CN114384949B - 一种气体传感阵列的控温电路及其信号测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气体传感阵列的控温电路及其信号测量电路，包括有加热电阻R_H1、场效应管Q和电容C，加热电阻R_H1两端分别连接电源电压V_H和场效应管Q的源极，场效应管Q的栅极与PWM信号相连，通过在加热电阻R_H1的两端并联电容C，利用电容C的充放电性能，以维持加热电阻R_H1两端电压恒定，将PWM加热变为恒电压加热，提高了温度测量及温度控制的精度；同时通过在场效应管Q的漏极串联一已知阻值的采样电阻R2，可以计算得到加热电阻R_H1的阻值，进而得到被测气体温度，避免了设计测温电极，对于气体传感器而言可以简化结构，降低成本和减小器件的体积，同时还可以提高信号电阻测量精度，进而提高气体浓度测量精度。

Description

一种气体传感阵列的控温电路及其信号测量电路

技术领域

本发明涉及气敏传感器领域，尤其涉及一种气体传感阵列的控温电路及其信号测量电路。

背景技术

MOX传感器的微热板气体传感阵列包括多路气体传感单元，每个传感单元的温度都可独立控制。目前通过控制矩形波占空比对气体传感器的温度进行调制，矩形波占空比温度调制电路存在以下问题：采用PWM驱动场效应管的方式进行控温，其加热电压脉冲时高时低，温度存在波动，导致温度测量误差较大，较难准确控温，进而影响气体浓度测量精度；采用PWM驱动场效应管的方式，电压信号的频率过高，会产生噪音，对周围元器件的信号测量带来误差。

另外，每个传感单元的电阻数量级上存在较大差异，如果不同数量级的电阻与同一个分压电阻采样电阻串联，将导致传感单元的电阻阻值测量精度低，进而影响气体浓度测量精度。

因此现有技术中暂未出现一种适用于气体传感阵列的同时具有准确控温功能和电阻匹配功能的电路。

发明内容

为了解决上述问题，本发明专利提供了一种气体传感阵列的控温电路及其信号测量电路，一种气体传感阵列的控温电路，该控温电路包括温度测量与温度控制电路，所述温度测量与控制电路包括加热电阻R_H1、采样电阻R₂、电容C、场效应管Q和运算放大器U，加热电阻R_H1两端分别连接电源电压V_H和场效应管Q的源极，电容C与加热电阻R_H1并联，场效应管Q的栅极与PWM信号相连，场效应管Q的漏极分别连接采样电阻R₂的一端和运算放大器U的正向输入端，所述采样电阻R₂的另一端接地，运算放大器U的输出端与电流输出端相连。

进一步地，该控电路还包括保护电阻R₃和R₄，所述保护电阻R₃的一端连接运算放大器U的输出端，其另一端分别连接运算放大器U的负向输入端和保护电阻R₄的一端，所述保护电阻R₄的另一端接地。

进一步地，所述电容C容量为1-1000μF。

进一步地，在所述场效应管Q的栅极与所述PWM信号之间还包括一保护电阻R1。

一种基于上述控温电路的气体传感阵列的信号测量电路，所述信号测量电路包括若干个信号测量电阻R_S1、R_S2···R_Sn和若干个测量场效应管Q₁、Q₂······Qn，所述若干个信号测量电阻R_S1、R_S2···R_Sn的一端均与若干个测量场效应管Q₁、Q₂······Qn的漏极相连，所述若干个信号测量电阻R_S1、R_S2···R_Sn的另一端均与若干个匹配电阻R_P1、R_P2···R_Pm相连，所述信号测量电路包括场效应管Q₁、场效应管Q₂、场效应管Q₃、场效应管Q₄、场效应管Q₅、场效应管Q₆，场效应管Q₁的栅极和场效应管Q₂的栅极均连接PWM信号，场效应管Q₁的源极和场效应管Q₂的源极均连接电源电压VCC，场效应管Q₁的漏极和场效应管Q₂的漏极均连接电压输出端；该若干个匹配电阻R_P1、R_P2···R_Pm分别与若干个匹配场效应管Qp₁、Qp₂···Qpm的源极连接，所述若干个测量场效应管Q₁、Q₂···Qn及若干个匹配场效应管Qp₁、Qp₂···Qpm的栅极均与控制单元输出的PWM信号连接，所述若干个测量场效应管Q₁、Q₂···Qn的源极均与电源电压VCC相连，所述若干个测量场效应管Q₁、Q₂···Qn的漏极均与电压输出端相连接，所述若干个匹配场效应管Qp₁、Qp₂···Qpm的漏极都接地。

