CN110208686B - 一种电化学传感器模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电化学传感器模拟装置，包括一外壳，外壳内设置一电路板，电路板上设置有负反馈单元、微控制器、显示单元、键盘和数模转换器；负反馈单元连接数模转换器和负载，微控制器连接显示单元、键盘和数模转换器。所述微控制器根据键盘输入的气体浓度值输出对应的调试值至数模转换器，数模转换器将所述调试值转换为对应的模拟电压并传输至负反馈单元；负反馈单元采集负载的电流并输出对应的采样电压，将模拟电压与采样电压进行比较来调节负载的电流大小；微控制器根据所述调试值输出对应的负载的电流值，显示单元显示所述气体浓度值和电流值。通过键盘直接输入所需的气体浓度值，无需释放毒害气体，既环保又不会影响测试人员健康。
Description
技术领域
本发明涉及环保监测技术领域，特别涉及一种电化学传感器模拟装置。
背景技术
目前市面上暂无专门针对电化学气体传感器的模拟装置。而对于电化学气体传感器的信号调理电路都需要配合相应的气体传感器和标准气体进行调试、测试。对于某些有毒气体、VOCs（volatile organic compounds，挥发性有机物）而言，需要释放这类毒害气体并控制其浓度大小，使电化学气体传感器能输出测试所需的气体浓度值，以便于信号调理电路进行定向调试；这样既不环保也不利于测试人员健康，使用也非常不方便。
因而现有技术还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种电化学传感器模拟装置，以解决现有毒害气体测试不环保也不利于测试人员健康的问题。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种电化学传感器模拟装置，包括一外壳，所述外壳内设置一电路板，其中，所述电路板上设置有负反馈单元、微控制器、显示单元、键盘和数模转换器；
所述微控制器根据键盘输入的气体浓度值输出对应的调试值至数模转换器，数模转换器将所述调试值转换为对应的模拟电压并传输至负反馈单元；所述负反馈单元采集负载的电流并输出对应的采样电压，将模拟电压与采样电压进行比较来调节负载的电流大小；微控制器根据所述调试值输出对应的负载的电流值，所述显示单元显示所述气体浓度值和电流值；
所述负反馈单元连接数模转换器和负载，所述微控制器连接显示单元、键盘和数模转换器。
所述的电化学传感器模拟装置中，所述负反馈单元包括电流采样电路和负反馈电路；
所述电流采样电路，用于采集负载的电流并通过运算比较输出对应的采样电压；
所述负反馈电路，用于将模拟电压与采样电压进行比较，根据比较结果调节负载的电流大小；
所述电流采样电路连接负反馈电路，负反馈电路连接数模转换器和负载。
所述的电化学传感器模拟装置中，所述电流采样电路包括采样电阻、二极管、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻；
所述第一运算放大器的同相输入端连接二极管的正极和采样电阻的一端，第一运算放大器的供电端连接二极管的负极和电源端，第一运算放大器的反相输入端通过第一电阻连接第一运算放大器的输出端和第三电阻的一端，第二运算放大器的同相输入端连接采样电阻的另一端和负反馈电路，第二运算放大器的供电端连接电源端，第二运算放大器的反相输入端通过第二电阻连接第二运算放大器的输出端和第五电阻的一端，第三运算放大器的同相输入端连接第三电阻的另一端和第四电阻的一端，第三运算放大器的供电端和第四电阻的另一端均连接电源端，第三运算放大器的反相输入端连接第五电阻的另一端和第六电阻的一端，第三运算放大器的输出端连接第六电阻的另一端和负反馈电路。
所述的电化学传感器模拟装置中，所述负反馈电路包括第四运算放大器、电容、MOS管和第七电阻；
所述第四运算放大器的同相输入端连接第三运算放大器的输出端和第六电阻的另一端，第四运算放大器的反相输入端连接电容的一端和第七电阻的一端，第七电阻的另一端连接数模转换器的输出端，电容的另一端连接第四运算放大器的接地端和地，第四运算放大器的供电端连接电源端，第四运算放大器的输出端连接MOS管的栅极，MOS管的源极连接第二运算放大器的同相输入端和采样电阻的另一端，MOS管的漏极通过负载接地。
所述的电化学传感器模拟装置中，所述第三电阻的阻值与第五电阻相同，第四电阻的阻值与第六电阻相同。
所述的电化学传感器模拟装置中，所述二极管为稳压二极管。
所述的电化学传感器模拟装置中，所述MOS管为P沟道MOS管。
相较于现有技术，本发明提供的一种电化学传感器模拟装置，包括一外壳，所述外壳内设置一电路板，所述电路板上设置有负反馈单元、微控制器、显示单元、键盘和数模转换器；所述负反馈单元连接数模转换器和负载，所述微控制器连接显示单元、键盘和数模转换器。所述微控制器将键盘传输的调试值写入数模转换器，数模转换器将所述调试值转换为对应的模拟电压并传输至负反馈单元；所述负反馈单元采集负载的电流并输出对应的采样电压，将模拟电压与采样电压进行比较来调节负载的电流大小；微控制器根据所述调试值输出对应的负载的电流值，所述显示单元显示所述气体浓度值和电流值。通过键盘直接输入所需的气体浓度值，无需释放毒害气体，既环保又不会影响测试人员健康。
