摘要：為了克服傳統(tǒng)的傳感器特性測(cè)試儀功能單一、專用性強(qiáng)的缺點(diǎn)，利用GPIB卡組建由ZL5型智能LCR測(cè)試儀與計(jì)算機(jī)構(gòu)成的濕敏元件性能測(cè)試系統(tǒng)，并基于LabVIEW開發(fā)出系統(tǒng)控制軟件。根據(jù)存儲(chǔ)文件方式的不同，采用不同的圖形分析方法。通過(guò)將其應(yīng)用于氧化鈦基薄膜的濕敏特性研究實(shí)驗(yàn)，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(cè)與自動(dòng)控制，近年來(lái)隨著新材料(如稀土摻雜)的出現(xiàn)及納米級(jí)元件的制作，人們對(duì)其電學(xué)特性、感濕機(jī)理及其等效電路的研究日益增多。在濕敏元件性能的測(cè)試工作中，傳統(tǒng)的人工測(cè)試依然占據(jù)著主導(dǎo)地位，這種手動(dòng)測(cè)試方法因?yàn)槠錅y(cè)試精度差、測(cè)試速度慢、數(shù)據(jù)處理過(guò)程復(fù)雜、繁瑣等缺點(diǎn)，不利于濕敏元件的分析與改進(jìn)。通過(guò)GPIB接口卡將程控設(shè)備與計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，基于虛擬儀器技術(shù)組建多功能的濕度傳感器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。由于采用了虛擬儀器技術(shù)，用戶可以在計(jì)算機(jī)的虛擬面板上進(jìn)行所有操作，具有使用方便、功能強(qiáng)及性能可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)儀器相比在數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交換等方面顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)衩粼阅軈?shù)做出快速準(zhǔn)確的測(cè)試與分析。

1 系統(tǒng)基本原理與框架設(shè)計(jì)
    由GPIB接口卡連接ZL5型智能LCR測(cè)試儀與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)、測(cè)量電路、接口總線和濕敏元件等幾部分。其構(gòu)成特點(diǎn)是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)各組成部分均配有標(biāo)準(zhǔn)化的接口功能電路，并都與統(tǒng)一的總線相連。計(jì)算機(jī)(系統(tǒng)的中央控制器)控制對(duì)濕敏元件進(jìn)行測(cè)量的全過(guò)程，測(cè)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(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)若干不同的測(cè)試任務(wù)進(jìn)行控制成為可能。通信與數(shù)據(jù)采集是實(shí)現(xiàn)濕度傳感器自動(dòng)測(cè)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(cè)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(cè)量?jī)x的測(cè)試速率、測(cè)量方式、等效電路、測(cè)試頻率、測(cè)量參數(shù)、延時(shí)、觸發(fā)模式等參數(shù)。數(shù)據(jù)采集模塊用于將LCR測(cè)量?jī)x測(cè)量到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPIB總線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，并存儲(chǔ)到臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2 圖形分析程序設(shè)計(jì)
    基于圖形化編程環(huán)境LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)軟件程序，進(jìn)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(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。采用模塊化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)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(jìn)而進(jìn)一步分析濕敏元件的性能及其感濕機(jī)理。LabVIEW 用一個(gè)圖形編輯器來(lái)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(dú)立的可執(zhí)行程序一樣。根據(jù)存儲(chǔ)文件的不同，對(duì)數(shù)據(jù)的圖形分析，分為以下兩種方法：對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為測(cè)量文件的數(shù)據(jù)分析和用Excel存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)分析。下面程序設(shè)計(jì)可根據(jù)測(cè)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(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為測(cè)量文件的數(shù)據(jù)分析
    對(duì)濕敏元件性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，測(cè)量文件存儲(chǔ)的是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。測(cè)試條件以數(shù)組形式輸入，并以動(dòng)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(biāo)以及外觀顏色字體。如圖1、圖2所示。

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

 
3 性能測(cè)試與分析
    實(shí)驗(yàn)以上海儀器儀表研究所生產(chǎn)的ZL5型智能LCR測(cè)量?jī)x為測(cè)試平臺(tái)，采用Aglient公司生產(chǎn)的82350AGPB接口卡將儀器的GPIB通道與計(jì)算機(jī)PCI接口連接，構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)的硬件部分。標(biāo)準(zhǔn)的GPIB接口可使LCR測(cè)量?jī)x響應(yīng)其他設(shè)備的遠(yuǎn)程控制命令，工作于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中。實(shí)驗(yàn)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(cè)試數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)為Excel方式，如圖5所。
3．1 電阻特性的測(cè)試
    數(shù)據(jù)以Excel方式存儲(chǔ)，采用圖4方式讀取Excel數(shù)據(jù)的程序設(shè)計(jì)，得到不同濕度下的電阻特性，見(jiàn)圖6。同一濕度下，在低頻范圍電阻值迅速減小，當(dāng)頻率增大到一定值時(shí)，電阻值緩慢減小。相同頻率，低濕度時(shí)，阻值較大；濕度值在75％，95％時(shí)，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(jìn)而分析材料的導(dǎo)電機(jī)理，是研究濕敏材料導(dǎo)電機(jī)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(duì)濕度下的復(fù)阻抗圖(測(cè)試電壓為1V)，橫軸和縱軸分別為復(fù)阻抗的實(shí)部Re(z)和虛部Im(Z)，頻率范圍為10Hz～100kHz。
    圖7中，當(dāng)相對(duì)濕度較高時(shí)，復(fù)阻抗曲線近似為一個(gè)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(gè)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(guò)橫縱坐標(biāo)的尺度可以看出)，這是因?yàn)榈蜐駮r(shí)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(qiáng)，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(qiáng)，電阻降低，使半圓的半徑變小。

4 結(jié)語(yǔ)
    在LabVIEW 8．2開發(fā)環(huán)境下，基于模塊化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了濕敏元件性能參數(shù)的自動(dòng)測(cè)試與分析，該系統(tǒng)利用了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)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(cè)試?yán)щy問(wèn)題。通過(guò)應(yīng)用于氧化鈦基濕敏元件特性研究的實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果證明，系統(tǒng)可以高效率的對(duì)濕敏元件性能參數(shù)做出快速測(cè)試與準(zhǔn)確的分析，使用方便且性能可擴(kuò)展。