CN105259228A - 适于电化学传感器的信号调理电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适于电化学传感器的信号调理电路。电化学传感器A1的三个电极端分别加上一个型号为MEM2012T50R0T的电磁干扰过滤器FL1、FL2、FL3，电阻R22与电容C9组成滤波电路与另一个运算放大器U2B的输出端相连，并在滤波电路后也加上一个电磁干扰过滤器FL4。偏置电压Voffset经电阻R15接入运算放大器U2B的正输入端，并在运算放大器U2B的正负输入端之间连接电容C8，使运算放大器U2B构成负反馈电路；电阻R17与R13的阻值确定了放大电路U2B的放大倍数，实现低值信号成倍放大为高值信号。本发明能够同时适用于不同种类的有毒有害气体如CO、H2S、SO2、NO2、CL2，以及更多种有毒有害气体如NH3,PH3、HCN、CLO2、O3，且能使气体检测仪的响应时间较同类型产品更短。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器信号调理电路。
背景技术
气体检测仪是在具有危险气体的作业环境下，为了人身安全必须装备的检测仪器。在有毒有害气体检测仪的硬件电路设计中，由于电化学传感器的优越性能，已经使其成为有毒有害气体检测仪设计的主流选择。传感器信号调理电路的设计尤为关键，它是气体检测仪如何准确检测气体浓度值，并使气体检测仪根据检测到的气体浓度值大小做出反应的关键设计。
现有的有毒有害气体检测仪产品设计中，一种信号调理电路只能适用于一种有毒有害气体型号的电化学传感器，当需要检测另一种有毒有害气体时，不仅要更换成另一种传感器，而且整个信号调理电路必须重新设计。这必然会导致研发成本的增加和设计电路所需原材料种类繁多等问题。此外，信号调理电路的设计优劣也直接关系到气体检测仪的某些关键参数，如响应时间的长短。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适于电化学传感器的信号调理电路。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：适于电化学传感器的信号调理电路，其特征在于：包括电化学传感器A1、场效应管Q1、滤波器FL1、FL2、FL3、FL4、FL5、运算放大器U2A、运算放大器U2B、AD转换芯片U3；
所述电化学传感器A1包括感应电极S、参考电极R、对电极C；
所述对电极C与滤波器FL1连接，FL1通过电阻R9串联，连接到运算放大器U2A输出端；在U2A的正负输入端之间跨接一个电容C42，U2A的正输入端连接电阻R12，并在R12的另一端加入一个偏置电压Vbais；运算放大器U2A构成负反馈放大电路；
所述感应电极S和参考电极R分别与场效应管Q1的源极s、漏极d连接，并在感应电极S与参考电极R之间跨接电容C3；
所述感应电极S再与滤波器FL3连接，FL3通过负载电阻R13与运算放大器中的U2B的负输入端连接；
所述参考电极R与滤波器FL2连接，FL2通过串联的电阻R10和R11与运算放大器U2A的负输入端连接；电阻R10和R11的连接点与U2A的输出端之间连接一个电容C2；
所述场效应管Q1的栅极g连接到滤波器FL5；
所述运算放大器U2B的负输入端和输出端中间跨接一个增益电阻R17；
偏置电压Voffset经电阻R15接入运算放大器U2B的正输入端，并在运算放大器U2B的正负输入端之间连接电容C8，使运算放大器U2B构成负反馈电路；
运算放大器U2B构成的负反馈电路中，电阻R17和R13的阻值大小决定了放大倍数及电路输出值的稳定效果；
运算放大器U2B输出经过放大处理的信号，连接到由电阻R22和电容C9构成的低通滤波电路，可将信号中不需要的高频信号及杂波信号去除，然后连接到滤波器FL4，进行防电磁干扰处理，使得更纯净的信号输入到AD转换芯片U3中；
