氣敏傳感器在信號采集中的應用

　　人的嗅覺系統的性能是相當出色的。過去幾十年人們對嗅覺過程的認識迅速增加，但是目前的成果還少于人們的期望值。利用氣體在電極上的氧化-還原反應研制的第一個氣敏傳感器是由Wikens和Hatman在1964年報道的。Buck等人利用氣體調制電導和Dravieks等人利用氣體調制電位研制的氣敏傳感器在1965年也做了報道，1982年英國 Warwick大學的Persaud 等人提出了利用氣敏傳感器模擬動物嗅覺系統的結構。氣敏傳感器是一種對于某種氣體敏感的化學傳感器，它能隨著外部氣體的濃度或者氣體的種類的不同而改變敏感膜的電阻。現在的氣體檢測中使用的是氣敏傳感器繪圖儀對傳感器的電壓信號直接繪制，由于繪圖儀的動態跟隨性差、反應速度慢、缺乏靈活性、測量精度低等缺點，難以畫出高頻率高精度的氣敏傳感器的時間電壓曲線。對于氣敏傳感器的動態測試，繪圖儀根本無法達到要求。本文根據氣敏傳感器的性質研究開發了利用RS232與計算機建立連接的氣敏傳感器信號采集，以此提高氣敏傳感器信號采集的精度和試驗的人工效率。

　　2 氣敏傳感器工作原理及其控制任務

　　2.1 氣敏傳感器工作原理

　　從材料上分，最常用的氣敏傳感器有金屬氧化物，高分子聚合物材料，壓電材料，膠體敏感膜等；從用途上分有廣普型和專一型。根據試驗需要選擇氣敏傳感器，本測量系統能夠適用于所有氣敏傳感器。

　　氣敏傳感器的兩個關鍵部分是加熱電阻和氣體敏感膜。加熱電阻改變傳感器的工作溫度， 使其工作在氣體敏感的工作溫度，由于外部氣體的變化從而使得氣敏傳感器的敏感材料的電阻發生變化，金電極連接氣敏材料的兩端，使得它成為一個阻值隨外部氣體變化的電阻。

　　氣敏傳感器的結構與測試原理如圖1所示。

　　2.2 控制任務

　　根據氣敏傳感器的特性設計采集任務，傳感器的溫度要求在250℃左右（或更高），在此溫度下氣體表現出很高的靈敏度 ［2］。鑒于傳感器氣敏阻值的不確定性，取樣電阻的阻值應與氣敏電阻（氣敏材料的阻值變化在15倍以內）的阻值相匹配。取樣電阻和加熱電壓是由計算機控制，加熱電阻 Ro的功率要求在0.3~1.5W之間，R o的值在30W左右，所以可知Ro的電壓值在1~7V之間。加熱電阻的溫度與加熱電壓的大小近似成線性關系，通過加大電壓來提高溫度，以選擇一個適合于氣體測試的溫度（通常選用5V的加熱電壓），如果是動態測量則是使加熱電壓為一個矩形波，占空比可以由軟件設定。

　　取樣電阻要求為一個離散值，它們可為1k， 2k，5k，10k。就氣敏傳感器自身特性而言，它可分為幾個檔次，其氣敏膜的電阻是不恒定的。文中以氣敏膜電阻值在空氣中為10kW到有待測氣體中其阻值變化到1kW為標準介紹此系統的設計，其中測試電壓為一個固定值，它的精度影響到信號電壓。在實際試驗中選定測試電壓值為5V，要求測得測試信號的值（電壓）由獲取的采樣信號可以在計算機內快速地計算出所需要測量的氣敏傳感器電阻（一般而言只需要直接看電壓的變化值），從而描繪出氣敏傳感器的阻值隨外界氣體變化的波形圖。

　　3氣敏傳感器信號采樣與控制電路

　　通過計算機來控制測試裝置能使得整個測試過程變得更簡單和更精確。

　　3.1 采樣周期的確定

　　采樣周期Ts決定了采樣信號的質量和數量： Ts太小，會使采樣信號xs （nTs）的數量劇增，占有大量的內存單元； Ts太大，會使采樣點之間相距太遠，模擬信號的某些信息丟失，會使采樣后的信號恢復為原來的信號時產生信號失真。因此，選擇合適地采樣保持器直接關系到信號的真實性，當連續信號下X（t）的頻譜X（f ）為有限頻譜且Ts《=1/2f c，（fc為采樣周期內的最高頻率），信號可以無失真的采集。氣敏傳感器在動態測量下， fc約為500Hz，Ts應取1ms可滿足要求。

　　3.2 芯片的選擇

　　為了克服由于氣敏傳感器在制造中其阻值 Rs不固定的特點，采樣前，采樣電阻的值應根據氣敏傳感器的值來調節，以確保得到的信號在測量范圍之內。同時考慮信號的值與采集電壓相匹配，信號電壓若低于采樣電壓太大則影響測量的精度。測試電壓V c為5V，ADC采用12位相對分辨率0.0244%（1LSB），ADC的分辨率為1.22mV（1LSB）。

　　Vout=［Vc/（R c+Rs）］×Rc

　　根據氣敏傳感器選擇為10k到1k檔而選擇 Rc為5k的取樣電阻，可得到信號電壓V out的值在1.666～4.166V。

　　使用模數轉換芯片實現氣敏傳感器信號的采集，選取以下芯片制作單片機控制電路。

　　（1） ADC：外部的測試信號是模擬量，先進行模/數轉化。選取ADC1678芯片，它的分辨率是12位，轉換時間是5ms，轉換誤差小于1LSB，輸出電平為TTL電平，不需要外部時鐘和基準電壓，工作電壓為＋5V或±12V。它的最大的優點是自帶有采樣保持器；

　　（2）多路模擬開關：選擇所需的取樣電阻。 AD7502芯片采用16腳雙列直插封式封裝，是一種雙4通道多路開關芯片，依據二位二進制地址線 A0、A1及選通斷（EN）的狀態來選擇8路輸入的兩路，分別與兩個輸出端相接通；

　　（3） 單片機：集成了1個8位中央處理器；4kB的只讀存儲器；128的讀寫存儲器；32條I/O口線; 2個定時器/事件計數器；1個具有5個中斷器、4個優先級的嵌套中斷結構；用于多處理器通信、I /O拓展或全雙工UART（通用異步接受發送器）的串行I/O口以及一個內振蕩器和時鐘電路。單片機控制著測試電路的各個部分，建立計算機與單片機的聯系就可實現計算機對外部的控制。