基于虚拟仪器技术的电化学气体传感器特性测试系统的设计与研究

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1、太原理工大学硕二卜彬}究生学位论文性。静态特一I_,-Lf”1是指传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系，一般要求传感器在静态情况下的输出与输入之间能保持线性，这样给后续的计算会带来较大便利。传感器的静态特性主要有如下指标：温度漂移、流量的影响、线性相关度、零点漂移、信号重现性和选择性。动态特性是传感器对随时间变化的输入量的响应特性。动态特性表征了传感器对变化信号的响应能力，对于某些场合，如监测极度危害气体的传感器，动态特性甚至比静态特性更重要，为了避免发生严重事故，要求

2、传感器在最短的时间内做出响应以便采取有效措施进行处理。为了提升其动态性能，部分传感器采用了微分电路等特殊手段。动态特性的指标通常是响应时间。下面详细介绍气体传感器的特性。1)温度漂移当传感器自身的温度改变时，传感器输出信号随温度变化的现象称为温度漂移。一般只能通过实验确定，下面的两组数据充分说明了这一点。中科院大连物理所研究了一种传感器，温度低时(0。C附近)其温度系数较小，温度高时(40。C附近)温度系数较大，表明其极限扩散电流随温度歹l高而增大。在O～40℃的范围内，传感器的平均温度系数为0

3、．34uA／℃。而东北遥感技术研究所研究同类犟传感器的结果却显示，在一定的测量条件下，测量100ppm的标准气体，传感器的温度系数是负值。2)流量对传感器输出的影响进入传感器的被测气体的量，除了与传感器的制造工艺有关外，也与被测气体的扩散压力差有关。气流通过传感器透气膜表面时压力越大，进入传感器的被测气体分予就越多；当传感器安装到位后，透气膜表面压力与流量正相关，流量的变化会明显改变传感器的输出信号。最好的修正方法就是选定一个合适的流量，然后尽量保持其稳定。3)线性相关性线性相关性是表示气体实际

4、浓度与输出信号间线性关系的指标，通常都通过传感器自身或辅助电路的设计，使两者成线性相关，这样可以通过简单的一元一次方程来描述两者的关系，在必要的时候也可以做出某些预测或计算。通常运用统计学方法来精确衡量两者的吻合程度，并借助这个指标来比较各种不同传感器的线性关系。测试中常用相关系数来表示拟合得到的公式与实际测量值的偏差情况，相关系数为1，表示拟合得到的公式完全反映了所有测量点的实际情况，相关系数为O，则表示拟合公式与测量的数2太原理工大学硕士研究生学位论文据在统计学上毫无关联。4)零点漂移一般而

5、言任何电子仪器设备都有基线输出，即输入为零时，输出不为零，这是由仪器自身结构及原理决定的，无法完全消除，一般在使用中通过一定的辅助电路将显示值调节到零，作为仪器的零点。对于某些类型的仪器，通过严格控制某些影响因素，基线输出可以保持较长时间的稳定，而部分气体传感器的基线输出则比较难以保持长时间的稳定，它会随机的、明显的波动，改变的幅度对最终输出的影响不能忽略。这种基线随机波动的现象就是零点漂移，它是衡量传感器性能是否稳定的一个基本指标，同时零点漂移现象也是传感器用于气体监测的一个最大障碍。零点漂移

6、是完全随机的，无法预测向正方向或是负方向发生，也永远不会停止，此外温度的变化也会影响这种漂移，当传感器应用于24小时的连续监测时，温差通常在5～IO。C，由此造成的影响不能随意忽略，即使在电路中存在补偿网路，对减少温度的扰动、修正零点漂移作用也十分微小。为了保证长期测量的准确性，需要经常校正传感器的零点漂移。5)输出信号重现性信号重现性是指在同一丁作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变动多次所得到的响应曲线的不一致性。重现性反映的是系统误差和偶然误差的大小，当传感器连续工作时，透气膜、电

7、极、电解液等不可避免的要发生微小的变化，从而导致输入相同时输出不一致的情况，这是系统误差；而压力的波动、气流局部运动对扩散的影响等属于偶然误差。重现性决定了不同时间得到的数据是否具有可比性。要表征重现性的优劣，既可阻用统计学的方法，也可以直接列出实验数据进行比较。6)气体选择性选择性反应了传感器对其他气体的抗干扰能力，通常用选择性系数表示传感器选择性的优劣。将相同浓度的待测气体和干扰气体分别通入传感器，测量两种情况下传感器的输出，将两个数值的比称之为选择性系数，数值越大说明传感器对该干扰气体的抵

8、抗能力越强。如为测量烟道气体设计的二氧化硫传感器，由于同时有碳氧化物、氮氧化物等进入传感器，因此选择性的好坏直接关系到测量结果是否可信。在定电位电解气体传感器的实际使用中通常采用两种方法提高选择性：①选择适宜的恒定电位；②选择适宜的催化剂，使其他气体的反应被抑制。7)H向应时间3太原理工大学硕士研究生学位论文响应时I刈是指传感器的输出从，F始变化剑达到稳定输出90％的时I’日J，是传感器最重要的动态特性。响应时间小的传感器能更好的反映瞬时值，对极度危险的场合能更迅速的做出反应，控制事故的发展。1