CN102539925A - 传感器高精度动态测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种传感器高精度动态测试方法，通过数值处理器控制测试电压源，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；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，并通过衰减式反馈网络获得大阻值标准精密电阻；采取极性处理模块解决零点漂移问题，从而实现传感器的大范围动态高精度测量。
Description
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＝UcRL/URL-RL(式中RL是基准电阻，Uc是测试电压源，URL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VRL2/VRL1＝(m+1)/2，只有在m＝1时，电压比值VRL2/VRL1＝1＝m，若在m＝100则电压比值VRL2/VRL1＝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。
发明内容
鉴于上述，本发明的传感器高精度动态测试方法可精确计算出传感器的电阻和灵敏度等指标。
本发明的传感器高精度动态测试方法，是这样实现的，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，本发明的一种传感器高精度动态测试方法，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：
本发明通过所述测量电路，尤其是其反馈网络彻底解决高阻值标准精密电阻问题，可以测量千兆欧以上的纳米传感器电阻值，并且得到的测量结果就是传感器的真实电阻值和灵敏度值；通过设置和自动切换不同反馈网络(档位)的电路和方法解决传感器反应过程中阻值大范围动态变化时测量精度问题；通过将传感器接入反向运算放大器输入端的方式和测试电压控制方法解决加在传感器上的测试电压源不确定性问题和不能随意设置的问题，该电压值可以在用户需要的任意宽范围内设定；通过极性处理模块和极性处理方法解决电路的零点及其动态漂移问题，从而大幅度提高测量准确度。
本发明给出了一种完全区别于传统传感器测量的可行的新电路方式和新测量方法，能够很好地适合于现代新型纳米传感器的特点以及各类其它传感器的特点，全部测量和操作可由电脑或单片电脑自动控制，全面解决传统传感器测量中测量范围窄、测量精度差问题、大阻值精密电阻难以生产等难题，规避了传统测量方法中诸如测量电压不确定性、动态精度差、将分压比错误地视为灵敏度等业界普遍存在的问题，从而引导传感器的研究朝正确方向发展。
附图说明
图1是本发明的一种传感器高精度动态测试方法的基本电路原理图。
图2是本发明的一种传感器高精度动态测试方法软件流程图。
图3是传统传感器的分压式测量原理电路图。
具体实施方式
图1是本发明的一种传感器高精度动态测试方法的一种基本电路原理图的应用方式。该电路原理图中包括由电源模块M01、键盘模块M02、显示模块M03组成，还包括
(1)测试电压源M6，作为测试传感器电阻的输入信号电压，直接或间接连接到数值处理器M5的输出口线以进行电压控制，亦可通过单片机改变电压值；它是由所述数值处理器M5的口线(固定电压)及驱动电路组成，或者是D/A转换器及驱动电路组成，或者是PWM脉宽解调及驱动电路组成；
(2)运算放大器U1，作为测量放大器，与下述的待测传感器电阻Rs和反馈网络组成放大器，用以产生含有传感器电阻Rs的电阻信息的测量电压VAD1；
(3)待测传感器电阻Rs：连接在所述测试电压源M6与该运算放大器U1负输入端之间；通过以上由运算放大器U1组成的反馈放大器的特点可知，测试电压源M6的测试电压完全加在待测传感器电阻Rs上，这样就使得待测传感器电阻Rs上所加的测试电压是确定的；