进一步地，所述若干个测量场效应管Q₁、Q₂······Qn及若干个匹配场效应管Qp₁、Qp₂······Qpm的场效应管类型相反，分别为P型场效应管和N型场效应管中的一种。

进一步地，所述若干个测量场效应管Q₁、Q₂······Qn及若干个匹配场效应管Qp₁、Qp₂······Qpm的栅极与PWM信号之间至少有一个场效应管通过保护电阻连接，所述保护电阻为R₅、R₆、R₇、R₈、R₉、、R₁₀。

进一步地，所述若干个测量场效应管Q₁、Q₂···Qn为测量场效应管Q₁和测量场效应管Q₂，所述若干个匹配场效应管Qp₁、Qp₂···Qpm为匹配场效应管Q₃、匹配场效应管Q₄、匹配场效应管Q₅和匹配场效应管Q₆，测量场效应管Q₁的栅极和测量场效应管Q₂的栅极均连接PWM信号，测量场效应管Q₁的源极和测量场效应管Q₂的源极均连接电源电压VCC，测量场效应管Q₁的漏极和测量场效应管Q₂的漏极均连接电压输出端，电压输出端还分别与匹配场效应管Q₃、匹配场效应管Q₄、匹配场效应管Q₅和匹配场效应管Q₆的源极相连，匹配场效应管Q₃、匹配场效应管Q₄、匹配场效应管Q₅和匹配场效应管Q₆的栅极分别与PWM信号连接，匹配场效应管Q₃、匹配场效应管Q₄、匹配场效应管Q₅和匹配场效应管Q₆的漏极均接地，场效应管Q₁的源极通过信号测量电阻R_S1连接电压输出端，场效应管Q₂的源极通过信号测量电阻R_S2连接电压输出端，信号测量电阻R_S1还与信号测量电阻R_S2相连，匹配电阻包括匹配电阻R_P1、匹配电阻R_P2、匹配电阻R_P3和匹配电阻R_P4，所述电压输出端通过匹配电阻R_P1连接场效应管Q₃的源极，电压输出端通过匹配电阻R_P2连接场效应管Q₄的源极，电压输出端通过匹配电阻R_P3连接场效应管Q₅的源极，电压输出端通过匹配电阻R_P4连接场效应管Q₆的源极。

进一步地，所述测量场效应管Q₁和测量场效应管Q₂均为P型场效应管，所述匹配场效应管Q₃、匹配场效应管Q₄、匹配场效应管Q₅和匹配场效应管Q₆均为N型场效应管。

进一步地，所述测量场效应管Q₁的栅极通过保护电阻R₅与PWM信号连接，测量场效应管Q₂的栅极通过保护电阻R₆与PWM信号连接，所述信号测量电路还包括保护电阻R₇-R₁₀，场效应管Q₃的栅极通过保护电阻R₇连接PWM信号，场效应管Q₄的栅极通过保护电阻R₈连接PWM信号，场效应管Q₅的栅极通过保护电阻R₉连接PWM信号，场效应管Q₆的栅极通过保护电阻R₁₀连接PWM信号。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：通过在加热电阻R_H1的两端并联电容C，利用电容C的充放电性能，以维持加热电阻R_H1两端电压恒定，将PWM加热变为恒电压加热，提高了温度测量及温度控制的精度；同时通过在场效应管Q的漏极串联一已知阻值的采样电阻R2,可以计算得到加热电阻R_H1的阻值，进而得到被测气体温度，避免了设计测温电极，对于气体传感器而言可以简化结构，降低成本和减小器件的体积，同时还可以提高信号电阻测量精度，进而提高气体浓度测量精度。通过将测量电阻R_S1和R_S2分别接通至与其电阻阻值匹配的匹配支路进行分压测量，还可以提高信号电阻测量精度，进而提高气体浓度测量精度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中温度测量与温度控制电路图。

