CN102706932A - 一种电化学气体传感器正反向电流适配电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电化学气体传感器正反向电流适配电路及方法，涉及气体检测技术，旨在提供一种能够适配电化学气体传感器输出正电流或负电流的工作电路及方法。本发明技术要点在于：包括传感器供电电路、供电配置电路及传感器输出信号提取电路，所述传感器供电电路用于向电化学气体传感器供电，传感器输出信号提取电路用于接收并放大电化学气体传感器输出的信号；所述供电配置电路用于输出大于或等于0的电压信号给所述传感器输出信号提取电路，使得传感器输出信号提取电路的输出电压信号大于或等于0。

Description

一种电化学气体传感器正反向电流适配电路及方法

技术领域

本发明涉及气体检测技术，尤其是一种电化学气体传感器输出正反向电流的适配电路及方法。

背景技术

在气体检测行业中，对有毒气体的检测是行业中非常重要的一部份。有毒气体检测主要通过电化学气体传感器来实现，电化学气体传感器具有反映速度快、准确（可用于ppm级），稳定性好、能够定量检测、可重复性好、抗干扰能力强等优点。

电化学气体传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。典型的电化学气体传感器由工作电极（或传感电极）和对电极组成，工作电极与对电极之间由一个薄电解层隔开。当目标气体进入传感器后，与工作电极发生氧化还原反应，产生电流，通过外围电路检测所述电流便可测得目标气体浓度。为了将工作电极的电位稳定在一个特定范围内以保证电化学气体传感器正常工作，人们引入了第三电极，即参考电极。

电化学气体传感器输出的电流信号可以有正有负。一般来说，电化学气体传感器输出电流信号需要经过一个信号提取电路采集和放大，然后通过AD采样电路送至单片机之类的控制处理单元进行进一步的分析处理，如果电化学气体传感器输出为负，还需在信号提取电路后增加一用于将负信号转换为正信号的电路，如反相跟随器，这样一来不仅增加了用于适配负电流传感器的工作电路的复杂程度，增加了电路的设计成本，而且在实际运用中就需要设计不同的传感器工作电路来适配不同输出电流方向的电化学气体传感器。对于用户来说就需要购买至少两套传感器工作电路，并且根据传感器特点选用不同的传感器工作电路，这样不仅增加了成本，工作效率也低下。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足提供一种能够适配电化学气体传感器输出正电流或负电流的工作电路及方法。

本发明采用的技术方案是这样的：

一种电化学气体传感器正反向电流适配电路，包括传感器供电电路、供电配置电路及传感器输出信号提取电路，所述传感器供电电路用于向电化学气体传感器供电，传感器输出信号提取电路用于接收并放大电化学气体传感器输出的信号；所述供电配置电路用于输出大于或等于0的电压信号给所述传感器输出信号提取电路，使得传感器输出信号提取电路的输出电压信号大于或等于0。

优选地，所述供电配置电路还用于向传感器供电电路提供输入电压。

优选地，所述供电配置电路包含第一电阻与第二电阻，第一电阻的一端与第二电阻的一端连接，第一电阻的另一端接地，第二电阻的另一端接直流电压源；第一电阻与第二电阻的公共连接段为供电配置电路的电压输出端；第一电阻为阻值可调的可变电阻。

优选地，所述电化学气体传感器还包括参考电极；所述传感器供电电路包括第一运算放大器、第三电阻及第四电阻；供电配置电路的电压输出端通过第三电阻与第一运算放大器的正相输入端连接；第四电阻的一端与第一运算放大器的反相输入端连接，第四电阻的另一端用于连接电化学气体传感器的参考电极；所述第一运算放大器的输出端连接电化学气体传感器的对电极。

优选地，第一运算放大器的输出端与第四电阻中用于连接电化学气体传感器参考电极的一端之间接有滤波电容。

优选地，所述传感器输出信号提取电路包括第二运算放大器、第五电阻、第六电阻及第七电阻；所述供电配置电路的电压输出端通过第五电阻与第二运算放大器的正相输入端连接；所述第六电阻的一端与第二运算放大器的反相输入端连接, 第六电阻另一端用于连接电化学气体传感器的工作电极；第二运算放大器的反相输入端通过第七电阻与第二运算放大器的输出端连接。

