CN208537505U - 一种空气微站传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种空气微站传感器，包括与传感器连接的信号调理电路，所述信号调理电路包括放大单元、跟随单元、滤波单元、耦合单元及压频切换单元，放大单元输入端与传感器连接，放大单元输出端与跟随单元输入端连接，跟随单元输出端与滤波单元输入端连接，滤波单元输出端与耦合单元输入端连接，耦合单元输出端与压频切换单元输入端连接，压频切换单元输出端作为信号调理电路输出端。本实用新型的有益效果是通过信号调理电路对传感器输出的信号做信号处理，增强信号的抗干扰能力，信号调理电路具有低成本、高稳定性和高可靠性的特点。

Description

一种空气微站传感器

技术领域

本实用新型属于空气质量监控技术领域，具体涉及一种空气微站传感器。

背景技术

空气微站即空气微型站，用于空气质量监控，主要对空气内SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10等进行监控形成实时数据，通过这些数据，可以科学评估城市主要污染源、工业园区、道路交通、无组织排放源的污染排放状况及其对环境空气质量的影响。

目前市场上销售的小型站价格在30万到50万元之间，站房建设成本约1万元，年运维费约5万元；而相比，空气微站的价格在6万～7万元之间，年运维费约1万元。

在现实应用中，标准方法的小型站只能监测两种参数，对安装要求高，前期需要方案设计、点位筛选和站房建设的准备，在协调好电源后，需要包括1名专业人士在内的2人～3人，三天安装完成，同时，后期维护和数据校准繁琐，需要消耗大量的人力、物力。

相对而言，基于云校准+人工智能技术平台的传感器型空气微站，不仅小巧轻便、易安装，而且准确性满足当前环境监测的需求、成本低、能耗少，基本不需要现场运维，充分考虑现代仪器使用的自动化、智能化功能，实现了快速、准确、全参数、全场景、多功能监测的要求。基于上述空气微站的优点，使其广泛运用于空气质量监控中。

由于大气中需要监测的气体其浓度含量都是非常低的，以SO2为例，其在正常空气中的成分通常上限为0.023345ppb，这个气体含量是非常微量的，所以就需要高精度的元器件进行检测，空气微站监测气体的元器件包括传感器，因此，设计一种高精度的传感器是必要的。

实用新型内容

为克服现有技术存在的技术缺陷，本实用新型公开了

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是一种空气微站传感器，包括与传感器连接的信号调理电路，所述信号调理电路包括放大单元、跟随单元、滤波单元、耦合单元及压频切换单元，放大单元输入端与传感器连接，放大单元输出端与跟随单元输入端连接，跟随单元输出端与滤波单元输入端连接，滤波单元输出端与耦合单元输入端连接，耦合单元输出端与压频切换单元输入端连接，压频切换单元输出端作为信号调理电路输出端；

所述压频切换单元包括压频转换器、第三电阻、第四电阻、第五电阻、震荡电容及调节电容，压频转换器1脚作为压频切换单元输入端与耦合单元输出端连接，压频转换器2脚与3脚均连接第三电阻一端，第三电阻另一端接地，震荡电容并联在第三电阻两端，压频转换器4脚接地，压频转换器5脚外接5V电源，且压频转换器5脚还与第五电阻一端连接，第五电阻另一端串联调节电容，压频转换器6脚连接第五电阻与调节电容的公共端，压频转换器7脚作为压频切换单元输出端，压频转换器8脚通过第四电阻接地。

优选地，所述放大单元包括第一电阻、第二电阻、去耦电容及第一运算放大器，所述第一电阻一端作为放大单元输入端与传感器连接，其另一端与第一运算放大器反相输入端连接，第一运算放大器同相输入端接地，去耦电容及第二电阻均并联至第一运算放大器反相输入端、第一运算放大器输出端两端，第一运算放大器输出端作为放大单元输出端与跟随单元输入端连接。

优选地，所述跟随单元包括电压跟随器，电压跟随器输入端作为跟随单元输入端与放大单元输出端连接，电压跟随器输出端作为跟随单元输出端与滤波单元输入端连接。

优选地，所述滤波单元包括低通电容、高通电容、低通电阻及高通电阻，所述低通电阻一端作为滤波单元输入端与跟随单元输出端连接，低通电阻另一端通过低通电容接地，低通电阻另一端还与高通电容一端连接，高通电容另一端通过高通电阻接地，高通电容另一端还作为滤波单元输出端与耦合单元输入端连接。