图2是本发明实施例中气体浓度信号测量电路图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的实施例提供了一种气体传感阵列的控温电路及其信号测量电路，该控温电路包括温度测量与控制电路。

请参考图1，图1是本发明实施例中温度测量与温度控制电路图，所述温度测量与温度控制电路包括：加热电阻R_H1和R_H2，信号电阻R_S1和R_S2，4个电阻：保护电阻R₁、采样电阻R₂、电阻R₃和电阻R₄，电容C，场效应管Q和运算放大器U。R_S1是气体传感单元的信号电阻，气体传感单元需要在一定工作温度下实现对待测气体的感应，而这个工作温度由加热电阻R_H1调控，如图1所示。同理，R_S2是另一个气体传感单元的信号电阻，其工作温度则由加热电阻R_H2调控，电路图类似于图1，只是将加热电阻R_H2替换了加热电阻R_H1。电容C一般为1-1000μF的大容量电容，加热电阻R_H1两端分别连接电源电压V_H和场效应管Q的源极，电容C与加热电阻R_H1并联，即加热电阻R_H1的一端和电容C的一端连接，加热电阻R_H1的另一端分别与电源电压VH和电容C的另一端连接，保护电阻R₁的两端分别连接场效应管Q的栅极和PWM信号(一般频率为10K-1M)，场效应管Q的漏极分别连接保护电阻R₂的一端和运算放大器U的正向输入端，所述采样电阻R₂的另一端接地，运算放大器U的输出端分别连接电阻R₃的一端和通过模数转换器的电流输出端，电阻R₃的另一端分别与运算放大器U的负向输入端和电阻R₄的一端连接，电阻R₄的另一端接地。电阻R3和R4的设置一方面可以实现负反馈，一方面可以对运算放大器U的放大倍数进行调节。

所述温度测量与温度控制电路的工作原理是：PWM信号驱动场效应管Q，由于PWM信号是矩形波，会使场效应管Q有部分时间处于断路状态，由于大容量电容C(一般为1-1000μF)的存在，在场效应管Q处于通路状态时电容C进行充电，在场效应管Q处于断路状态时电容C进行放电，高速充放电时可以保持R_H1两端电压不变，将PWM加热变为恒电压加热，热效率较高且温度波动较小，便于准确测量及控制加热盘的温度，同时降低电路噪音及信号干扰，可消除脉冲加热对传感单元电阻信号测量的噪音影响，能够提高浓度信号测量精度；同时通过在电路中串联已知阻值的采样电阻R2，根据采样电阻R2两端的电压和采样电阻R2的阻值计算流过加热电阻RH的电流，根据分压原理换算出加热电阻RH的阻值以及实际温度，提高了温度测量及温度控制的精度；同时避免了设计测温电极，对于气体传感器而言可以简化结构，降低成本和减小器件的体积。

请参考图2，图2是本发明实施例中气体浓度信号测量电路图，MOX传感器根据气体传感单元的阻值变化对被测气体的浓度进行测量，所述信号测量电路包括：6个场效应管：场效应管Q₁、场效应管Q₂、场效应管Q₃、场效应管Q₄、场效应管Q₅和场效应管Q₆，4个匹配电阻：匹配电阻R_P1、匹配电阻R_P2、匹配电阻R_P3和匹配电阻R_P4，2个信号测量电阻：信号测量电阻R_S1和信号测量电阻R_S2和6个保护电阻：保护电阻R₅、保护电阻R₆、保护电阻R₇、保护电阻R₈、保护电阻R₉及保护电阻R₁₀。其中场效应管Q₁和场效应管Q_2均为P型场效应管，场效应管Q₃、场效应管Q₄、场效应管Q₅和场效应管Q_6均为N型场效应管，所述场效应管Q₁和Q₂的栅极分别与保护电阻R₅和R₆的一端连接，保护电阻R₅和R₆的另一端分别与PWM信号连接，场效应管Q₁和Q₂的源极均与电源电压VCC连接，场效应管Q₁和Q₂的漏极分别与信号测量电阻R_S1和R_S2的一端连接，信号测量电阻R_S1的另一端分别与R_S2的另一端、匹配电阻R_P1、R_P2、R_P3、R_P4的一端和通过模数转换器的电压输出端连接，匹配电阻R_P1、R_P2、R_P3、R_P4的另一端分别与场效应管Q₃、Q₄、Q₅和Q₆的源极连接，场效应管Q₃、Q₄、Q₅和Q₆的漏极都接地，场效应管Q₃、Q₄、Q₅和Q₆的栅极分别与保护电阻R₇、R₈、R₉、R₁₀的一端连接，保护电阻R₇、R₈、R₉、R₁₀的另一端均与PWM信号连接。在本实施例中仅以信号测量电阻为两个(R_S1及R_S2)，匹配电阻为四个(R_P1、R_P2、R_P3、R_P4)进行举例说明，事实上对此不作限定，可根据实际需要进行数量调整。

