CN102445432A - 一种电压差分输出的不分光红外热释电气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电压差分输出的不分光红外热释电气体传感器，包含测量通道和参考通道及与两个通道对应设置的两个敏感元芯片，两个敏感元芯片极性相反地并联或串联在一起后一端接地，另一端与一场效应管的栅极连接。将参考信号和测量信号在芯片上做成极性相反的敏感元，在结构上进行并联或者串联连接，从而从一个输出端上得到两个光谱的差值信号，两个极性相反的敏感元芯片作用在场效应管栅极上，场效应管的源极输出该两个敏感元的相减信号，减法运算通过敏感元反向串联或者反向并联完成，减少了后处理运算需要；同时，输出端输出的就是有用的差值信号，没有固定分量，对后续放大器或者ADC的要求可以大大降低，从而大大降低整机成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种不分光红外热释电红外传感器，尤其涉及一种电压差分输出的不分光红外热释电气体传感器，属于传感器技术领域。
背景技术
当红外光通过待测气体时，这些气体分子对特定波长的红外光有吸收，其吸收关系服从朗伯--比尔(Lambert-Beer)吸收定律。设入射光是平行光，其强度为I0，出射光的强度为I，气体介质的厚度为L ，气体浓度为c，吸收系数μ，则：
I=I0exp(-μcL)
光强在气体介质中随浓度c 及厚度L 按指数规律衰减。吸收系数取决于气体特性，各种气体的吸收系数μ互不相同。
基于此原理，热释电红外传感器测量时通常采用两个光谱通道，通过在传感器管帽上设置两个不同光谱的带通滤光片，形成一个测量通道和一个参考通道，测量通道中红外线会被待测气体吸收衰减，而参考通道中红外线直接通透过，不会被吸收。再通过对两个通道的数据进行减法或者除法运算，把微小的有用信号提取出来，同时可以减弱或者消除一些干扰因素如光源稳定性、温度、湿度等影响。
传统的不分光红外热释电气体传感器，采用两个独立的通道Channel1、Channel2，每个通道都有自己的敏感元芯片和场效应管FET1、FET2或者IC运放，如图1所示，两路信号经过外部放大器进行信号处理，放大滤波，然后进行减法或者除法运算，这种处理方式的缺点是：因为吸收系数或者浓度很小时，信号中绝大部分是固定信号，而待测的有用信号非常小，为了达到一定的分辨率，如果采用模拟方式，需要先放大两路独立的信号，然后进行相减或者相除的运算，对于放大信息用的放大器的精度和稳定性要求很高，如果采用数字信号，则需要高位的ADC，成本较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电压差分输出的不分光红外热释电气体传感器，结构更简单，减少了输出端，可以取消放大器或者ADC，或者采用精度、稳定性要求不高的放大器和低数位的ADC，降低整机成本。
为解决上述技术问题，本发明提供一种电压差分输出的不分光红外热释电气体传感器，包含测量通道和参考通道及与两个通道对应设置的两个敏感元芯片，其特征是，所述的两个敏感元芯片极性相反地、并联或串联连接在一起，连接后一端接地，另一端与一场效应管的栅极连接，所述场效应管的源极为输出端，漏极加电源电压。
所述的两个敏感元芯片极性相反地串联连接，构成一串联电路，所述串联电路的两端并联一电阻。
所述的两个敏感元芯片极性相反地并联连接，构成一并联电路，所述并联电路的两端并联一电阻。
所述的两个敏感元芯片极性相反地串联连接构成一串联电路，在所述串联电路中的两个所述敏感元芯片之间再串联另外两个敏感元芯片作为补偿元，所述补偿元分别与相邻的所述敏感元芯片极性相反。
所述的两个敏感元芯片极性相反地并联连接构成一并联电路，所述并联电路的每一条支路中再串联另一个敏感元芯片作为补偿元，所述补偿元与所在的支路中的所述敏感元芯片极性相反。
本发明所达到的有益效果：
本发明的不分光红外热释电气体传感器将参考信号和测量信号在芯片上做成极性相反的敏感元，在结构上进行并联或者串联连接，从而从一个输出端上得到两个光谱的差值信号，两个极性相反的敏感元芯片作用在场效应管栅极上，场效应管的源极输出该两个敏感元的相减信号，其优点是，减法运算通过敏感元反向串联或者反向并联完成，减少了后处理运算需要；同时，输出端输出的就是有用的差值信号，没有固定分量，对后续放大器或者ADC的要求可以大大降低，从而大大降低整机成本。
附图说明
图1是现有技术中的热释电气体传感器电路图；
