置在微调架(12)上，测试样品(10)放置在加热片(11)，微调架(12)上设置有3个微调旋钮(13)，分别可微调测试样品(10)在X‑Y‑Z方向上的位置；K型热电偶(8)固定在与测试样品(10)平行的位置，用于测量测试样品(10)的温度，测试探针(7)通过支撑臂(6)固定安装在测试台(22)的上方，可通过升降旋钮(5)调节测试探针(7)相对于测试台(22)的高度，加热片(11)的电源线(16)、K型热电偶(8)的数据线及测试探针(7)的信号线通过箱体(1)上的导线过孔(9)与测试及控制系统(14)相连。

【技术特征摘要】
1.一种新型气敏材料测试系统，其特征在于，包括箱体(1)、位于箱体(1)内底部的测试台(22)、测试及控制系统(14)及上位机(15)；箱体(1)上设置有换气口(3)、注气孔(4)及导线过孔(9)；测试及控制系统(14)和上位机(15)位于箱体(1)外，测试台(22)由升降旋钮(5)、支撑臂(6)、测试探针(7)、K型热电偶(8)、加热片(11)、微调架(12)及微调旋钮(13)组成，微调架(12)固定在测试台(22)上，加热片(11)放置在微调架(12)上，测试样品(10)放置在加热片(11)，微调架(12)上设置有3个微调旋钮(13)，分别可微调测试样品(10)在X-Y-Z方向上的位置；K型热电偶(8)固定在与测试样品(10)平行的位置，用于测量测试样品(10)的温度，测试探针(7)通过支撑臂(6)固定安装在测试台(22)的上方，可通过升降旋钮(5)调节测试探针(7)相对于测试台(22)的高度，加热片(11)的电源线(16)、K型热电偶(8)的数据线及测试探针(7)的信号线通过箱体(1)上的导线过孔(9)与测试及控制系统(14)相连。2.如权利要求1所述的一种新型气敏材料测试系统，其特征在于，所述的箱体(1)内还安装有风扇(2)，风扇(2)可由测试及控制系统(14)或者上位机(15)控制其开关状态。3.如权利要求1所述的一种新型气敏材料测试系统，其特征在于，所述的箱体(1)为有机玻璃箱体，内部空间为正方体结构，容量为39.8～40.2L；所述的测试样品(10)为片状的、未被封装的气敏材料；所述的加热片(11)为MCH陶瓷加热片，表面绝缘，直流电源供电，加热温度可达500～550℃；所述的电源线(16)为陶瓷...

【专利技术属性】
技术研发人员：索辉，冷锡金，孙帮宁，刘国龙，何东，赵纯，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22