所述信号测量电路的工作原理是：通过MOX传感器的控制单元给六个场效应管分别输出脉冲信号从而控制场效应管Q₁与Q₂所在支路电路的通断，测量电阻R_S1的阻值时，使场效应管Q₂为断路，测量电阻R_S2的阻值时，使场效应管Q₁为断路，当R_S1与匹配电阻R_P1、R_P2、R_P3、R_P4中其中一个相匹配时，该匹配电阻所在电路中的场效应管就会形成通路，其余3个匹配电阻所在电路中的场效应管就会形成断路，已知电源电压VCC和输出端电压，因而根据分压原理就可以得到R_S1与R_S2的阻值，电阻匹配是指测量电阻R_S1或R_S2的阻值与匹配电阻R_P1、R_P2、R_P3、R_P4中其中一个匹配电阻的阻值的数量级相匹配，通过将测量电阻R_S1和R_S2分别接通至与其电阻阻值匹配的匹配支路进行分压测量，可以提高信号电阻测量精度，进而提高气体浓度测量精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气体传感阵列的控温电路及其信号测量电路，通过控温电路对气体传感器的温度进行调制，其特征在于：所述信号测量电路包括若干个信号测量电阻R_S1、R_S2···R_Sn和若干个测量场效应管Q₁、Q₂······Qn，所述若干个信号测量电阻R_S1、R_S2···R_Sn的一端均与若干个测量场效应管Q₁、Q₂······Qn的漏极相连，所述若干个信号测量电阻R_S1、R_S2···R_Sn的另一端均与若干个匹配电阻R_P1、R_P2···R_Pm相连，所述信号测量电路包括场效应管Q₁、场效应管Q₂、场效应管Q₃、场效应管Q₄、场效应管Q₅、场效应管Q₆，场效应管Q₁的栅极和场效应管Q₂的栅极均连接PWM信号，场效应管Q₁的源极和场效应管Q₂的源极均连接电源电压VCC，场效应管Q₁的漏极和场效应管Q₂的漏极均连接电压输出端；该若干个匹配电阻R_P1、R_P2···R_Pm分别与若干个匹配场效应管Qp₁、Qp₂···Qpm的源极连接，所述若干个测量场效应管Q₁、Q₂···Qn及若干个匹配场效应管Qp₁、Qp₂···Qpm的栅极均与控制单元输出的PWM信号连接，所述若干个测量场效应管Q₁、Q₂···Qn的源极均与电源电压VCC相连，所述若干个测量场效应管Q₁、Q₂···Qn的漏极均与电压输出端相连接，所述若干个匹配场效应管Qp₁、Qp₂···Qpm的漏极都接地。

2.如权利要求1所述的气体传感阵列的控温电路及其信号测量电路，其特征在于：所述若干个测量场效应管Q₁、Q₂······Qn及若干个匹配场效应管Qp₁、Qp₂······Qpm的场效应管类型相反，分别为P型场效应管和N型场效应管中的一种。

3.如权利要求1所述的气体传感阵列的控温电路及其信号测量电路，其特征在于：所述若干个测量场效应管Q₁、Q₂······Qn及若干个匹配场效应管Qp₁、Qp₂······Qpm的栅极与PWM信号之间至少有一个场效应管通过保护电阻连接，所述保护电阻为R₅、R₆、R₇、R₈、R₉、R₁₀。

