催化传感元件动态配对方法的研究.pdf

第3 4 卷第1 期 2 0 0 5 年1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 4N o ．1 J a n ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 1 0 0 3 0 0 3 催化传感元件动态配对方法的研究 童敏明，黄凯 中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要为了提高催化传感器的零．a , ．t g g ．性，本文提出了一种与传统静态参数配对工艺完全不同 的动态配对方法，利用现代数学中的聚类分析计算方法，使每个催化传感元件与其特性相近的补 偿元件进行了配对，改善了补偿效果，催化传感器的零点漂移减小了一半左右． 关键词催化传感器；配对工艺；零点稳定性 中图分类号T P7 6 文献标识码A R e s e a r c ho nT e c h n i q u eo fD y n a m i cM a r c ho ft h eC a t a l y t i cE l e m e n t s T O N GM i n m i n g ，H U A N GK a i S c h o o lo fI n f o r m a t i o na n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆，T e c h n o l o g y ， X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t T oi m p r o v et h ez e r os t a b i l i t yo ft h ec a t a l y t i cs e n s o r ，an e wm a r c h i n gt e c h n i q u eo n d y n a m i cp a r a m e t e r sd i f f e r e n tf r o mc o n v e n t i o n a ls t a t i cp a r a m e t e r sw a sp r o p o s e d ．B yt h ec l u s t e r i n g a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n ，e a c hc a t a l y t i ce l e m e n tc a nb em a r c h e dt ot h ec o m p e n s a t i n ge l e m e n tw i t h s i m i l a rp r o p e r t y ，a n dt h ec o m p e n s a t i n gp e r f o r m a n c ei si m p r o v e d ．E x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h en e wm a r c h i n gt e c h n i q u ec a nr e d u c es e n s o r ’Sz e r od r i f tt w ot i m e s ． K e yw o r d s c a t a l y t i cs e n s o r ；m a r c h i n gt e c h n i q u e ；z e r os t a b i l i t y 催化传感器是煤矿瓦斯及其它行业可燃易爆 气体检测的主要传感器．催化传感器是由催化传感 元件和补偿元件共同构成的整体，如果2 种元件物 理结构的一致性好，就有较满意的补偿效果[ 1 ‘4 ] ，不 仅环境温度对测值的影响小，而且长时间工作中零 点漂移也小．相反，如果2 种元件的一致性较差，补 偿元件不能对催化传感元件的变化进行较好的补 偿，不仅环境温度的变化会产生较大的温度漂移， 而且在长时间的工作条件下，会使输出产生较大的 零点漂移，引起较大的测值误差[ 5 ] ．因此，在催化传 感器的制作工艺中，筛选配对工艺是一道非常关键 的工序，它对保证传感器的稳定性指标是非常重要 的． 目前催化传感器的配对工艺通常对催化传感 元件和补偿元件的静态参数进行比较．但是根据对 催化传感器的实验分析，发现许多静态参数相近的 元件组成的传感器的零点稳定性并不一定好．在大 量的实验中还发现，催化传感器施加额定工作电压 后往往需要经过一段预热时间后才能输出稳定，而 预热时间越短的传感器，其零点稳定性越好．