CN103235011B - 一种半导体臭氧传感器测量电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体臭氧传感器测量电路。其特征在于：由单片机控制电路（1）、测量电极电流源电路（2）、测量电极电压测量电路（3）、半导体臭氧传感器（4）和加热电极供电电路（5）组成；测量电极电流源电路（2）输入端与单片机控制电路（1）数模转换器DAC接口相连，输出端与半导体臭氧传感器（4）测量电极（4a）引脚1、3相连；测量电极电压测量电路（3）与半导体臭氧传感器（4）测量电极（4a）引脚1、3相连，输出端与单片机控制电路（1）模数转换器ADC接口相连。本发明的有益效果是可以实现半导体臭氧浓度传感器测量电极的恒流供电，使传感器测量电极工作在稳定的电流下，实现半导体臭氧传感器数字化定量检测。
Description
技术领域
本发明涉及用于测量空气中臭氧浓度的一种半导体臭氧传感器测量电路。
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，优点为检测精度高，稳定性好，其它氧化剂干扰小。缺点为价格较高。半导体臭氧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湿度影响比较大，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仅被用作定性测量。
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，其电阻值会发生变化，臭氧浓度与测量电极电阻值呈确定函数关系，通过测量传感器的测量电极电阻值可以得到臭氧浓度的大小。常规测量电路是将传感器测量电极与一固定值电阻串联，两端加固定值电压，测量固定值电阻两端电压，用来间接测量传感器的测量电极的阻值，得到臭氧浓度值。由于传感器测量电极的阻值在有臭氧和无臭氧的情况下变化很大，串联电路的电流也是不稳定的，造成臭氧传感器的工作电流不稳定，测量结果不准确，实际应用中甚至出现臭氧浓度越高，测量电极阻值测量结果与反应方向相反的变化趋势，而且测量重复性差，难以实现定量测量。
发明内容
为了改善现有的半导体臭氧传感器测量电路测量结果的稳定性和重复性，提高测量精度，本发明设计提供一种新型的半导体臭氧传感器的测量电路，即通过一个可控电流源对测量电极的电流进行控制，使传感器工作时测量电流始终保持在一个稳定值，为半导体臭氧传感器的测量提供一个稳定的电流工作条件，从而不会出现由于常规测量电路中出现的测量电极的电流不稳定的情况，影响半导体臭氧传感器的测量精度的问题。通过这样的措施有效的增加了半导体臭氧传感器的测量范围，提高了测量精度和测量的稳定性。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案如下所述：
一种半导体臭氧传感器测量电路，该电路由单片机控制电路1、测量电极电流源电路2、测量电极电压测量电路3、半导体臭氧传感器4和加热电极供电电路5组成；所述测量电极电流源电路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的测量电极4a引脚1、3相连；所述测量电极电压测量电路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的测量电极4a引脚1、3相连接，所述测量电极电压测量电路3通过集成运算放大器U1B的引脚7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；所述加热电极供电电路5采用已授权发明专利ZL201110128447.3的电路和补偿方法，加热电极供电电路5与半导体臭氧传感器4的加热电极4b引脚2相连；半导体臭氧传感器4的引脚4、5、6接地。
所述测量电极电流源电路2为半导体臭氧传感器4的测量电极4a供电，根据测量电极电阻的敏感特性，利用测量电极电压测量电路3来检测测量电极两端的电压变化，得到测量电极的阻值变化，从而确定所测臭氧浓度值，单片机控制电路1根据量程设定范围，调整测量电极电流源电路2的电流大小，使半导体臭氧传感器4既可以工作在不同的测量范围，又能在正常测量时获得一个稳定的工作电流。
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传感器测量电极的电流源供电，并控制测量电极电流的稳定输出，达到测量电极恒流控制的目的。
2、本发明中的半导体臭氧浓度传感器测量电路可以准确获得测量电极的电阻值变化，根据其和臭氧浓度的确定函数关系，得到臭氧浓度值，测量结果精度高、重复性好、稳定性高。
3、本发明中的半导体臭氧浓度传感器测量电路输出信号是电压信号，测量电极电流控制电路也是采用电压控制，可以方便地实现与单片机接口控制传感器工作电流和检测臭氧浓度，实现半导体臭氧传感器数字化检测。