4.如权利要求1所述的气体传感阵列的控温电路及其信号测量电路，其特征在于：所述若干个测量场效应管Q₁、Q₂···Qn为测量场效应管Q₁和测量场效应管Q₂，所述若干个匹配场效应管Qp₁、Qp₂···Qpm为匹配场效应管Q₃、匹配场效应管Q₄、匹配场效应管Q₅和匹配场效应管Q₆，测量场效应管Q₁的栅极和测量场效应管Q₂的栅极均连接PWM信号，测量场效应管Q₁的源极和测量场效应管Q₂的源极均连接电源电压VCC，测量场效应管Q₁的漏极和测量场效应管Q₂的漏极均连接电压输出端，电压输出端还分别与匹配场效应管Q₃、匹配场效应管Q₄、匹配场效应管Q₅和匹配场效应管Q₆的源极相连，匹配场效应管Q₃、匹配场效应管Q₄、匹配场效应管Q₅和匹配场效应管Q₆的栅极分别与PWM信号连接，匹配场效应管Q₃、匹配场效应管Q₄、匹配场效应管Q₅和匹配场效应管Q₆的漏极均接地，场效应管Q₁的源极通过信号测量电阻R_S1连接电压输出端，场效应管Q₂的源极通过信号测量电阻R_S2连接电压输出端，信号测量电阻R_S1还与信号测量电阻R_S2相连，匹配电阻包括匹配电阻R_P1、匹配电阻R_P2、匹配电阻R_P3和匹配电阻R_P4，所述电压输出端通过匹配电阻R_P1连接场效应管Q₃的源极，电压输出端通过匹配电阻R_P2连接场效应管Q₄的源极，电压输出端通过匹配电阻R_P3连接场效应管Q₅的源极，电压输出端通过匹配电阻R_P4连接场效应管Q₆的源极。

5.如权利要求4所述的气体传感阵列的控温电路及其信号测量电路，其特征在于：所述测量场效应管Q₁和测量场效应管Q₂均为P型场效应管，所述匹配场效应管Q₃、匹配场效应管Q₄、匹配场效应管Q₅和匹配场效应管Q₆均为N型场效应管。

6.如权利要求4所述的气体传感阵列的控温电路及其信号测量电路，其特征在于：所述测量场效应管Q₁的栅极通过保护电阻R₅与PWM信号连接，测量场效应管Q₂的栅极通过保护电阻R₆与PWM信号连接，所述信号测量电路还包括保护电阻R₇-R₁₀，场效应管Q₃的栅极通过保护电阻R₇连接PWM信号，场效应管Q₄的栅极通过保护电阻R₈连接PWM信号，场效应管Q₅的栅极通过保护电阻R₉连接PWM信号，场效应管Q₆的栅极通过保护电阻R₁₀连接PWM信号。

7.如权利要求1所述的气体传感阵列的控温电路及其信号测量电路，其特征在于：该控温电路包括温度测量与温度控制电路，所述温度测量与控制电路包括加热电阻R_H1、采样电阻R₂、电容C、场效应管Q和运算放大器U，加热电阻R_H1两端分别连接电源电压V_H和场效应管Q的源极，电容C与加热电阻R_H1并联，场效应管Q的栅极与PWM信号相连，场效应管Q的漏极分别连接采样电阻R₂的一端和运算放大器U的正向输入端，所述采样电阻R₂的另一端接地，运算放大器U的输出端与电流输出端相连。

8.如权利要求7所述的气体传感阵列的控温电路及其信号测量电路，其特征在于：该气体传感阵列的控温电路还包括电阻R₃和R₄，所述电阻R₃的一端连接运算放大器U的输出端，其另一端分别连接运算放大器U的负向输入端和电阻R₄的一端，所述电阻R₄的另一端接地。

9.如权利要求7所述的气体传感阵列的控温电路及其信号测量电路，其特征在于：所述电容C容量为1-1000μF。

10.如权利要求7所述的气体传感阵列的控温电路及其信号测量电路，其特征在于：在所述场效应管Q的栅极与所述PWM信号之间还包括一保护电阻R₁。

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