所述的电化学气体传感器正反向电流适配电路的工作方法，包括：

步骤1：确定所述电化学气体传感器输出的电流信号是正电流还是负电流，若是正电流执行步骤2，若是负电流执行步骤3；

步骤2：控制所述供电配置电路输出电压为V1；电压V1满足这样的条件：当所述电化学气体传感器输出最大值时，电压V1使传感器输出信号提取电路工作在线性放大状态；

步骤3：控制所述供电配置电路输出电压大于V2；电压V2满足这样的条件：当所述电化学气体传感器输出最小值时，电压V2使传感器输出信号提取电路的输出电压非负，当所述电化学气体传感器输出最大值时，电压V2使传感器输出信号提取电路工作在线性放大状态；

当电化学气体传感器工作电极上的电流信号方向为从工作电极流向外围电路时电化学气体传感器输出的电流信号为负电流；当电化学气体传感器工作电极上的电流信号方向为从外围电路流向工作电极时电化学气体传感器输出的电流信号为正电流。

优选地，在所述步骤2或步骤3中，调节所述可变电阻的阻值大小控制供电配置电路输出电压为V1或V2。

优选地，电压V1满足这样的条件：                                               

不超出第二运算放大器工作在线性放大状态时的输出值范围，其中

为电化学气体传感器输出的电流大小的绝对值，为第七电阻阻值。

优选地，电压V2满足这样的条件：

为非负数且不超出第二运算放大器工作在线性放大状态时的输出值范围，其中

为电化学气体传感器输出的电流大小的绝对值，

为第七电阻阻值。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明可以兼容电化学气体传感器输出的正反向电流，仅需要一套传感器电路便可满足不同电化学气体传感器的适配要求，大大简化产品设计和生产，节省了成本。

2、通过调整所述可变电阻可以将电化学气体传感器输出的负信号适当“垫高”，将电化学气体传感器电路输出的负信号转换为正信号。

另外，对于传感器输出信号的放大要求将放大电路稳定在线性放大工作区域，如输入信号过大，放大电路将会工作在饱和区域而导致信号的饱和失真，严重影响信号采集的正确性，信号采集处理系统的可靠性将被大大降低。本发明中的可变电阻阻值是可无级调整的，因此可通过调整可变电阻阻值控制供电配置电路输出电压的大小，从而将传感器输出信号提取电路的输入电压适当“垫高”，确保传感器输出信号提取电路工作在线性放大区域。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的电路原理框图。

图2是本发明一个具体实施例的电路原理图。

图3是本发明中的电路工作流程图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1，本发明公开的电化学气体传感器正反向电流适配电路，包括传感器供电电路、供电配置电路及传感器输出信号提取电路。所述传感器供电电路用于向电化学气体传感器供电，传感器输出信号提取电路用于接收并放大电化学气体传感器输出的信号；所述供电配置电路用于输出大于或等于0的电压信号给所述传感器输出信号提取电路，使得传感器输出信号提取电路的输出电压信号大于或等于0。传感器输出信号提取电路输出的信号继续被传送至控制处理单元进行进一步的分析和处理。

图2是本发明电化学气体传感器正反向电流适配电路的具体实施例。本实施例包括传感器供电电路、传感器输出信号提取电路以及供电配置电路。所述电化学气体传感器为三电极结构，包括工作电极2、对电极1及参考电极3。

传感器输出信号提取电路用于接收工作电极2输出的电流信号并将其放大后输出。

所述供电配置电路还用于向传感器供电电路供电，所述传感器供电电路用于将供电配置电路输出的电压信号传输给电化学传感器的对电极1，提供恒定的电化学气体传感器工作电压。

具体的，所述传感器供电电路包括运算放大器U2A、电阻R5及电阻R6；供电配置电路的电压输出端通过电阻R6与运算放大器U2A的正相输入端连接；电阻R5的一端与运算放大器U2A的反相输入端连接，电阻R5的另一端用于连接电化学气体传感器的参考电极3；所述运算放大器U2A的输出端用于连接电化学气体传感器的对电极1。

