基于LabVIEW的湿敏元件性能测试分析系统

摘要：为了克服传统的传感器特性测试仪功能单一、专用性强的缺点，利用GPIB卡组建由ZL5型智能LCR测试仪与计算机构成的湿敏元件性能测试系统，并基于LabVIEW开发出系统控制软件。根据存储文件方式的不同，采用不同的图形分析方法。通过将其应用于氧化钛基薄膜的湿敏特性研究实验，结果表明该系统能够方便、直观地分析湿敏元件的性能。
关键词：湿敏元件；LabVIEW；电阻特性；复阻抗

0 引言
    湿敏元件用于局部环境的湿度监测与自动控制，近年来随着新材料(如稀土掺杂)的出现及纳米级元件的制作，人们对其电学特性、感湿机理及其等效电路的研究日益增多。在湿敏元件性能的测试工作中，传统的人工测试依然占据着主导地位，这种手动测试方法因为其测试精度差、测试速度慢、数据处理过程复杂、繁琐等缺点，不利于湿敏元件的分析与改进。通过GPIB接口卡将程控设备与计算机连接起来，基于虚拟仪器技术组建多功能的湿度传感器自动测试系统。由于采用了虚拟仪器技术，用户可以在计算机的虚拟面板上进行所有操作，具有使用方便、功能强及性能可扩展等优点，与传统仪器相比在数据处理、人机交换等方面显示出巨大的优势，能够对湿敏元件性能参数做出快速准确的测试与分析。

1 系统基本原理与框架设计
    由GPIB接口卡连接ZL5型智能LCR测试仪与计算机数据采集系统主要包括计算机、测量电路、接口总线和湿敏元件等几部分。其构成特点是自动测试系统各组成部分均配有标准化的接口功能电路，并都与统一的总线相连。计算机(系统的中央控制器)控制对湿敏元件进行测量的全过程，测量电路主要完成中央控制器与湿敏元件的联系、传递信息或A／D、D／A转换等。由此，使得由一台计算机实现对若干不同的测试任务进行控制成为可能。通信与数据采集是实现湿度传感器自动测试系统的重要组成部分，它包括系统总线初始化模块、测试仪参数设置模块和数据采集模块。总线初始化模块包括设备地址、控制器、电桥等串口参数设置。参数设置模块用于设置LCR测量仪的测试速率、测量方式、等效电路、测试频率、测量参数、延时、触发模式等参数。数据采集模块用于将LCR测量仪测量到的数据通过GPIB总线传输到计算机，并存储到临时数据库中。

2 图形分析程序设计
    基于图形化编程环境LabVIEW开发系统软件程序，进行仪器控制和数据采集；采集湿度湿敏元件的电学参数，并对采集的数据进行分析与处理。采用模块化设计方法，设计了湿敏特性模块、复阻抗特模块、电容特性模块等。可以方便地绘制出电阻、电容、阻抗与湿度、频率的关系曲线，以及复阻抗特性曲线；进而进一步分析湿敏元件的性能及其感湿机理。LabVIEW 用一个图形编辑器来产生最优化编辑代码，利用应用程序生成器，用户能够产生虚拟仪器，就象执行独立的可执行程序一样。根据存储文件的不同，对数据的图形分析，分为以下两种方法：对实时数据存储为测量文件的数据分析和用Excel存储的数据分析。下面程序设计可根据测试频率和湿度条件分别绘出电阻、复阻抗与频率和湿度的关系特性曲线。
    (1)对实时数据存储为测量文件的数据分析
    对湿敏元件性能参数进行实时采集，测量文件存储的是实时数据。测试条件以数组形式输入，并以动态数据送入xy图，根据xy图属性设置，可以设置横纵坐标以及外观颜色字体。如图1、图2所示。

    (2)对用Excel存储的数据分析
    利用Excel存储的数据，可以将测试条件也一起存入，利于后续分析及使用。因此，对Excel读取数据时，可以根据Excel按列或者行存储的信息分别读取，然后再送入xy图绘图，xy代表的坐标信息同样在属性设置中修改。如图3所示。

 
3 性能测试与分析
    实验以上海仪器仪表研究所生产的ZL5型智能LCR测量仪为测试平台，采用Aglient公司生产的82350AGPB接口卡将仪器的GPIB通道与计算机PCI接口连接，构成测试系统的硬件部分。标准的GPIB接口可使LCR测量仪响应其他设备的远程控制命令，工作于自动测试系统中。实验采用溶胶-凝胶法制备得到TiO2复合溶胶，利用提拉法在印有梳状银电极的石英玻璃基板上镀膜，在500℃下煅烧1h，制得湿敏元件。系统测试数据并存储为Excel方式，如图5所。
3．1 电阻特性的测试
    数据以Excel方式存储，采用图4方式读取Excel数据的程序设计，得到不同湿度下的电阻特性，见图6。同一湿度下，在低频范围电阻值迅速减小，当频率增大到一定值时，电阻值缓慢减小。相同频率，低湿度时，阻值较大；湿度值在75％，95％时，阻值较小；即阻值随湿度的增加而减小，具有感湿特性。
3．2 复阻抗特性
    用材料的复阻抗特性画出材料导电的等效电路，进而分析材料的导电机理，是研究湿敏材料导电机理普遍采用的方法。

    图7中给出烧结温度500 ℃湿敏元件在不同相对湿度下的复阻抗图(测试电压为1V)，横轴和纵轴分别为复阻抗的实部Re(z)和虚部Im(Z)，频率范围为10Hz～100kHz。
    图7中，当相对湿度较高时，复阻抗曲线近似为一个小半圆。电介质理论中，这种复阻抗的半圆可以等效为一个电阻和电容并联的等效电路，电阻可以表示湿敏材料导电载流子导电即材料颗粒和颗粒间界面载流子导电。
    电容可以表示材料的极化粒子导电，即颗粒界面空间电荷极化以及吸附水分子极化电荷导电。随着湿度的增加，半圆逐渐减小(通过横纵坐标的尺度可以看出)，这是因为低湿时水分子浓度较低，在材料表面呈单分子吸附，不能形成连续水膜，需要依靠氧化钛半导体材料自身导电，因此材料自身的阻抗是总阻抗的主要部分，随着湿度增大，吸附水的电离导电逐渐增强，吸附的水电离出更多地H+和OH-，使得电极处的空间电荷极化作用也逐渐增强，电阻降低，使半圆的半径变小。

4 结语
    在LabVIEW 8．2开发环境下，基于模块化设计方法实现了湿敏元件性能参数的自动测试与分析，该系统利用了计算机系统强大的数据处理和显示能力，省去许多手工操作，解决了限制湿度传感器发展的测试困难问题。通过应用于氧化钛基湿敏元件特性研究的实验中，结果证明，系统可以高效率的对湿敏元件性能参数做出快速测试与准确的分析，使用方便且性能可扩展。