CN102297882B - 一种半导体臭氧传感器温度补偿电路及其补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体臭氧传感器温度补偿电路及其补偿方法，其特征在于：所述补偿电路由半导体臭氧传感器(4)、加热电极电流源电路(2)、加热电极温度测量电路(3)、单片机控制电路(1)组成；所述补偿方法为加热电极电流源电路(2)为半导体臭氧传感器(4)的加热电极(4a)供电，根据加热电极(4a)电阻的温度特性，利用加热电极温度测量电路(3)来测量加热电极(4a)的电阻变化，确定加热电极(4a)的温度，单片机控制电路(1)根据温度设定值，调整加热电极电流源电路(2)的电流大小，从而稳定加热电极(4a)的温度。本发明的有益效果是实现控制半导体臭氧传感器工作温度的恒定，不受环境温度和湿度的影响，大大提高臭氧浓度的测量精度和稳定度。

Description

一种半导体臭氧传感器温度补偿电路及其补偿方法

技术领域

本发明涉及一种半导体臭氧传感器温度补偿电路及其补偿方法。

背景技术

臭氧是一种强氧化剂，具有很好的杀菌消毒功能，它可以弥散到空间中的任何一个角落杀毒，且不会有残留物，避免了二次污染，已广泛用于空气净化、水处理、食品加工、医疗、医药、水产养殖等领域。但是臭氧对人体呼吸道粘膜有刺激，空气中臭氧浓度过高，可引起脉搏加速、疲倦、头痛，严重时可发生肺气肿，以致死亡。因此在使用臭氧进行空气净化消毒时，要严格检测和控制其浓度。

目前，测量空气中臭氧浓度的方法有化学法、紫外吸收法，均可连续在线检测。其优点是检测精度高，稳定性好，其它氧化剂干扰小；但其缺点为价格较高。半导体传感器具有灵敏度高、响应速度快、体积小、寿命长、成本低、测量电路简单等特点，广泛用于空气臭氧浓度测量，但由于半导体臭氧浓度传感器受温度影响比较大，测量精度低，测量重复性差等缺点，使得该种传感器一直以来被用作定性测量。

半导体臭氧传感器是一种薄膜型半导体氧化物气敏元件，由加热电极和测量电极组成，加热电极的作用是将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附，提高器件的灵敏度和响应速度。氧化物半导体表面在200-400℃的高温下接触臭氧测量电极电阻值会发生变化，臭氧浓度与测量电极电阻值呈定量关系，通过测量传感器的电阻值可以得到臭氧浓度的大小。通用的半导体臭氧传感器测量电路没有温度补偿作用，当环境温度变化时，测量结果有很大的不确定性，甚至不能反映臭氧浓度的变化，极大地限制了半导体臭氧传感器的使用范围。

发明内容

为了克服现有的半导体臭氧传感器测量电路受环境温度的影响，改善测量结果的稳定性和重复性技术存在的不足，本发明提供了一种半导体臭氧传感器温度补偿电路及其补偿方法。

本发明的目的在于提供一种半导体臭氧传感器温度补偿电路；本发明的另一目的是提供一种半导体臭氧传感器温度补偿方法。

本发明所采用的技术方案如下：一种半导体臭氧传感器温度补偿电路，其特征在于：该电路由半导体臭氧传感器、加热电极电流源电路、加热电极温度测量电路、单片机控制电路组成；所述加热电极电流源电路的输入端通过集成运算放大器U1A的引脚3与单片机控制电路的数模转换器DAC电压控制接口相连接，输出端与半导体臭氧传感器的加热电极引脚b相连；所述加热电极温度测量电路3中的集成运算放大器U1B的引脚5与半导体臭氧传感器4的加热电极4a的引脚b相连接，所述加热电极温度测量电路中包括一个差动放大电路，所述的差动放大电路一端通过集成运算放大器U1C的引脚8与单片机控制电路的模数转换器ADC电压检测接口相连接，另一端经电阻R6与单片机控制电路的参考电压Vref接口连接。