这些 现象说明催化传感元件和补偿元件的动态参数的 一致性对传感器的稳定性有关键的作用．因此，如 果根据催化传感元件和补偿元件动态参数的一致 性来进行配对处理，可以获得稳定性较好的传感器． 1动态参数的获取及预处理 根据催化传感器检测原理，催化元件和补偿元 件一般是在相同的电流下工作的，因此在设计动态 取样实验电路时，采用电流供电． 催化传感元件和补偿元件参数的一致性，主要 指其阻值变化参数的一致性，而阻值参数的变化， 在相同电流供电条件下可以通过电压值反映，当流 收稿日期2 0 0 4 0 3 ～3 0 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 3 7 4 0 6 7 作者简介童敏明 1 9 5 6 一 ，男，浙江省龙游县人，教授，博士生导师，从事传感器检测技术方面的研究 万方数据 第1 期童敏明等催化传感元件动态配对方法的研究 3 1 过催化传感元件和补偿元件的电流变化时，其元件 的温度、阻值和电压也发生相应的变化，因此，对催 化元件和补偿元件施加变化的工作电流，便可通过 电压采样获得反映元件阻值变化的动态参数陆川． 试验电路如图1 所示． K 1 K 2 图1 催化传感器元件动态配对试验电路 F i g ．1 C i r c u i tf o rt h ed y n a m i cm a r c ho fc a t a l y t i ce l e m e n t s 催化传感器的动态配对电路由三端可调稳压 集成电路L M 3 1 7 和电阻R 。，R 。，R 。构成恒流源，流 过配对元件的电流为，一1 ．2 5 ／R ，其中R R ， R 尺。，通过模拟电子开关K 。和K 。的控制，可以控制 电阻R 的大小，从而改变流过配对元件的电流，取 样电压U 。从配对元件r 上取出． 动态参数的取样过程是首先在合上电源的同 时控制开关K 。闭合，K 。打开，使流过配对元件r 的电流为额定工作电流，。，预热5m i n 后，记录初 始电压值己，。，再将K 。打开，使得流过配对元件的 电流减小额定电流的1 0 ％，此时元件电压会逐渐 减小，这时进行定时取样【，一，，u 一。，【，一。，⋯，取样 完毕后将K 。重新闭合，使电流恢复额定值，稳定2 m i n 后，将K 。闭合，使流过配对元件的电流增大额 定电流的1 0 ％，元件电压逐渐增大，定时进行取样 u 十，，u 。，【， 。，⋯，元件参数取样结束，然后对取样 参数进行处理分析，将其动态参数最接近的元件进 行配对． 在催化传感元件的动态配对参数取样中，从测 试理论上讲，观测参数越多，越能反映被测对象的 本质．但传感元件的参数不是随机变量，是有一定 规律的，取样一定量的参数可以反映其特性．所以 根据实验电路A ／D 转换器的转换速率要求，按 3 0 0m s 时间间隔进行取样，取样至参数变化基本 稳定为止，这样，一般可取6 个参数 包括初始值 ． 即对每一个元件，在施加的电流变化情况下，可取 2 组参数u ，和U ～ i 一0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ．对每个参数 U i 或U ⋯应在相同条件下测试5 次取算术平均 值所得，一般情况下，催化元件都具有较好的重复 特性，如果重复特性不好，说明元件的制作工艺太 差，应及时剔除． 2 催化传感元件配对方法 催化传感元件动态配对的原则主要是寻求动 态特性一致性较好的催化元件和补偿元件，所谓元 件动态特性的“一致性”要求元件参数的相对变化 率尽可能相同，因此，首先必须对元件采样参数进 行处理，将其变换成相对初始值的变化系数． 对任一元件，其采用数据集合为U 一{ u ∞， U 1 ，，U 2 。，U “ U 4 ，，【， 5 。 ，U 一一{ U o ，，U 一1 i ，U 一2 i ， 【，一3 ，，U 一4 。，U 一5 i } i 一1 ，2 ，3 ，4 ，5 ． 经过重复测量参数取算术平均值后，得 ‘U U o ，U 1 ，U 2 ，U 3 ，U 4 ，U 5 ， U 一 U o ，U 一1 ，U 一2 ，U 一3 ，U 一4 ，U 一5 ， 令 ≈一等， 一5 ，4 ，3 ，2 ，1 ；歹一1 ，2 ，3 ，4 ，5 ， 凡 警， i 一1 ，2 ，3 ，4 ，5 ；歹一6 ，7 ，8 ，9 ，1 0 ， 最后，每个元件的取样参数整理为A 一 A 。，A 。，⋯， A 1 0 ． 要合理地对元件进行配对，就是寻找动态参数 A 相似的元件．根据近代数学的聚类分析方法，要 衡量2 组参数的相似程度，可以用这2 组数据代表 的向量间的所谓距离来描述，描述2 个向量的距离 有多种[ 8 - 1 0 ] ，通过比较，采用欧氏距离比较符合元 件动态参数的分析． 