为了稳定电化学气体传感器对电极上的电位，可以在运算放大器U2A的输出端与电阻R5中用于连接电化学气体传感器的参考电极3的一端之间接入滤波电容C2，也即是在运算放大器U2A的输出端与电化学气体传感器的参考电极3之间接入滤波电容C2。

所述传感器输出信号提取电路包括运算放大器U2B、电阻R7、电阻R9及电阻R11；所述供电配置电路的电压输出端还通过电阻R11与运算放大器U2B的正相输入端连接；所述电阻R9的一端与运算放大器U2B的反相输入端连接,电阻R9另一端用于连接电化学气体传感器的工作电极2；运算放大器U2B的反相输入端通过电阻R7与运算放大器U2B的输出端连接。电化学气体传感器的气体响应电流，即目标气体在工作电极上发生氧化还原反应后输出的电流，流经电阻R9、电阻R7，从而在电阻R7上得到与电流成正比的电压信号，作为气体响应信号输出。

所述供电配置电路包含电阻R8与电阻R10，电阻R8的一端与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端接地，电阻R8的另一端接直流电压源VCC；电阻R8与电阻R10的公共连接段为供电配置电路的电压输出端；R10电阻为阻值可调的可变电阻。

可变电阻R10的阻值可实现无级调节，供电配置电路输出的电压值为

，供电配置电路输出的电压大于或等于0，当R10的阻值为0时供电配置电路输出的电压值为0。

如图3，下面阐述本发明中电化学气体传感器正反向电流适配电路的工作方法。

首先需要明确的是当电化学气体传感器工作电极上的电流信号方向为从工作电极流向外围电路时电化学气体传感器输出的电流信号为反向电流，即负电流；当电化学气体传感器工作电极上的电流信号方向为从外围电路流向工作电极时电化学气体传感器输出的电流信号为正向电流，即正电流。

本发明中的适配方法包括：

步骤1：在将电化学传感器接入适配电路前先根据数据手册等技术资料确定所述电化学气体传感器输出的电流信号是正电流还是负电流，若是正向电流执行步骤2，若是反向电流执行步骤3；

步骤2：控制所述供电配置电路输出电压为V1；电压V1满足这样的条件：当所述电化学气体传感器输出最大值时，电压V1使传感器输出信号提取电路工作在线性放大状态；

步骤3：控制所述供电配置电路输出电压大于V2；电压V2满足这样的条件：当所述电化学气体传感器输出最小值时，电压V2使传感器输出信号提取电路的输出电压非负，当所述电化学气体传感器输出最大值时，电压V2使传感器输出信号提取电路工作在线性放大状态。

具体的，在图2所示的电路中，当传感器输出正电流时，电压V1满足这样的条件：运算放大器U2B的输出值

不超出运算放大器U2B工作在线性放大状态时的输出值范围；当传感器输出负电流时，电压V2满足这样的条件：运算放大器U2B的输出值

为非负数且不超出运算放大器U2B工作在线性放大状态时的输出值范围，其中

为电化学气体传感器输出的电流大小的绝对值，

为电阻R7阻值。

例如：运算放大器U2B的线性放大范围是0~5V，若其输出电压大于5V时就出现饱和失真。若传感器输出正电流时，传感器的电流值随气体浓度增加而增加，运算放大器U2B的输出值

也会随之增大，电压V1应满足条件：

,即

 应始终维持在在[0,5]之间，由于电阻R10阻值可调，可以根据传感器输出电流的范围及电阻R7的大小将电压V1调整为合适的大小，使得

，具体的可以在传感器输出正电流时将电压V1调整为0。若传感器输出负电流时，传感器的负电流值随气体浓度增加而减小，运算放大器U2B的输出值也会随之减小，电压V2应满足条件：

,即

 应始终维持在[0,5]之间，根据传感器输出电流的范围及电阻R7的大小将电压V2调整为合适的大小，使得

，具体的可以在传感器输出负电流时将电压V2调整为5V。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种电化学气体传感器正反向电流适配电路，包括传感器供电电路及传感器输出信号提取电路，所述传感器供电电路用于向电化学气体传感器供电，传感器输出信号提取电路用于接收并放大电化学气体传感器输出的信号；