一种半导体臭氧传感器温度补偿电路，其补偿方法为：所述加热电极电流源电路为半导体臭氧传感器的加热电极供电，根据加热电极电阻的温度特性，利用加热电极温度测量电路来测量加热电极的电阻变化，确定加热电极的温度，单片机控制电路根据温度设定值，调整加热电极电流源电路的电流大小，从而稳定加热电极的温度。

本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步：

1、本发明可以实现半导体臭氧浓度传感器加热电极的温度检测，并控制加热电极电流的大小，达到加热电极恒温控制的目的；

2、本发明中的半导体臭氧传感器加热电极温度测量电路输出信号是电压信号，加热电极电流控制电路也是采用电压控制，可以直接和ADC、DAC转换芯片接口，便于单片机控制；

3、本发明可以实现控制半导体臭氧传感器工作温度的恒定，不受环境温度和湿度的影响，大大提高臭氧浓度的测量精度和稳定度；

4、本发明设计的半导体臭氧浓度传感器温度补偿电路，体积小，成本低，工作稳定，一致性好，适合批量生产。

附图说明

图1是本发明的框架结构示意图；

图2是本发明的电路示意图；

图中所示：1.单片机控制电路；2.加热电极电流源电路；3.加热电极温度测量电路；3a.差动放大电路；4.半导体臭氧传感器；4a.加热电极；4b.测量电极；4c.外壳；Q1.三极管；R1、R2、R3、R4、R5、R6.电阻；U1A、U1B、U1C.集成运算放大器；DAC.数模转换器；ADC.模数转换器；Vref.参考电压。

具体实施方式

下面结合本具体的实施例，对本发明的技术方案作进一步描述，但不仅仅局限于以下的优选实施例。

如图1所示，改变了传统半导体臭氧传感器恒压加热方法，增加一个加热电极电流源电路2和加热电极温度测量电路3，加热电极电流源电路2为半导体臭氧传感器4的加热电极4a供电，根据加热电极电阻的温度特性，利用加热电极温度测量电路3来测量加热电极的电阻变化确定加热电极4a的温度，单片机控制电路1根据温度设定值，控制加热电极电流源电路1的电流大小，达到稳定加热电极4a温度的目的。

利用加热电极电阻值随温度变化的规律进行补偿，根据电阻的温度变化规律，加热电极电阻值将按下列公式随温度发生变化：

Rt＝R0(1+at)

式中Rt是t℃的电阻值，R0是0℃时的电阻值，a是常数。

在半导体臭氧传感器4的加热电极4a上电时，首先单片机控制电路1利用数模转换器DAC电压输出控制加热电极电流源电路2输出一个恒定的电流进行预热，同时单片机控制电路1输出一个特定的参考电压Vref，利用加热电极温度测量电路3检测加热电极4a的电压，过一段时间后，加热电极4a的电压趋于稳定，即加热电极4a温度趋于稳定。根据欧姆定律，利用当前的电流值Vt和电压值It，可以计算出加热电极的电阻值Rt，从而计算出加热电极4a的温度值t。预热完成后单片机控制电路1可根据设定温度，控制加热电极电流源电路2输出电流大小，使加热电极4a的温度稳定在设定值附近。

