声表面波气体探测器控制电路设计与优化*

肖 华，杜晓松，胡 佳，蒋亚东

(电子科技大学光电信息学院，电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都610054)

1 引言

声表面波气体传感器具有灵敏度高、稳定性好、功耗低、易实现小型化与集成化等优点，是目前气体传感器的研究重点。声表面波传感器对外界环境因素的变化相当敏感，温度、气压的微小变化都会造成传感器输出频率值的明显波动，直接影响到传感器探测的准确度。而声表面波探测器中富集器的富集性能则是影响探测器检测极限的主要因素。因而对于声表面波气体探测器来说，稳定的工作温度、恒定的采样气体流量以及具有较高富集效率的富集器是提高探测器探测准确度和灵敏度的关键。

针对声表面波有机磷毒气传感器，设计完成了一套声表面波气体探测器的控制电路，将声表面波气体探测器的温度控制、流程控制、信号检测与信息显示等功能整合起来，并编写了相应的控制程序，通过试验优化探测器的工作参数来达到提高探测器性能的目的。

2 电路设计

基于本小组已有的声表面波传感器驱动电路模块［1］，结合电路在传感器系统中所起的不同作用，本设计将控制电路分为主控单元、信号检测、流程控制与信息交互四个部分，其中主控单元控制其它三个部分工作。控制电路结构如图1所示。

主控单元选择了型号为STC89C54RD+的8051系列单片机，它具有4个8位双向IO端口，三个16位定时/计数器，8个中断源，满足整个系统控制的硬件要求。为了便于灵活实现不同的频率检测方式，本设计使用了单片机自身的定时/计数器来作为定时器而没有使用专门的时钟芯片定时。

在信号检测部分，声表面波传感器电路将传感器信号和参考器件的信号差频以后输出，并将差频后的微弱信号通过放大、整形、波形变换等处理后转换成方波信号，因而可以通过简单的定时/计数器来实现对方波信号的频率检测功能。在检测频率信号时，先使用10分频电路对方波信号处理后再送入含三个独立16位可编程定时/计数器中，通过主控单元控制定时/计数器来进行频率检测。此方案在不影响检测精度的情况下简化了硬件设计，并可以同时完成三路2MHz信号的检测。

图1 控制电路结构图

在传感器的时序控制部分，分为传感器气室恒温控制、富集器控制和微型采样气泵控制。恒温控制是通过嵌入传感器气室中的数字温度传感器检测得到实时温度数据，经过主控单元的采集运算后控制安装在气室上的加热片以150mA的小电流工作来稳定气室中的温度。富集器是通过在室温下较长时间的吸附后快速升温解吸附来瞬时提高待测气体的浓度，解吸时要求富集器升温迅速，所以富集器中加热丝的工作电流为750mA，使用主控单元来控制其工作状态。

信息交互部分采用了型号为JHD1602的单色液晶显示器作为传感器的信息显示器件，另外还设计有高亮度的LED灯和蜂鸣器作为浓度检测结果的示警器件，以及用于控制传感器工作模式的微动按键。

3 测试结果与分析

声表面波气体探测器控制电路不仅可以实现传感器的信号检测与显示、检测结果的示警以及传感器气室温度控制等功能，还可以通过调节控制参数来改变探测器的工作状态，以测试探测器在不同工作条件下的性能差别。测试中主要通过改变微型采样气泵的气流量、富集器的吸附时间和解吸附时间这三个对探测器影响作用明显的参数来测试探测器的检测性能。

试验中使用了北京汇博隆仪器有限公司生产的MT50-4J型动态配气装置，检测对象是甲基磷酸二甲脂(DMMP)，该物质是常用的有机磷毒气的模拟剂。将液态的DMMP通过鼓泡法产生的饱和DMMP蒸汽通过动态配气装置与高纯氮气按照一定比例稀释后得到测试所需浓度。探测器中的声表面波传感器涂覆的敏感薄膜成分为聚甲基-{3-［2-羟基-4，6-二(三氟甲基)］苯基}-丙基硅氧烷［2］，是一种强氢键酸性敏感聚合物材料，对呈氢键碱性的神经毒气及其模拟剂能产生选择性吸附作用。SAW传感器的工作温度设置为35℃，传感器信号由石家庄无线电四厂生产的SS7200通用频率计数器采集，并实时输出和显示在一台微型计算机上。

3.1 富集器吸附时间的影响

富集器工作于“吸附-解吸附”双时间段模式，从其工作原理可以看出:在吸附膜饱和之前，富集器的吸附时间越久，解吸附后气流中敏感气体的浓度也就越高。在低浓度的敏感气体中吸附膜的饱和时间比较长，可以适当延长吸附时间;在高浓度的敏感气体中则需要注意控制吸附时间以避免吸附膜饱和后影响传感器探测结果的准确性。为了研究吸附时间对探测器灵敏度的影响，配制了浓度为13.7ppm的DMMP气体，通过控制电路控制富集器的吸附时间分别为30秒、40秒以及60秒，得到的测试结果如图2所示。SAW传感器给出的峰高分别为87.5kHz、119.2kHz和176.7kHz，以30s吸附时间所产生的解吸峰高作为基准，40s和60s的峰高分别增加了1.36倍和2.02倍，与时间的增加倍数相吻合。