图2是本发明实施例1反向串联双通道不分光红外热释电气体探测传感器电路图；
图3是本发明实施例2反向并联双通道不分光红外热释电气体探测传感器电路图；
图4是本发明实施例3具有补偿元地串联双通道不分光红外热释电气体探测传感器电路图；
图5是本发明实施例4具有补偿元的并联双通道不分光红外热释电气体探测传感器电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
如图2所示，本发明的电压差分输出的不分光红外热释电气体传感器芯片中包含测量通道Channel1和参考通道Channel2，与两个通道对应的设置两个分别感应测量信号和参考信号的敏感元芯片S1、S2，两个敏感元芯片S1、S2极性相反，反向串联，使敏感元芯片S1、S2的负极相对，串联后其中一个敏感元芯片S2正极一端接地Gnd/Case，另一个敏感元芯片S1正极一端与场效应管FET的栅极连接，场效应管FET的源极Source为输出端，漏极Drain加电源电压。两个极性相反的敏感元芯片S1、S2作用在场效应管FET栅极上，场效应管的源极Source输出该两个敏感元的相减信号。
从而从一个输出端上得到参考信号和测量信号两个波段的差值信号，信号直接在产生时就进行差分相减，减法运算通过敏感元芯片反向串联完成。
在其他实施方式中，也可以在图2的连接方式中，将两个敏感元芯片S1、S2均反向，也就是变成正极相对，还是构成极性相反的串联，其余结构不变，同样可以达到上述作用。
实施例2
如图3所示，本发明的电压差分输出的不分光红外热释电气体传感器芯片中包含测量通道Channel1和参考通道Channel2，与两个通道对应的设置两个分别感应测量信号和参考信号的敏感元芯片S1、S2，两个敏感元芯片S1、S2极性相反并联在一起，并联后一端接地Gnd/Case，另一端与场效应管FET的栅极连接，场效应管FET的源极Source为输出端，漏极Drain加电源电压。
从而从一个输出端上得到参考信号和测量信号两个波段的差值信号，信号直接在产生时就进行差分相减，减法运算通过敏感元反向并联完成。
实施例3
如图4所示，在实施例1的基础上进行了改进，在反向串联的敏感元芯片S1、S2之间再串联两个敏感元芯片作为补偿元，其中一个补偿元与敏感元芯片S1反向串联，另一个补偿元与敏感元芯片S2反向串联，分别补偿敏感元芯片S1、S2感应的测量信号和参考信号。
其余与实施1完全相同。
实施例4
如图5所示，在实施例2的基础上进行了改进，在反向并联的敏感元芯片S1、S2的每条并联支路中再串联一个敏感元芯片作为补偿元，每条并联支路中的补偿元与其所在的并联支路中的敏感元芯片S1或敏感元芯片S2反向串联，分别补偿其所在的并联支路中的敏感元芯片S1或敏感元芯片S2感应的测量信号和参考信号。
其余与实施例2完全相同。
上述的敏感元器件/芯片可以采用具有热释电性能的任何材料，例如：PZT、钽酸锂等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种电压差分输出的不分光红外热释电气体传感器，包含测量通道和参考通道及与两个通道对应设置的两个敏感元芯片，其特征是，所述的两个敏感元芯片极性相反地、并联或串联连接在一起，连接后一端接地，另一端与一场效应管的栅极连接，所述场效应管的源极为输出端，漏极加电源电压。
2.根据权利要求1所述的一种电压差分输出的不分光红外热释电气体传感器，其特征是，所述的两个敏感元芯片极性相反地串联连接，构成一串联电路，所述串联电路的两端并联一电阻。
3.根据权利要求1所述的一种电压差分输出的不分光红外热释电气体传感器，其特征是，所述的两个敏感元芯片极性相反地并联连接，构成一并联电路，所述并联电路的两端并联一电阻。
4.根据权利要求1所述的一种电压差分输出的不分光红外热释电气体传感器，其特征是，所述的两个敏感元芯片极性相反地串联连接构成一串联电路，在所述串联电路中的两个所述敏感元芯片之间再串联另外两个敏感元芯片作为补偿元，所述补偿元分别与相邻的所述敏感元芯片极性相反。
5.根据权利要求1所述的一种电压差分输出的不分光红外热释电气体传感器，其特征是，所述的两个敏感元芯片极性相反地并联连接构成一并联电路，所述并联电路的每一条支路中再串联另一个敏感元芯片作为补偿元，所述补偿元与所在的支路中的所述敏感元芯片极性相反。
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