其特征在于，

还包括供电配置电路；所述供电配置电路用于输出大于或等于0的电压信号给所述传感器输出信号提取电路，使得传感器输出信号提取电路的输出电压信号大于或等于0。

2.根据权利要求1所述的一种电化学气体传感器正反向电流适配电路，其特征在于，所述供电配置电路还用于向传感器供电电路提供输入电压。

3.根据权利要求2所述的一种电化学气体传感器正反向电流适配电路，其特征在于，所述供电配置电路包含第一电阻与第二电阻，第一电阻的一端与第二电阻的一端连接，第一电阻的另一端接地，第二电阻的另一端接直流电压源；第一电阻与第二电阻的公共连接段为供电配置电路的电压输出端；第一电阻为阻值可调的可变电阻。

4.根据权利要求3所述的一种电化学气体传感器正反向电流适配电路，其特征在于，所述电化学气体传感器还包括参考电极；所述传感器供电电路包括第一运算放大器、第三电阻及第四电阻；供电配置电路的电压输出端通过第三电阻与第一运算放大器的正相输入端连接；第四电阻的一端与第一运算放大器的反相输入端连接，第四电阻的另一端用于连接电化学气体传感器的参考电极；所述第一运算放大器的输出端连接电化学气体传感器的对电极。

5.根据权利要求4所述的一种电化学气体传感器正反向电流适配电路，其特征在于，第一运算放大器的输出端与第四电阻中用于连接电化学气体传感器参考电极的一端之间接有滤波电容。

6.根据权利要求5所述的一种电化学气体传感器正反向电流适配电路，其特征在于，所述传感器输出信号提取电路包括第二运算放大器、第五电阻、第六电阻及第七电阻；所述供电配置电路的电压输出端通过第五电阻与第二运算放大器的正相输入端连接；所述第六电阻的一端与第二运算放大器的反相输入端连接, 第六电阻另一端用于连接电化学气体传感器的工作电极；第二运算放大器的反相输入端通过第七电阻与第二运算放大器的输出端连接。

7.如权利要求1~6中任意一项所述的电化学气体传感器正反向电流适配方法，其特征在于，包括：

步骤1：确定所述电化学气体传感器输出的电流信号是正电流还是负电流，若是正电流执行步骤2，若是负电流执行步骤3；

步骤2：控制所述供电配置电路输出电压为V1；电压V1满足这样的条件：当所述电化学气体传感器输出最大值时，电压V1使传感器输出信号提取电路工作在线性放大状态；

步骤3：控制所述供电配置电路输出电压大于V2；电压V2满足这样的条件：当所述电化学气体传感器输出最小值时，电压V2使传感器输出信号提取电路的输出电压非负，当所述电化学气体传感器输出最大值时，电压V2使传感器输出信号提取电路工作在线性放大状态；

当电化学气体传感器工作电极上的电流信号方向为从工作电极流向外围电路时电化学气体传感器输出的电流信号为负电流；当电化学气体传感器工作电极上的电流信号方向为从外围电路流向工作电极时电化学气体传感器输出的电流信号为正电流。

8.根据权利要求7所述的电化学气体传感器正反向电流适配方法，其特征在于，在所述步骤2或步骤3中，调节所述可变电阻的阻值大小控制供电配置电路输出电压为V1或V2。

9.根据权利要求8所述的电化学气体传感器正反向电流适配方法，其特征在于，电压V1满足这样的条件：                                               

不超出第二运算放大器工作在线性放大状态时的输出值范围，其中为电化学气体传感器输出的电流大小的绝对值，

为第七电阻阻值。

10.根据权利要求7或8或9所述的电化学气体传感器正反向电流适配方法，其特征在于，电压V2满足这样的条件：

为非负数且不超出第二运算放大器工作在线性放大状态时的输出值范围，其中

为电化学气体传感器输出的电流大小的绝对值，为第七电阻阻值。

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