(4)连接在该运算放大器U1正、负输入端之间的反馈网络，该反馈网络由至少2个反馈单元并联组成，其中一个反馈单元M1由电控开关SW1与衰减式反馈网络M8串联组成，其典型的结构是包含与所述电控开关串联的电阻R11和与该电阻R11串联的电阻R12，且还包含另一个电阻R13，其一端接地，其另一端接在该电阻R11和R12的串接节点，通过计算，这样的衰减式反馈网络的等效反馈电阻Rf＝R11+R12+R11*R12/R13，该式表明，通过精密的小阻值的R13和较大阻值的R12、R13即可获得精密的极大阻值等效反馈电阻Rf，以利于精密测量高阻值的传感器；另一个反馈单元M2则由电控开关SW2与至少含一个电阻R2组成的反馈网络串联组成，也就是说，这个反馈网络既可能是一个电阻R2，也可能与上述衰减式反馈网络结构相同；所述每一个电控开关直接连接到(即直接连接到电控开关的控制端)或间接连接到(即通过驱动电路连接到电控开关的控制端)数值处理器M5的口线以实现档位控制；所述衰减式反馈网络M8是指将所述运算放大器U1的反馈信号进行衰减的网络；
(5)极性处理模块M3，其输入端连接在该运算放大器U1输出端，它是一倒相电路或者一绝对值电路加上一极性检测电路，以完成对测量得到的信号电压的极性转换和极性识别；
(6)模拟输入端连接在该运算放大器U1输出端和极性处理模块M3输出端的A/D转换器M4，用于将结果该极性处理模块M3后的输出信号电压转换为数字量；
(7)连接在该A/D转换器M4数据输出接口的数值处理器M5，该数值处理器可以是数值处理器(M5)是单片机，或者微处理器系统，或者计算机系统，或者由单片机与计算机系统，而对于单片机方案，所述A/D转换器通常被集成在该单片机内；数值处理器M5对上述的各种控制产生信号，并以所转换的数字量和测试电压源M6及测量电路的参数计算传感器的电阻值Rs。根据这些有符号的测量数据和测试电压数据即可计算出待测传感器的电阻值和反应前后的电阻值之比(即灵敏度)；
所述电源模块M01用于为本测量电路提供电源，所述显示模块M03用于显示测量结果，所述键盘模块M02用于输入测量参数和控制测量。
本发明的一种传感器高精度动态测试方法，在以上基本电路原理图的基础上，是这样实现的：
该方法是由软件实现的，图2是本发明的一种传感器高精度动态测试方法软件的流程图，是这样实现的：
(1)测量初始化软件：将以下部分软件中必要的参数和变量进行初始化；
(2)测试电压控制软件：控制加在传感器电阻上的测试电压VT；
(3)A/D转换软件：通过所述测试电压控制软件输入测试电压(VT)后对含有传感器的电阻信息的测量电路输出电压进行A/D转换，以获得含有所述电阻信息的数字量；
(4)极性处理软件：用以判断所述A/D转换软件所获得的数字量的符号，获得有符号数字量；所述极性处理软件的是通过方式一或方式二进行的，其中
方式一是通过所述A/D转换软件对测量电路互为反相的两路输出电压所获得的数字量进行分析，所述A/D转换器对负电压信号采集的数字量总是为0或近似为零，而另一路所采集的数字量则总是等于或高于该路的数字量，这样就可获得有效的数字量和符号；
方式二是通过所述A/D转换软件对测量电路所输出电压的绝对值进行采集，通过极性检测电路来判断符号；
(5)档位自动控制软件：通过分析所述有符号数字量是否超过上限和下限来判断是否需要向更合理的方向调整测量档位；其实现方法是，预设一个档位，通过所述测试电压控制软件输入测试信号(VT)后，按照以下方法分析所取得的有符号数字量，即该值落入预定的上限与预定的下限之间时，档位合适，保留当前档位；否则，在低于该下限时切换档位到一个高反馈电阻值的档位，在高于该上限时切换档位到一个低反馈电阻值的档位；在档位变化时按照新设档位重新进行一次测量并按上述方法判断处理，直到档位合适；
(6)零点自动校准软件：通过测试电压控制软件使输入测试电压(VT)为零时，通过所述A/D转换软件获得的有符号数字量作为零点，在加输入测试信号电压(VT)时获得的有符号数字量去掉该零点，以获得已校零数据；
(7)传感器电阻计算软件：按照下列方法计算，即传感器电阻等于常数乘以所述测试信号电压(VT)乘以对应于合适档位的等效反馈电阻值再除以所述已校零数据，该常数反映测量电路的固有参数特性。
Claims (4)
1.一种传感器高精度动态测试方法，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。
2.根据权利要求1所述的一种传感器高精度动态测试方法，其特征在于：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。
3.根据权利要求1所述的一种传感器高精度动态测试方法，其特征在于：还包括
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。
4.根据权利要求2或3所述的一种传感器高精度动态测试方法，其特征在于：还包括权利要求3或2所限定的特征。
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