如图2所示，本发明的电路由半导体臭氧传感器4、加热电极电流源电路2、加热电极温度测量电路3、单片机控制电路1组成。所述半导体臭氧传感器4由加热电极4a、测量电极4b和外壳4c组成，引脚b和引脚e是加热电极4a的两个引脚，引脚a和引脚d是测量电极4b的两个引脚，在半导体臭氧传感器4内部引脚c和引脚a是相连接的，引脚f和引脚d是相连接的。集成运算放大器U1A、三极管Q1和电阻R1、R2组成一个加热电极电流源电路2，所述加热电极电流源电路2的输入端通过集成运算放大器U1A的引脚3与单片机控制电路1的数模转换器DAC电压控制接口相连接，输出端与半导体臭氧传感器4的加热电极引脚b相连，用来为半导体臭氧传感器4的加热电极4a恒流供电，根据理想运放的虚短的特性，集成运算放大器U1A的2、3管脚电压相同，V1=V2=V3，因此R1两端的电压为(VCC-V3)。又根据虚断的特性，流入集成运算放大器U1A第2、3管脚的电流为0，流过R1的电流为I1，三极管Q1的基极电流相对于集电极电流可以忽略不计，流过半导体臭氧传感器4的加热电极4a的电流I2≈I1，I2≈(VCC-V3)/R1，R1的阻值是一定的，通过单片机控制电路1的数模转换器DAC电压控制接口与加热电极电流源电路2的集成运算放大器U1A的引脚3相连接，控制输出电压V3的大小，可以调节半导体臭氧传感器4的加热电极4a电流I2的大小，达到调节加热温度的目的。

半导体臭氧传感器4的加热电极4a两端的电压V4=Rt·I2，其中Rt为加热电极的阻值，其大小随着加热温度的变化而变化，I2的值是已知的，通过测量V4的大小就可以得到加热电极的阻值Rt，根据其温度特性曲线可以得到当前的加热温度。加热电极温度测量电路3中的集成运算放大器U1B的引脚5与半导体臭氧传感器4的加热电极4a的引脚b相连接，根据集成运算放大器的特点，V5=V4。集成运算放大器U1C和电阻R3、R4、R5、R6组成一个差动放大电路3a，所述差动放大电路3a一端通过集成运算放大器U1C的引脚8与单片机控制电路1的模数转换器ADC电压检测接口相连接，输出电压V7=(V5-Vref)·(R3+R6)/R6，作用是将V5的变化灵敏度放大并调整到单片机控制电路1的模数转换器ADC输入电压范围内，使加热温度测量灵敏度大大提高；所述差动放大电路3a另一端经电阻R6与单片机控制电路1的参考电压Vref接口连接，所述参考电压Vref接口是单片机控制电路1的另外一路数模转换输出引脚，与R6相连，作为差动放大器3的其中一个输入，用来调节加热电极温度测量电路3的输出电压范围，使其符合单片机控制电路1的模数转换器ADC输入电压要求。单片机控制电路1通过检测V7的大小判断加热电极4a的温度，调整数模转换器DAC电压输出控制加热电极4a的电流大小，实现加热温度的闭环控制，半导体臭氧传感器4的测量不受环境温度的影响，达到温度补偿的效果。

以上所揭露的仅为本发明的实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (2)

1.一种半导体臭氧传感器温度补偿电路，其特征在于：该电路由半导体臭氧传感器(4)、加热电极电流源电路(2)、加热电极温度测量电路(3)、单片机控制电路(1)组成；所述加热电极电流源电路(2)的输入端通过集成运算放大器(U1A)的引脚3与单片机控制电路(1)的数模转换器(DAC)电压控制接口相连接，输出端与半导体臭氧传感器(4)的加热电极引脚b相连；所述加热电极温度测量电路(3)中的集成运算放大器U1B的引脚5与半导体臭氧传感器(4)的加热电极(4a)的引脚b相连接，所述加热电极温度测量电路(3)中包括一个差动放大电路(3a)，所述的差动放大电路(3a)一端通过集成运算放大器(U1C)的引脚8与单片机控制电路(1)的模数转换器(ADC)电压检测接口相连接，另一端经电阻R6与单片机控制电路(1)的参考电压(Vref)接口连接。

2.根据权利要求1所述的半导体臭氧传感器温度补偿电路，其补偿方法为：所述加热电极电流源电路(2)为半导体臭氧传感器(4)的加热电极(4a)供电，根据加热电极(4a)电阻的温度特性，利用加热电极温度测量电路(3)来测量加热电极(4a)的电阻变化，确定加热电极(4a)的温度，单片机控制电路(1)根据温度设定值，调整加热电极电流源电路(2)的电流大小，从而稳定加热电极(4a)的温度。

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