设有Ⅳ个催化传感元件r l i 一1 ，2 ，⋯，Ⅳ 和 Ⅳ个补偿元件r ， 歹 1 ，2 ，⋯，Ⅳ ，其动态参数为 九一 九。，九。，⋯，太。。 和山一 如。，A ，z ，⋯⋯，t 。。 ．任意 2 个元件动态参数向量的欧氏距离可表示为 D i j ∑ k b 2 专． 1 欧氏距离n ，可衡量2 个元件动态参数的相近 程度，D “越小，意味着2 个元件的动态参数越相 近，由于D 。≥o ，则要尽可能寻找D 。接近零的元件 进行配对．具体配对处理方法是 1 对N 个催化传感元件和N 个补偿元件的 2 N 个动态取样参数向量组，可计算N x N 个欧 氏距离D “ ． 2 对每个催化传感元件和每个补偿元件计算 的欧氏距离D “ 挑选出较小的D i ，所对应的元件就 是动态特性一致性较好的元件组，可构成传感器． 但如何选择D 。，实际上是数学的两两归类的问题， 可以有多种方法．最简单的方法是首先根据D “最 万方数据 3 2中国矿业大学学报第3 4 卷 小的原则，将关系最密切的2 元件配对，再在剩下 的N 一1 组元件中选择最接近的一组元件配对，依 次进行下去，最后配成第Ⅳ组元件，完成了元件配 对的工作． 3 实验结果 实验中各取1 0 只催化元件和1 0 只补偿元件 按以上方法进行配对，配对结果按照欧氏距离D i ， 的大小排序，如表1 ． 表1催化元件和补偿元件配对结果 T a b l e1R e s u l to ft h ed y n a m i cm a r c ho fc a t a l y t i ce l e m e n t s 传感器序号 12345 丝 ； 12 ； 传感器序号 67891 0 堡 将配对的1 0 对传感器进行温度稳定性实验， 结果见表2 ． 表2 温度试验结果 试验条件1 2 ‘c 变化至4 0 ‘C T a b le2R e s u lto ft h et e m p e r a t u r ee x p e r i m e n t c o n d i t i o n 1 2Ct o4 0 ℃ 传感器序号 12345 温懋籍心o ．o ，o ．o ，o ．o z o ．o zo ．o z 堡壁量堡呈 温懋然地o ．o z o ．o so ．o s ㈣to ．o s 为了比较动态配对与静态配对的零点稳定性， 我们同样各取1 0 只催化元件和1 0 只补偿元件按 传统静态方法进行配对．配对方法是将催化元件和 补偿元件进行组合，用慧斯顿电桥进行测试，首先 根据催化元件所要求的工作电流给电桥加额定电 压，并将电桥调零．然后按照1 0 ％的比例升高和 降低电桥工作电压，得到电桥的2 个输出偏移电 压．催化元件和补偿元件的静态特性的一致性越 好，改变电桥工作电压得到的偏移电压越小，因此 取最小偏移电压的元件组合构成传感器，就完成了 催化传感器的静态配对．将静态配对的1 0 组传感 器进行长时间零点稳定性实验，记录不同时问传感 器零点飘移的平均值，与动态配对的催化传感器进 行比较，结果见表3 ． 表3 零点稳定性比较实验 T a b l e3C o n t r a s t i v ee x p e r i m e n to fz e r os t a b i l i t y 连续工作时间i 焉禹簧毒纛篓笋墅号蠢篡篙蔷 表2 环境温度的实验表明，配对传感器元件的 欧氏距离越小，环境温度的补偿效果越好，这较好 地证明了动态配对方法中动态参数欧氏距离可以 较好地反映催化元件和补偿元件的一致性．表3 实 验表明，动态配对的催化传感器的零点稳定性与静 态配对的催化传感器的零点稳定性相比，有较大的 提高，平均零点漂移量减小了一半左右． 参考文献 [ 1 ] 童敏明．补偿元件对载体催化元件输出特性的影响 [ J ] ．传感器技术，1 9 9 5 ，1 0 6 1 7 - 1 9 ． T o n gMM ．T h ei n f l u e n c eo f t h e c o m p e n s a t i n g e l e m e n to nt h em e a s u r i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ec a t a l y t i c s e n s o r [ J ] ．J o u r n a lo fT r a n s d u c e rT h e c h n o l o g y ，1 9 9 5 ， 1 0 6 1 7 1 9 ． [ 2 ] 童敏明．瓦斯传感器的新技术[ J ] ．中国矿业大学学 报，2 0 0 3 ，3 2 4 3 9 9 4 0 1 ． T o n gMM ．