图2 吸附时间对探测器的影响

在60s吸附时间的测试中，探测器的响应值在到达峰谷后开始缓慢回升。产生这种现象的原因是因为在较长吸附时间下，富集器内部的吸附膜已经吸附DMMP气体至饱和状态，多余的DMMP气体未被富集器吸附便直接进入了传感器气室内，造成探测器对DMMP气体产生响应，输出频率值增加。

从峰高比的计算结果中不能直接反应出60s吸附已经达到了饱和，由此，采用了面积比的计算方法。解吸峰下积分面积代表了吸附气体的总量，比单单比较峰高更为准确。计算结果表明，3种吸附时间下解吸峰的面积比为1:1.33:1.76，吸附时间为60s时的解吸峰面积不及30s时的2倍，说明已经饱和。

3.2 富集器解吸附时间的影响

富集器的解吸附时间也是影响富集器富集效率的一个重要因素。解吸附时间也需要选择一个合适的值，过短的解吸时间会造成吸附膜解吸不充分，影响探测器的探测灵敏度，浪费了探测器的性能优势;过长的解吸时间则会使得吸附膜瞬时温升过高而损坏。

通过控制电路来控制富集器的加热时间，所采用的富集器解吸附加热丝电阻只有10欧姆，工作电流达到了0.7A，功率为5W。为了避免损坏吸附膜，本设计选择了1s和2s这两个解吸时间，分别测试了17.1ppm和13.7ppm两种浓度吸附30s后不同的解吸时间对探测器性能的影响。测试结果如图3所示。

图3 解吸附时间对探测器性能的影响

由图3的结果可见，对于17.1ppm和13.7ppm两种浓度的DMMP，1s解吸附时间产生的响应峰峰值分别为108.1kHz和39.3kHz，而2s解吸时间对应的响应峰峰值分别为161.7kHz和86.1kHz，同比分别增加了0.5倍和1.2倍。由此可见1s的解吸时间没有使吸附膜解吸附完全，大大减小了探测器的响应峰峰值。因此解吸附时间对探测器的响应峰峰值有着很大的影响，合适的解吸附时间是完全发挥富集器富集性能以提高探测器灵敏度非常关键的一个因素。

3.3 气体流量的影响

在加入预富集装置后，通入声表面波传感器的气流主要由微型采样气泵的抽气速率决定。微样气泵的抽气速率可以在一定范围内通过改变气泵的供电电压来调节。但在同样的工作电压下，微样气泵的抽气速率根据阻尼的不同而不同。因此，在测试前使用质量流量计对整个探测器气路系统在工作条件下进行流速测试，以确定微型气泵工作时的准确流速。针对17.1ppm的DMMP气体，通过调节采样气泵的工作电压测试了气泵流速分别为155ccm/min、140ccm/min和110ccm/min时传感器的响应值，其中对应的气泵工作电压分别为 +5.0V、+4.0V、+2.9V。测试结果如图4所示。

通过计算可以得到在三种不同气泵流速下探测器的平均响应峰峰值分别为103.8kHz、85.0kHz、59.2kHz。由测试结果明显可以看出:随着采样气泵流速的降低，探测器的响应峰峰值也随之减小，而响应的基线值却有略微的增加。

在探测器中，不仅声表面波传感器会吸附敏感气体，气流管道壁上也会产生吸附现象。在气流较小的情况下，气流管道壁吸附的气体较多，造成到达传感器的敏感气体浓度降低，传感器的响应峰峰值减小。而吸附在管道壁上的敏感气体会由于缓慢解吸而延长传感器的解吸时间，影响响应峰值的尖锐程度。更主要的原因是气室结构的不合理，如图5所示，作为参比通道的声表面波器件并未与气流管道相通［3］，使得即使采用差频结构的声表面波气体传感器也不能抵消气流变化产生的影响，导致在不同气体流速下探测器的响应基线值发生变化。在下一步工作中需要改进气室结构，将参比与测量传感器在气路中贯通。

图5 声表面波传感器气室结构

4 结束语

针对探测有机磷毒气的声表面波气体探测器，设计了一套控制电路并且编写了相应的控制程序，实现了声表面波气体探测器的信号检测、温度控制、预富集装置控制、信息显示与探测结果示警等功能。通过该控制电路，可以对微型采样气泵的气体流速、富集器装置的吸附时间与解吸附时间进行控制。通过调整电路的控制参数分别测试了不同的气体流速、富集器的吸附时间与解吸附时间对声表面波气体探测器探测性能的影响，分析了造成影响的原因，为提高声表面波气体探测器的探测灵敏度提供了试验依据。

［1］ 左大伟，杜晓松，谢光忠，等.用于气体检测的声表面波振荡电路设计［J］.微处理机，2010(4):5-7.

［2］ Du Xiaosong，Wang Zhidong，Huang Jia，et al.A new polysiloxane coating on QCM sensor for DMMP vapor detection［J］.J Mater Sci，2009，44:5872-5876.

［3］ Grate J W，Rose-Pehrsson S L，Venezky D L，et al.Smart sensor system for trace organophosphorus and organosulfur vapor detection employing a temperature-controlled array of surface acoustic wave sensors，automated sample preconcentration，and pattern recognition［J］.Anal Chem，1993，65:1868-1881.