附图说明
图1为本发明提供的电化学传感器模拟装置的结构示意图。
图2为本发明提供的电化学传感器模拟装置的电路图。
具体实施方式
本发明提供一种电化学传感器模拟装置。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请同时参阅图1和图2，所述电化学传感器模拟装置包括一外壳，所述外壳内设置一电路板，所述电路板上设置有负反馈单元10、微控制器（即MCU）20、显示单元30、键盘40和数模转换器（DAC，Digital -to-Analog Converte）50；所述负反馈单元10连接数模转换器50和负载RL，所述微控制器20连接显示单元30、键盘40和数模转换器50。所述微控制器20根据键盘40（数字键盘）输入的气体浓度值输出对应的调试值至数模转换器50，数模转换器50将所述调试值转换为对应的模拟电压并传输至负反馈单元10。所述负反馈单元10采集负载的电流并输出对应的采样电压，将模拟电压与采样电压进行比较来调节负载的电流大小。
通过键盘40直接输入所需的气体浓度值，无需释放毒害气体，既环保又不会影响测试人员健康；将微控制器20与负反馈单元10结合实现负载的电流定值调节，既方便测试又方便数值调试，适用于生产线批量在线测试。
本实施例中，所述微控制器20还根据所述调试值输出对应的负载的电流值，所述显示单元30显示键盘输入的气体浓度值和负载的电流值。需要理解的是，测试人员通过键盘40输入气体浓度值，微控制器20内预先存储各种气体浓度值、调试值、负载的电流值这三者的对应关系表；当某种气体的气体浓度值为A时，需要输出调试值B将负载的电流调节至预设的电流值C。这样微控制器20查询对应关系表即可获得调节后负载的电流值，输出至显示单元显示以便能更直观地了解该气体浓度值对应的当前的电流大小。
本实施例中，所述负反馈单元10包括电流采样电路110和负反馈电路120；所述电流采样电路110连接负反馈电路120，负反馈电路120连接数模转换器和负载。所述电流采样电路110用于采集负载的电流并通过运算比较输出对应的采样电压，负反馈电路120将模拟电压与采样电压进行比较，根据比较结果调节负载的电流大小，调节至电流值等于显示单元30显示的电流大小。
请继续参阅图2，所述电流采样电路110包括采样电阻Rs、二极管D1、第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6；所述第一运算放大器U1的同相输入端连接二极管D的正极和采样电阻Rs的一端，第一运算放大器U1的供电端连接二极管D的负极和电源端，第一运算放大器U1的反相输入端通过第一电阻R1连接第一运算放大器U1的输出端和第三电阻R3的一端，第二运算放大器U2的同相输入端连接采样电阻Rs的另一端和负反馈电路120，第二运算放大器U2的供电端连接电源端，第二运算放大器U2的反相输入端通过第二电阻R2连接第二运算放大器U2的输出端和第五电阻R5的一端，第三运算放大器U3的同相输入端连接第三电阻R3的另一端和第四电阻R4的一端，第三运算放大器U3的供电端和第四电阻R4的另一端均连接电源端，第三运算放大器U3的反相输入端连接第五电阻R5的另一端和第六电阻R6的一端，第三运算放大器U3的输出端连接第六电阻R6的另一端和负反馈电路120。
其中，二极管D1为稳压二极管。第一运算放大器U1、第二运算放大器U2和第三运算放大器U3组合进行高阻抗输入差分放大，用于采集流经采样电阻Rs的电流I（URs=I*Rs）并转换成对应的采样电压Uo输出给负反馈电路120。其中，第三电阻R3的阻值与第五电阻R5相同，第四电阻R4的阻值与第六电阻R6相同；这样输出的采样电压Uo=URs×R6/R3。
所述负反馈电路120包括第四运算放大器U4、电容C、MOS管P和第七电阻R7；所述第四运算放大器U4的同相输入端连接第三运算放大器U3的输出端和第六电阻R6的另一端，第四运算放大器U4的反相输入端连接电容C的一端和第七电阻R7的一端，第七电阻R7的另一端连接数模转换器50的输出端，电容C的另一端连接第四运算放大器U4的接地端和地，第四运算放大器U4的供电端连接电源端，第四运算放大器U4的输出端连接MOS管P的栅极，MOS管P的源极连接第二运算放大器U2的同相输入端和采样电阻Rs的另一端，MOS管P的漏极通过负载RL接地。
其中，MOS管P为P沟道MOS管，在具体实施时，还可以替换为PNP三极管。所述电容C和第七电阻R7组成低通滤波器。采样电压Uo输出至第四运算放大器U4的同相输入端，其传递函数为采样电压Uo的电压值，即Uo=URs×R6/R3。微控制器根据键盘输入的气体浓度值输出对应的调试值，控制DAC输出对应的模拟电压经所述低通滤波器处理后输入至第四运算放大器U4的反相输入端。
