[发明专利]纳米传感器电阻宽范围精密测量电路及方法无效

专利信息
申请号: 201010584620.6 申请日: 2010-12-13
公开(公告)号: CN102539924A 公开(公告)日: 2012-07-04
发明(设计)人: 张恩迪;王太宏 申请(专利权)人: 北京中科微纳物联网技术股份有限公司
主分类号: G01R27/04 分类号: G01R27/04
代理公司: 暂无信息 代理人: 暂无信息
地址: 100085 北京市海*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 纳米 传感器 电阻 范围 精密 测量 电路 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及传感器数字测量领域,犹指纳米传感器数字测量。

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6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50%,而且现在的纳米传感器灵敏度已经达到几十倍甚至数百倍以上,此方式的测量导致如此大的动态摆幅情况下顾头不顾尾,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,远远低于所标称的满度的精度;

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纳米传感器实验的研究结果和方向;

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,这直接误了导纳米传感器的研究。

发明内容

鉴于上述,本发明的一种传感器电阻测量仪及方法,采取反相输入型运算放大器处理技术,将传感器(相当于一个电阻)接在测试电压源和运算放大器的负输入端之间,使得确定的测试电压源直接加在传感器上,通过软件方法分析并切换的各种不同的反馈电阻网络接在该运算放大器的输出端与负输入端之间,以取得各种不同的等效反馈电阻值(相当于不同的测量档位),这样组成的动态运算放大器的输出信号可以适合于测量很宽范围的传感器电阻范围,通过A/D转换器和极性处理模块及其软件方法等将信号电压转换为数字量并自动去掉零点,即可精确计算出传感器的电阻和灵敏度等指标。本发明的一种传感器电阻测量仪,是这样实现的:

由电源模块M01、键盘模块M02、显示模块M03组成,其特征是,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;

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