运算放大器U2B的输出端经过第二滤波的信号端连接到AD转换芯片U3的输入端Vin+，AD转换芯片芯片U3内部可将模拟信号转换为数字信号，并通过SCL和SDA引脚用IIC协议传输给主控芯片。
作为优选，电化学传感器A1为探测不同种类有毒有害气体CO、H2S、SO2、NO2、CL2的电化学传感器；通过选定电阻R13和R17的阻值，使得能够同时适用于这5种传感器整个信号调理电路。
作为优选，电化学传感器A1为具有拓展功能检测更多种有毒有害气体NH3,PH3、HCN、CLO2、O3这几类气体的电化学传感器；通过改动电阻R17的阻值，使得整个负反馈放大电路中能够同时适用这5种气体类型的电化学传感器。
作为优选，电化学传感器A1为英国城市技术公司生产的4系列便携式的电化学传感器。
作为优选，滤波器FL1、FL2、FL3、FL4、FL5的型号为MEM2012T50R0T。
作为优选，运算放大器U2A和U2B构成双运算放大器。
作为进一步的优选，双运算放大器的型号为LT1495CS8。
作为优选，场效应管Q1的型号为J/SST177。
作为优选，AD转换芯片U3的型号为ADS1110A0IDBVR。
作为优选，1PPM浓度的被测气体对应的所述电化学传感器A1转换后电压值按下式计算：
1PPM浓度的被测气体对应的转换后电压值(伏特)＝F+Z*(X/Y)
上式中：
Z：传感器的关键参数气体浓度1ppm对应的电化学反应电流值，单位为nA/ppm；
F：偏置电压Voffset大小，单位为伏特(V)；
X：R17的阻值，单位为欧姆(Ω)；
Y：R13的阻值，单位为欧姆(Ω)。
本发明的有益效果是：
作为用于有毒有害电化学传感器的信号调理电路，能够同时适用于不同种类的有毒有害气体如CO、H2S、SO2、NO2、CL2，对于拓展功能检测更多种有毒有害气体如NH3,PH3、HCN、CLO2、O3只需要更换整个信号调理电路中的一个电阻即可以实现且能使气体检测仪的响应时间较同类型产品更短。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明传感器信号调理电路实施例的电路图。
具体实施方式
图1是一种用于电化学传感器的信号调理电路，该电路由电化学传感器A1、场效应管Q1、滤波器FL1、FL2、FL3、FL4、FL5、运算放大器U2A、运算放大器U2B、AD转换芯片U3组成。
电化学传感器A1有3个电极，即感应电极S、参考电极R、对电极C。
对电极C与滤波器FL1连接，滤波器FL1通过电阻R9串联，连接到运算放大器U2A的输出端。在U2A的正负输入端之间跨接一个100pF的电容C42，U2A的正输入端连接阻值为10K的电阻R12，并在R12的另一端加入一个偏置电压，运算放大器U2A构成负反馈放大电路。
感应电极S和参考电极R与场效应管Q1的源极s、漏极d连接，并在感应电极S与参考电极R之间跨接0.1uF的电容C3。感应电极S再与滤波器FL3连接，FL3通过负载电阻R13与运算放大器U2B的负输入端连接。
参考电极R与滤波器FL2连接，FL2的另一端连接10K的电阻R10，R10另一端与10K的电阻R11连接，R11的另一端直接连接到U2A的负输入端。电阻R10和R11的连接点与U2A的输出端之间连接一个0.1uF的电容C2。
场效应管Q1的栅极g连接到滤波器FL5。
运算放大器U2A和U2B共2个运算放大器，构成了双运算放大器。
双运算放大器中的U2A在场效应管开关Q1打开时，U2A有一个微小的偏置电压保证电化学传感器A1不发生严重偏压，并使电化学传感器在短接后稳定时间变短。
经由感应电极S输出的电流信号，流过滤波器FL3，再接入负载电阻R13，电阻R13接入运算放大器U2B的负输入端，在运算放大器U2B的负输入端和输出端中间跨接一个增益电阻R17。偏置电压经电阻R15接入双运算放大器中的U2B的正输入端，并在U2B的正负输入端之间连接电容C8，这样运算放大器U2B便连接成了负反馈电路，可将微弱的电流信号，成数百或千倍的放大为电压信号，并由运算放大器U2B的输出端输出给下一个电路。
