CN207882203U - 一种电化学气体传感器的信号调理电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种电化学气体传感器的信号调理电路，电化学传感器U3具有工作电极WE、辅助反电极CE和参考电极RE，所述工作电极WE连接运算放大器U2B的负输入端，所述辅助反电极CE连接运算放大器U2A的输出端，所述参考电极RE连接运算放大器U2A的负输入端，所述运算放大器U2A和运算放大器U2B的正输入端并联于基准电压源VREF，所述运算放大器U2B的输出端VOUT和负输入端之间还连接有跨阻反馈电阻RF。当气体传感器发生的是氧化反应时，通过运算放大器U2A使辅助反电极CE跟随工作电极WE的电压变化一直保持负电压，再通过运算放大器U2B进行放大，适用于多种氧化反应的电化学气体传感器，有效降低维护成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及电化学传感器领域，具体涉及一种电化学气体传感器的信号调理电路。
背景技术
随着国家对环境空气质量要求越来越高，监测的力度越来越大，对化工园区空气污染程度的监测成为重中之重，而如何进行全面的空气质量监测，是首先要解决的问题。
以往在对空气污染程度进行监测时，为了满足全面监测的需要，每个监测点都需要监测多种有毒有害气体因子，采用的是多个单因子气体传感器的组合；这样的组合虽然可以达到全面监测的目的，但每个单因子气体传感器都配套一套信号调理电路以及外壳等附件，监测成本投入较高，在需要大面积空气监测的场合，监测需求与高额投入的矛盾非常尖锐。
目前也有可以同时监测多种气体因子的气体监测仪，在一个气室中安装有数个单因子气体传感器组成的阵列，依次对穿过气室的被监测的气体进行检测；检测不同因子的传感器或来自不同制造商的传感器分别采用不同的信号调理电路，这就导致一台多因子气体监测仪需要储备数块信号调理电路板，维护成本非常高。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种电化学气体传感器的信号调理电路，可以解决现有多因子气体监测仪中，不同因子的传感器或来自不同制造商的传感器分别采用不同的信号调理电路，导致一台多因子气体监测仪需要储备数块信号调理电路板，维护成本非常高的问题。
本实用新型通过以下技术方案实现：
一种电化学气体传感器的信号调理电路，电化学传感器U3具有工作电极WE、辅助反电极CE和参考电极RE，所述工作电极WE连接运算放大器U2B的负输入端，所述辅助反电极CE连接运算放大器U2A的输出端，所述参考电极RE连接运算放大器U2A的负输入端，所述运算放大器U2A和运算放大器U2B的正输入端并联于基准电压源VREF，所述运算放大器U2B的输出端VOUT和负输入端之间还连接有跨阻反馈电阻RF。
本实用新型的进一步方案是，还包括场效应管Q1，其S极连接工作电极WE，D极连接参考电极RE，G极连接模拟电压源AVCC，通过场效应管Q1实现开关控制。
本实用新型的进一步方案是，所述运算放大器U2A和运算放大器U2B也由模拟电压源AVCC供电，所述模拟电压源AVCC由ADP芯片输出；所述ADP芯片的输入端经场效应管Q2连接电池组和外部输入接口，输出端经分压电路连接FB端，再经振荡电路输出模拟电压源AVCC；场效应管Q2起到开关控制的作用，分压电路及振荡电路可以产生稳定的模拟电压。
本实用新型的进一步方案是，所述运算放大器U2B的输出端VOUT经A/D转换器连接输出端口，对运算放大器U2B输出的差分信号具有较强的检测能力。
本实用新型的进一步方案是，所述跨阻反馈电阻RF采用的是可编程变阻器，针对不同气体或来自不同制造商的传感器具有不同的电流输出范围，可以采用相同的结构和材料，降低制造和维护成本；还可以针对不同的气体传感器，将可编程变阻器设置为适当的电阻值，支持调换传感器。
本实用新型与现有技术相比的优点在于：
当气体传感器发生的是氧化反应时，通过运算放大器U2A使辅助反电极CE跟随工作电极WE的电压变化一直保持负电压，再通过运算放大器U2B进行放大，可以适用于多种氧化反应的电化学气体传感器，有效降低维护成本。
附图说明
图1为本实用新型的原理图。
图2为实施例的电路图。
图3为实施例中产生模拟电压源AVCC的电路图。
图4为实施例中可编程变阻器RF的结构框图。
具体实施方式