N e wt e c h n o l o g yo nm e t h a n es e n s o r [ - J ] ． J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆．T e c h n o l o g y ， 1 9 9 5 ，1 0 6 1 7 1 9 ． [ 3 - 1 K o z l o vAG ．O p t i m i z a t i o no fs t r u c t u r ea n dp o w e r s u p p l yc o n d i t i o n so fc a t a l y t i cg a ss e n s o r [ J ] ．S e n s o r s a n dA c t u a t o r sB ，2 0 0 2 ，8 2 1 2 4 3 3 ． [ 4 ]B a r a nSV ，B r a n i t s k yGA ，I v a n o v s k a y aMI ．T h e r - m o c a t a l y t i cs e n s o r sw i t hP d P t A 1 2 0 3c a t a l y s t [ J ] ． S e n s o r sa n dA c t u a t o r sB ，1 9 9 3 ，1 3 4 2 4 4 2 4 7 ． [ 5 3F e r r e i r aRPC ，F r e i r eRCS ，D e e pGS ．P e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no faf l u i dt e m p e r a t u r e - c o m p e n s a t e d s i n g l es e n s o rc o n s t a n tt e m p e r a t u r ea n e m o m e t e r [ J ] ． I n s t r u m e n t a t i o na n dM e a s u r e m e n t ，2 0 0 3 ，5 2 5 1 5 5 4 1 5 5 8 ． r 6 ]R o l l i n s ，D e r r i c kK ．M e a s u r e m e n tb i a sd e t e c t i o ni n l i n e a rd y n a m i cs y s t e m s V J ] ．C o m p u t e r sa n dC h e m i c a l E n g i n e e r i n g ，2 0 0 2 ，2 6 5 1 2 0 1 1 2 1 1 ． [ 7 ] S p e r a ，J a s o n ．R e a l t i m ed a t ac o l l e c t i o na n da n a l y s i s 口] ．C i r c u i t sA s s e m b l y ，2 0 0 2 ，1 3 1 1 4 0 4 3 ． [ 8 3 C h e nWP ，H o uJC ，L u iS ．D y n a m i cc l u s t e r i n gf o r a c o u s t i ct a r g e t t r a c k i n gi n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s [ J ] ．M o b i l eC o m p u t i n g ，2 0 0 4 ，1 0 3 3 2 5 8 2 7 1 ． [ 9 ] C h e nWP ，H o uJC ，S h aL ．D y n a m i cc l u s t e r i n gf o r a c o u s t i ct a r g e t t r a c k i n gi nw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s [ J ] ．M o b i l eC o m p u t i n g ，2 0 0 4 ，6 3 3 2 5 8 2 7 1 ． [ 1 0 ] C h e nS ，B o u m a nCA ．C l u s t e r e dc o m p o n e n t sa n a l y s i sf o rf u n c t i o n a lM R I [ J ] ，M e d i c a lI m a g i n g ， 2 0 0 4 ，2 3 】 8 5 9 8 ． 责任编辑姚志昌 万方数据