由图2可知，流经采样电阻Rs的电流即为流过负载RL的电流。某时刻流过采样电阻Rs的电流I增大，则第三运算放大器U3输出的URs增大，第四运算放大器U4的同相输入端上的电压大于其反相输入端上的电压，第四运算放大器U4的输出电压增大，MOS管P趋向于关闭状态，则流过采样电阻Rs的电流I 减小。
本实施例中，所述微控制器 20、显示单元30、键盘40和数模转换器50组成输入显示系统，在具体实施时可以通过稳压源和可变电位器来替代。由稳压源和可变电位器构成的调压电路接入第四运算放大器U4的反相输入端，，通过改变电位器的分压可调节输出电流大小。
综上所述，本发明提供的一种电化学传感器模拟装置，可替代传统的气体传感器，以便对信号调理电路（即负载）进行测试；通过运算放大器构成的负反馈系统结合微控制器构成一人机交互系统，可模拟uA级电流，显示单元可直观显示当前电流大小。具有电流调节方便、模拟准确度高、人机交互操作方便等特点，既适用于研发人员调试、测试也适用于生产线批量在线测试。
上述功能模块的划分仅用以举例说明，在实际应用中，可以根据需要将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即划分成不同的功能模块，来完成上述描述的全部或部分功能。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种电化学传感器模拟装置，包括一外壳，所述外壳内设置一电路板，其特征在于，所述电路板上设置有负反馈单元、微控制器、显示单元、键盘和数模转换器；
所述微控制器根据键盘输入的气体浓度值输出对应的调试值至数模转换器，数模转换器将所述调试值转换为对应的模拟电压并传输至负反馈单元；所述负反馈单元采集负载的电流并输出对应的采样电压，将模拟电压与采样电压进行比较来调节负载的电流大小；微控制器根据所述调试值输出对应的负载的电流值，所述显示单元显示所述气体浓度值和电流值；
所述负反馈单元连接数模转换器和负载，所述微控制器连接显示单元、键盘和数模转换器；
微控制器内存储各种气体浓度值、调试值、负载的电流值的对应关系表，微控制器查询对应关系表获得调节后负载的电流值。
2.根据权利要求1所述的电化学传感器模拟装置，其特征在于，所述负反馈单元包括电流采样电路和负反馈电路；
所述电流采样电路，用于采集负载的电流并通过运算比较输出对应的采样电压；
所述负反馈电路，用于将模拟电压与采样电压进行比较，根据比较结果调节负载的电流大小；
所述电流采样电路连接负反馈电路，负反馈电路连接数模转换器和负载。
3.根据权利要求2所述的电化学传感器模拟装置，其特征在于，所述电流采样电路包括采样电阻、二极管、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻；
所述第一运算放大器的同相输入端连接二极管的正极和采样电阻的一端，第一运算放大器的供电端连接二极管的负极和电源端，第一运算放大器的反相输入端通过第一电阻连接第一运算放大器的输出端和第三电阻的一端，第二运算放大器的同相输入端连接采样电阻的另一端和负反馈电路，第二运算放大器的供电端连接电源端，第二运算放大器的反相输入端通过第二电阻连接第二运算放大器的输出端和第五电阻的一端，第三运算放大器的同相输入端连接第三电阻的另一端和第四电阻的一端，第三运算放大器的供电端和第四电阻的另一端均连接电源端，第三运算放大器的反相输入端连接第五电阻的另一端和第六电阻的一端，第三运算放大器的输出端连接第六电阻的另一端和负反馈电路。
4.根据权利要求3所述的电化学传感器模拟装置，其特征在于，所述负反馈电路包括第四运算放大器、电容、MOS管和第七电阻；
所述第四运算放大器的同相输入端连接第三运算放大器的输出端和第六电阻的另一端，第四运算放大器的反相输入端连接电容的一端和第七电阻的一端，第七电阻的另一端连接数模转换器的输出端，电容的另一端连接第四运算放大器的接地端和地，第四运算放大器的供电端连接电源端，第四运算放大器的输出端连接MOS管的栅极，MOS管的源极连接第二运算放大器的同相输入端和采样电阻的另一端，MOS管的漏极通过负载接地。
5.根据权利要求3所述的电化学传感器模拟装置，其特征在于，所述第三电阻的阻值与第五电阻相同，第四电阻的阻值与第六电阻相同。
6.根据权利要求3所述的电化学传感器模拟装置，其特征在于，所述二极管为稳压二极管。
7.根据权利要求4所述的电化学传感器模拟装置，其特征在于，所述MOS管为P沟道MOS管。
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| 基于恒电流源的电阻式气敏传感器检测系统;刘树海;郑传涛;徐琳;宋宏伟;;吉林大学学报(信息科学版)(04);全文 * |
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