如图1所示的一种电化学气体传感器的信号调理电路，电化学传感器U3具有工作电极WE、辅助反电极CE和参考电极RE，所述工作电极WE连接运算放大器U2B的负输入端，所述辅助反电极CE连接运算放大器U2A的输出端，所述参考电极RE连接运算放大器U2A的负输入端，所述运算放大器U2A和运算放大器U2B的正输入端并联于基准电压源VREF，所述运算放大器U2B的输出端VOUT和负输入端之间还连接有跨阻反馈电阻RF；还包括场效应管Q1，其S极连接工作电极WE，D极连接参考电极RE，G极连接模拟电压源AVCC。所述运算放大器U2A和运算放大器U2B也由模拟电压源AVCC供电，所述模拟电压源AVCC由ADP芯片输出；所述ADP芯片的输入端经场效应管Q2连接电池组和外部输入接口，输出端经分压电路连接FB端，再经振荡电路输出模拟电压源AVCC。
当应用于某型号的一氧化碳传感器时，该传感器的参数为：灵敏度：55nA/ppm至100 nA /ppm（典型值，65 nA /ppm），响应时间（t90，0 ppm至400 ppm CO）：小于30秒，范围（ppm CO，保证性能）：0 ppm至2000 ppm，超量程限制（不保证规格）：2000 ppm；电路图如图2所示。
气体通过薄膜扩散到传感器内工作电极WE发生化学反应，参考电极RE提供反馈，以便通过改变辅助反电极CE上的电压保持工作电极WE的恒定电位；工作电极WE上的电流方向取决于发生的是氧化反应还是还原反应，当是氧化反应时，电流流入工作电极WE，要求辅助反电极CE相对于工作电极WE处于负电压(通常为300 mV至400 mV) 。
驱动辅助反电极CE的运算放大器U2A相对于基准电压源VREF应具有±1 V的输出电压范围，以便为不同类型的传感器提供充足裕量，流入工作电极WE的电流对于每ppm气体浓度低于100 nA ，将此电流转换为输出电压需要具有极低输入偏置电流的跨导跨阻放大器，所述运算放大器U2A和运算放大器U2B采用的型号是ADA4505-2 ，该型号运算放大器在室温下具有最大输入偏置电流为2 pA 的CMOS 输入，因此很适合这种应用。
所述运算放大器U2B的输出端VOUT经A/D转换器连接输出端口。A/D转换器采用的是AD7798型，集成有低噪声仪表放大器，如按照4ppm的测试精度，与之对应的差分电压值约为3mV，一般的仪表放大器对于3mV的差分信号都具有较强的检测能力。
所述跨阻反馈电阻RF采用的是可编程变阻器，针对不同气体或来自不同制造商的传感器具有不同的电流输出范围，可以采用相同的结构和材料，降低制造和维护成本；还可以针对不同的气体传感器，将可编程变阻器设置为适当的电阻值，支持调换传感器；在本实施例中采用的是结构框图如图4所示的AD5271型，其的温度系数为5 ppm/°C ，精度为±1%，优于大多数可编程变阻器。
Claims (5)
1.一种电化学气体传感器的信号调理电路，电化学传感器U3具有工作电极WE、辅助反电极CE和参考电极RE，其特征在于：所述工作电极WE连接运算放大器U2B的负输入端，所述辅助反电极CE连接运算放大器U2A的输出端，所述参考电极RE连接运算放大器U2A的负输入端，所述运算放大器U2A和运算放大器U2B的正输入端并联于基准电压源VREF，所述运算放大器U2B的输出端VOUT和负输入端之间还连接有跨阻反馈电阻RF。
2.如权利要求1所述的一种电化学气体传感器的信号调理电路，其特征在于：还包括场效应管Q1，其S极连接工作电极WE，D极连接参考电极RE，G极连接模拟电压源AVCC。
3.如权利要求2所述的一种电化学气体传感器的信号调理电路，其特征在于：所述运算放大器U2A和运算放大器U2B也由模拟电压源AVCC供电，所述模拟电压源AVCC由ADP芯片输出；所述ADP芯片的输入端经场效应管Q2连接电池组和外部输入接口，输出端经分压电路连接FB端，再经振荡电路输出模拟电压源AVCC。
4.如权利要求1所述的一种电化学气体传感器的信号调理电路，其特征在于：所述运算放大器U2B的输出端VOUT经A/D转换器连接输出端口。
5.如权利要求1所述的一种电化学气体传感器的信号调理电路，其特征在于：所述跨阻反馈电阻RF采用的是可编程变阻器。
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| CN110797846A (zh) * | 2018-08-02 | 2020-02-14 | 圣邦微电子（北京）股份有限公司 | 化学传感器掉电保护电路 |
| CN113920962A (zh) * | 2021-09-18 | 2022-01-11 | 青岛信芯微电子科技股份有限公司 | 一种显示设备及方法 |
| CN114675075A (zh) * | 2022-04-15 | 2022-06-28 | 哈尔滨理工大学 | 一种微弱电流检测装置 |
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