电阻R17和R13的阻值大小的选定非常关键，在运算放大器U2B构成的负反馈电路中决定了放大倍数及电路输出值的稳定效果。
在本实施例中，1PPM浓度的被测气体对应的电化学传感器转换后电压值按下式计算：
1PPM浓度的被测气体对应的转换后电压值(伏特)＝F+Z*(X/Y)
上式中：
Z：传感器的关键参数气体浓度1ppm对应的电化学反应电流值，单位为nA/ppm；
F：偏置电压Voffset大小，单位为伏特(V)；
X：R17的阻值，单位为欧姆(Ω)；
Y：R13的阻值，单位为欧姆(Ω)。
用于探测不同种类有毒有害气体(如CO、H2S、SO2、NO2、CL2)的电化学传感器，都有着类似的3个电极，但是在传感器内部进行电化学反应因气体类型不同，电化学反应后由感应电极流出的微弱电流的信号是不同的。所以选定电阻R13和R17的值，使得能够同时适用于这5种传感器整个信号调理电路最关键的设计。
当检测更多种有毒有害气体如NH3,PH3、HCN、CLO2、O3时，这几类气体的电化学传感器有着类似的3个电极。由于原先设定的电阻R13和R17的值不能有效放大这几类电化学传感器输出的电流信号，所以需要改动其中的电阻R17的阻值，使得改动后的R17的电阻值在整个负反馈放大电路中能够同时适用这5种气体类型的电化学传感器。
运算放大器U2B输出经过放大处理的信号，连接到由电阻R22(100kΩ)和电容C9(1uF)构成的低通滤波电路，可将信号中不需要的高频信号及杂波信号去除，然后连接到滤波器FL4，进行防电磁干扰处理，使得更纯净的信号输入到AD转换芯片U3中。
由运算放大器U2B输出并经过第二滤波的信号端连接到AD转换芯片U3的输入端Vin+，AD转换芯片U3内部可将模拟信号转换为数字信号，并通过SCL和SDA引脚用IIC协议传输给主控芯片。
本实施例的主要元件型号如下：
电化学传感器A1为英国城市技术公司的4系列便携式的电化学传感器。
滤波器FL1、FL2、FL3、FL4、FL5的型号均为MEM2012T50R0T。
双运算放大器型号为LT1495CS8，其由2个运算放大器U2A、U2B构成。
场效应管Q1的型号为J/SST177。
AD转换芯片U3的型号为ADS1110A0IDBVR。
工作原理：
气体浓度值信号的采集主要是通过电化学传感器，传感器将气体浓度值通过化学反应转换成电信号。传感器与信号调理电路连接，传感器检测到的信号传送给信号调理电路，信号调理电路接收信号并对信号进行调理。
信号调理电路接收的信号里面包含有杂波和干扰成分，而信号调理电路会先对采集到的信号进行滤波和防电磁干扰处理，然后再把处理后的气体浓度值电信号通过运算放大器进行放大处理，再对放大后的信号进行滤波和抗干扰处理，最后传输给AD转换芯片将接收到的模拟信号转换成数字信号并传输给主控芯片。
本实施例的信号调理电路使用了双运算放大器。其中的一个运算放大电路U2A能输出一个小的偏置电压使工作放大器不会使传感器发生严重偏压，使得传感器的稳定时间缩短，增强信号调理电路的快速反应功能。电阻R17与R13的阻值确定了放大电路的放大倍数，实现低值信号成倍放大为高值信号。为保证仪器在断路时处于准备工作状态，通过场效应管Q1将参考电极与感应电极短接。
在电化学传感器A1的三个电极端分别加上一个型号为MEM2012T50R0T的电磁干扰过滤器FL1、FL2、FL3，电阻R22与电容C9组成滤波电路与另一个运算放大器U2B的输出端相连，并在滤波电路后也加上一个电磁干扰过滤器FL4。
在电阻R16一端留有信号调理电路检测口，软件程序通过此口读取运算放大电路的工作状态，并由主控芯片判断信号调理电路是否有故障。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.适于电化学传感器的信号调理电路，其特征在于：包括电化学传感器A1、场效应管Q1、滤波器FL1、FL2、FL3、FL4、FL5、运算放大器U2A、运算放大器U2B、AD转换芯片U3；
