基于LabVIEW的濕敏元件性能測試分析系統(tǒng)

摘要：為了克服傳統(tǒng)的傳感器特性測試儀功能單一、專用性強的缺點，利用GPIB卡組建由ZL5型智能LCR測試儀與計算機構(gòu)成的濕敏元件性能測試系統(tǒng)，并基于LabVIEW開發(fā)出系統(tǒng)控制軟件。根據(jù)存儲文件方式的不同，采用不同的圖形分析方法。通過將其應(yīng)用于氧化鈦基薄膜的濕敏特性研究實驗，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠方便、直觀地分析濕敏元件的性能。
關(guān)鍵詞：濕敏元件；LabVIEW；電阻特性；復(fù)阻抗

0 引言
    濕敏元件用于局部環(huán)境的濕度監(jiān)測與自動控制，近年來隨著新材料(如稀土摻雜)的出現(xiàn)及納米級元件的制作，人們對其電學(xué)特性、感濕機理及其等效電路的研究日益增多。在濕敏元件性能的測試工作中，傳統(tǒng)的人工測試依然占據(jù)著主導(dǎo)地位，這種手動測試方法因為其測試精度差、測試速度慢、數(shù)據(jù)處理過程復(fù)雜、繁瑣等缺點，不利于濕敏元件的分析與改進。通過GPIB接口卡將程控設(shè)備與計算機連接起來，基于虛擬儀器技術(shù)組建多功能的濕度傳感器自動測試系統(tǒng)。由于采用了虛擬儀器技術(shù)，用戶可以在計算機的虛擬面板上進行所有操作，具有使用方便、功能強及性能可擴展等優(yōu)點，與傳統(tǒng)儀器相比在數(shù)據(jù)處理、人機交換等方面顯示出巨大的優(yōu)勢，能夠?qū)衩粼阅軈?shù)做出快速準確的測試與分析。

1 系統(tǒng)基本原理與框架設(shè)計
    由GPIB接口卡連接ZL5型智能LCR測試儀與計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括計算機、測量電路、接口總線和濕敏元件等幾部分。其構(gòu)成特點是自動測試系統(tǒng)各組成部分均配有標準化的接口功能電路，并都與統(tǒng)一的總線相連。計算機(系統(tǒng)的中央控制器)控制對濕敏元件進行測量的全過程，測量電路主要完成中央控制器與濕敏元件的聯(lián)系、傳遞信息或A／D、D／A轉(zhuǎn)換等。由此，使得由一臺計算機實現(xiàn)對若干不同的測試任務(wù)進行控制成為可能。通信與數(shù)據(jù)采集是實現(xiàn)濕度傳感器自動測試系統(tǒng)的重要組成部分，它包括系統(tǒng)總線初始化模塊、測試儀參數(shù)設(shè)置模塊和數(shù)據(jù)采集模塊?？偩€初始化模塊包括設(shè)備地址、控制器、電橋等串口參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置模塊用于設(shè)置LCR測量儀的測試速率、測量方式、等效電路、測試頻率、測量參數(shù)、延時、觸發(fā)模式等參數(shù)。數(shù)據(jù)采集模塊用于將LCR測量儀測量到的數(shù)據(jù)通過GPIB總線傳輸?shù)接嬎銠C，并存儲到臨時數(shù)據(jù)庫中。

2 圖形分析程序設(shè)計
    基于圖形化編程環(huán)境LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)軟件程序，進行儀器控制和數(shù)據(jù)采集；采集濕度濕敏元件的電學(xué)參數(shù)，并對采集的數(shù)據(jù)進行分析與處理。采用模塊化設(shè)計方法，設(shè)計了濕敏特性模塊、復(fù)阻抗特模塊、電容特性模塊等?？梢苑奖愕乩L制出電阻、電容、阻抗與濕度、頻率的關(guān)系曲線，以及復(fù)阻抗特性曲線；進而進一步分析濕敏元件的性能及其感濕機理。LabVIEW 用一個圖形編輯器來產(chǎn)生最優(yōu)化編輯代碼，利用應(yīng)用程序生成器，用戶能夠產(chǎn)生虛擬儀器，就象執(zhí)行獨立的可執(zhí)行程序一樣。根據(jù)存儲文件的不同，對數(shù)據(jù)的圖形分析，分為以下兩種方法：對實時數(shù)據(jù)存儲為測量文件的數(shù)據(jù)分析和用Excel存儲的數(shù)據(jù)分析。下面程序設(shè)計可根據(jù)測試頻率和濕度條件分別繪出電阻、復(fù)阻抗與頻率和濕度的關(guān)系特性曲線。
    (1)對實時數(shù)據(jù)存儲為測量文件的數(shù)據(jù)分析
    對濕敏元件性能參數(shù)進行實時采集，測量文件存儲的是實時數(shù)據(jù)。測試條件以數(shù)組形式輸入，并以動態(tài)數(shù)據(jù)送入xy圖，根據(jù)xy圖屬性設(shè)置，可以設(shè)置橫縱坐標以及外觀顏色字體。如圖1、圖2所示。