4、本发明设计的半导体臭氧浓度传感器测量电路体积小，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.测量电极电流源电路；3.测量电极电压测量电路；4.半导体臭氧传感器；4a.测量电极；4b.加热电极；4c.外壳；5.加热电极供电电路；Q1.三极管；R1、R2.电阻；U1A、U1B.集成运算放大器；DAC.数模转换器；ADC.模数转换器。
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，本发明专利改变了常规半导体臭氧传感器测量电极的供电方式，采用一个可控电流源电路为测量电极进行恒流供电，采用一个测量电极电压测量电路测得测量电极两端的电压，利用单片机电路进行控制和检测，通过计算得到所测臭氧浓度。测量前，首先利用一定浓度的臭氧气体进行校正，通过单片机控制调整流过测量电极的电流，使其工作在一个稳定的电流供电状态，正常工作时，单片机控制电路利用数模转换器（DAC）电压输出V3控制测量电极电流源输出一个恒定的电流Is。此时便可从测量电极得到测量电压Vs，根据欧姆定律Rs=Vs/Is,可以得出测量电极的电阻值Rs，从而得出臭氧的浓度值M。
综上所述的测量方法是利用半导体臭氧传感器测量电极的电阻随测量臭氧的浓度变化的规律：
M=f（Rs/R0）
式中Rs是臭氧浓度为M时测量电极的电阻值，R0是在纯净的空气中时测量电极的电阻值,臭氧浓度M和（Rs/R0）的值有着确定的函数关系。
如果要改变测量范围，可以通过单片机控制流过测量电极的电流Is，根据Vs=Rs×Is,可以利用不同浓度的臭氧气体来标定满量程电压，使测量电极工作在不同的电流值，从而可以实现多个测量量程。
如图2所示，本发明主要由测量电极电流源电阻（R1）、电阻（R2）、集成运算放大器（U1A、U1B）、半导体臭氧传感器（4）、三极管（Q1）、单片机控制电路（1）和加热电极供电电路（5）等组成。集成运算放大器（U1A）、三极管（Q1）和电阻（R1、R2）组成一个测量电极电流源电路（2），与测量电极（4a）的引脚1、3相连，用来为半导体臭氧传感器（4）的测量电极（4a）恒流供电；根据理想运放的虚短的特性，U1A的2、3管脚电压相同，因此R1两端的电压为（VCC-V3），又根据虚断的特性，流入U1A第2、3管脚的电流约为0，流过R1的电流约为I1，三极管Q1的基极电流相对于集电极电流I1可以忽略不计，流过传感器测量电极Rs的电流I2≈I1，I2≈（VCC-V3）/R1，R1的阻值是一定的，单片机控制电路（1）的数模转换器（DAC）电压输出接口与运放U1A的引脚3相连接,根据理想运放虚短特性，V1=V2=V3=VDAC，I2≈（VCC-VDAC）/R1，控制输出电压VDAC的大小可以调节测量电极电流源电路（2）输出电流I2的大小，达到调节测量电极工作电流的目的；测量电极两端的电压V4=Rs*I2，其中Rs为测量电极的阻值，其大小随着臭氧浓度的变化而变化，I2的值是已知的，通过测量V4的大小就可以得到测量电极的阻值Rs，根据其臭氧浓度特性曲线可以得到当前的臭氧浓度。集成运放U1B作为一个电压跟随器其引脚7与单片机控制电路（1）的模数转换器（ADC）输入引脚连接，输出电压V5=V4=VADC，单片机控制电路（1）通过检测VADC的大小判断所测量臭氧的浓度。
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，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。
Claims (1)
1.一种半导体臭氧传感器测量电路，其特征在于：该电路由单片机控制电路（1）、测量电极电流源电路（2）、测量电极电压测量电路（3）、半导体臭氧传感器（4）和加热电极供电电路（5）组成；所述测量电极电流源电路（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）的测量电极（4a）引脚1、3相连；所述测量电极电压测量电路（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）的测量电极（4a）引脚1、3相连接，所述测量电极电压测量电路（3）通过集成运算放大器(U1B)的引脚7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；加热电极供电电路（5）与半导体臭氧传感器（4）的加热电极（4b）引脚2相连接，半导体臭氧传感器（4）的引脚4、5、6接地。
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