所述电化学传感器A1包括感应电极S、参考电极R、对电极C；
所述对电极C与滤波器FL1连接，FL1通过电阻R9串联，连接到运算放大器U2A输出端；在U2A的正负输入端之间跨接一个电容C42，U2A的正输入端连接电阻R12，并在R12的另一端加入一个偏置电压Vbais；运算放大器U2A构成负反馈放大电路；
所述感应电极S和参考电极R分别与场效应管Q1的源极s、漏极d连接，并在感应电极S与参考电极R之间跨接电容C3；
所述感应电极S再与滤波器FL3连接，FL3通过负载电阻R13与运算放大器中的U2B的负输入端连接；
所述参考电极R与滤波器FL2连接，FL2通过串联的电阻R10和R11与运算放大器U2A的负输入端连接；电阻R10和R11的连接点与U2A的输出端之间连接一个电容C2；
所述场效应管Q1的栅极g连接到滤波器FL5；
所述运算放大器U2B的负输入端和输出端中间跨接一个增益电阻R17；
偏置电压Voffset经电阻R15接入运算放大器U2B的正输入端，并在运算放大器U2B的正负输入端之间连接电容C8，使运算放大器U2B构成负反馈电路；
运算放大器U2B构成的负反馈电路中，电阻R17和R13的阻值大小决定了放大倍数及电路输出值的稳定效果；
运算放大器U2B输出经过放大处理的信号，连接到由电阻R22和电容C9构成的低通滤波电路，可将信号中不需要的高频信号及杂波信号去除，然后连接到滤波器FL4，进行防电磁干扰处理，使得更纯净的信号输入到AD转换芯片U3中；
运算放大器U2B的输出端经过第二滤波的信号端连接到AD转换芯片U3的输入端Vin+，AD转换芯片芯片U3内部可将模拟信号转换为数字信号，并通过SCL和SDA引脚用IIC协议传输给主控芯片。
2.根据权利要求1所述的信号调理电路，其特征在于：所述电化学传感器A1为探测不同种类有毒有害气体CO、H2S、SO2、NO2、CL2的电化学传感器；通过选定电阻R13和R17的阻值，使得能够同时适用于这5种传感器整个信号调理电路。
3.根据权利要求1所述的信号调理电路，其特征在于：所述电化学传感器A1为具有拓展功能检测更多种有毒有害气体NH3,PH3、HCN、CLO2、O3这几类气体的电化学传感器；通过改动电阻R17的阻值，使得整个负反馈放大电路中能够同时适用这5种气体类型的电化学传感器。
4.根据权利要求2或3所述的信号调理电路，其特征在于：所述电化学传感器A1为英国城市技术公司生产的4系列便携式的电化学传感器。
5.根据权利要求1所述的信号调理电路，其特征在于：所述滤波器FL1、FL2、FL3、FL4、FL5的型号为MEM2012T50R0T。
6.根据权利要求1所述的信号调理电路，其特征在于：所述运算放大器U2A和U2B构成双运算放大器。
7.根据权利要求6所述的信号调理电路，其特征在于：所述双运算放大器的型号为LT1495CS8。
8.根据权利要求1所述的信号调理电路，其特征在于：所述场效应管Q1的型号为J/SST177。
9.根据权利要求1所述的信号调理电路，其特征在于：所述AD转换芯片U3的型号为ADS1110A0IDBVR。
10.根据权利要求1-9任何一项所述的信号调理电路，其特征在于：1PPM浓度的被测气体对应的所述电化学传感器A1转换后电压值按下式计算：
1PPM浓度的被测气体对应的转换后电压值(伏特)＝F+Z*(X/Y)
上式中：
Z：传感器的关键参数气体浓度1ppm对应的电化学反应电流值，单位为nA/ppm；
F：偏置电压Voffset大小，单位为伏特(V)；
X：R17的阻值，单位为欧姆(Ω)；
Y：R13的阻值，单位为欧姆(Ω)。
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