    (2)對用Excel存儲的數(shù)據(jù)分析
    利用Excel存儲的數(shù)據(jù)，可以將測試條件也一起存入，利于后續(xù)分析及使用。因此，對Excel讀取數(shù)據(jù)時，可以根據(jù)Excel按列或者行存儲的信息分別讀取，然后再送入xy圖繪圖，xy代表的坐標信息同樣在屬性設(shè)置中修改。如圖3所示。

 
3 性能測試與分析
    實驗以上海儀器儀表研究所生產(chǎn)的ZL5型智能LCR測量儀為測試平臺，采用Aglient公司生產(chǎn)的82350AGPB接口卡將儀器的GPIB通道與計算機PCI接口連接，構(gòu)成測試系統(tǒng)的硬件部分。標準的GPIB接口可使LCR測量儀響應(yīng)其他設(shè)備的遠程控制命令，工作于自動測試系統(tǒng)中。實驗采用溶膠-凝膠法制備得到TiO2復(fù)合溶膠，利用提拉法在印有梳狀銀電極的石英玻璃基板上鍍膜，在500℃下煅燒1h，制得濕敏元件。系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)并存儲為Excel方式，如圖5所。
3．1 電阻特性的測試
    數(shù)據(jù)以Excel方式存儲，采用圖4方式讀取Excel數(shù)據(jù)的程序設(shè)計，得到不同濕度下的電阻特性，見圖6。同一濕度下，在低頻范圍電阻值迅速減小，當頻率增大到一定值時，電阻值緩慢減小。相同頻率，低濕度時，阻值較大；濕度值在75％，95％時，阻值較小；即阻值隨濕度的增加而減小，具有感濕特性。
3．2 復(fù)阻抗特性
    用材料的復(fù)阻抗特性畫出材料導(dǎo)電的等效電路，進而分析材料的導(dǎo)電機理，是研究濕敏材料導(dǎo)電機理普遍采用的方法。

    圖7中給出燒結(jié)溫度500 ℃濕敏元件在不同相對濕度下的復(fù)阻抗圖(測試電壓為1V)，橫軸和縱軸分別為復(fù)阻抗的實部Re(z)和虛部Im(Z)，頻率范圍為10Hz～100kHz。
    圖7中，當相對濕度較高時，復(fù)阻抗曲線近似為一個小半圓。電介質(zhì)理論中，這種復(fù)阻抗的半圓可以等效為一個電阻和電容并聯(lián)的等效電路，電阻可以表示濕敏材料導(dǎo)電載流子導(dǎo)電即材料顆粒和顆粒間界面載流子導(dǎo)電。
    電容可以表示材料的極化粒子導(dǎo)電，即顆粒界面空間電荷極化以及吸附水分子極化電荷導(dǎo)電。隨著濕度的增加，半圓逐漸減小(通過橫縱坐標的尺度可以看出)，這是因為低濕時水分子濃度較低，在材料表面呈單分子吸附，不能形成連續(xù)水膜，需要依靠氧化鈦半導(dǎo)體材料自身導(dǎo)電，因此材料自身的阻抗是總阻抗的主要部分，隨著濕度增大，吸附水的電離導(dǎo)電逐漸增強，吸附的水電離出更多地H+和OH-，使得電極處的空間電荷極化作用也逐漸增強，電阻降低，使半圓的半徑變小。

4 結(jié)語
    在LabVIEW 8．2開發(fā)環(huán)境下，基于模塊化設(shè)計方法實現(xiàn)了濕敏元件性能參數(shù)的自動測試與分析，該系統(tǒng)利用了計算機系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)處理和顯示能力，省去許多手工操作，解決了限制濕度傳感器發(fā)展的測試困難問題。通過應(yīng)用于氧化鈦基濕敏元件特性研究的實驗中，結(jié)果證明，系統(tǒng)可以高效率的對濕敏元件性能參數(shù)做出快速測試與準確的分析，使用方便且性能可擴展。