优选地，所述耦合单元包括光电耦合器，光电耦合器1脚作为耦合单元输入端与滤波单元输出端连接，光电耦合器2脚接地，光电耦合器3脚外接5V电源，光电耦合器4脚作为耦合单元输出端与压频切换单元输入端连接。

优选地，所述耦合单元包括耦合电容及耦合电阻，耦合电阻一端作为耦合单元输入端与滤波单元输出端连接，耦合电阻另一端与耦合电容一端连接，耦合电容另一端作为耦合单元输出端与压频切换单元输入端连接。

本实用新型的有益效果是通过信号调理电路对传感器输出的信号做信号处理，其中将传感器输出的微弱信号通过放大单元进行信号放大；跟随单元作为缓冲级电路，使得输入阻抗高，输出阻抗低；滤波单元可滤除高频及低频部分；耦合单元减少电连接干扰，最终由耦合单元输出的电压信号将其通过压频切换单元转换为频率信号，明显地增强信号的抗干扰能力，信号调理电路具有低成本、高稳定性和高可靠性的特点。

附图说明

图1是本实用新型的一种具体实施方式原理框图。

图2是本实用新型的一种电路原理图。

图3是本实用新型的另一种电路原理图。

附图标记：TR-传感器，R1-第一电阻，R2-第二电阻，R3-第三电阻，R 4-第四电阻，R5-第五电阻，R6-低通电阻，R7-高通电阻，R8-耦合电阻，C1-震荡电容，C2-调节电容，C3-去耦电容，C4-低通电容，C5-高通电容，C6-耦合电容，U1-压频转换器，U2-第一运算放大器，U3-电压跟随器，OC-光耦隔离器，u0-信号调理电路输出端。

具体实施方式

以下结合附图及附图标记对本实用新型的实施方式做更详细的说明，使熟悉本领域的技术人在研读本说明书后能据以实施。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例：参见附图1，附图2，附图3所示的一种空气微站传感器，包括与传感器TR连接的信号调理电路，所述信号调理电路包括放大单元、跟随单元、滤波单元、耦合单元及压频切换单元，放大单元输入端与传感器连接，放大单元输出端与跟随单元输入端连接，跟随单元输出端与滤波单元输入端连接，滤波单元输出端与耦合单元输入端连接，耦合单元输出端与压频切换单元输入端连接，压频切换单元输出端作为信号调理电路输出端u0；

所述压频切换单元包括压频转换器U1、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、震荡电容C1及调节电容C2，压频转换器U1的1脚作为压频切换单元输入端与耦合单元输出端连接，压频转换器U1的2脚与3脚均连接第三电阻R3一端，第三电阻R3另一端接地，震荡电容C1并联在第三电阻R3两端，压频转换器U1的4脚接地，压频转换器U1的5脚外接5V电源，且压频转换器U1的5脚还与第五电阻R5一端连接，第五电阻R5另一端串联调节电容C2，压频转换器U1的6脚连接第五电阻R5与调节电容C2的公共端，压频转换器U1的7脚作为压频切换单元输出端，压频转换器U1的8脚通过第四电阻R4接地。

本实施例中，传感器TR为二氧化氮传感器、二氧化碳传感器、二氧化硫传感器等，传感器TR采集的微弱信号通过放大单元进行信号放大，再通过跟随单元，跟随单元作为缓冲级电路，使得输入阻抗高，输出阻抗低；经跟随单元处理后的信号经滤波单元滤除高频及低频部分；滤除后的信号经耦合单元减少电连接干扰，最终由耦合单元输出的电压信号将其通过压频切换单元转换为频率信号，将电压信号转换为频率信号可明显地增强信号的抗干扰能力，信号调理电路具有低成本、高稳定性和高可靠性的特点；

其中，本实施例中采用的压频转换器U1为LM231芯片，该芯片的各个引脚由生产该芯片的商家定义。其中，压频转换器U1的1脚作为压频切换单元输入端与耦合单元输出端连接，压频转换器U1的2脚和3脚与震荡电容C1和第三电阻R3构成压频切换单元的谐振网络，压频转换器的4脚为接地脚，压频转换器的5脚为该芯片的供电电源脚，且该脚为5V电源连接，第五电阻R5和调节电容C2构成频率调节参数与5V电源连接，第四电阻R4作为参数调节电阻接地，压频转换器U1的7脚作为压频切换单元输出端，即信号调理电路输出端u0与控制器连接，将电压信号转换成频率信号可以明显地增强信号的抗干扰能力，控制器将处理信号调理电路输出端u0输出的信号。

优选地，所述放大单元包括第一电阻R1、第二电阻R2、去耦电容C3及第一运算放大器U2，所述第一电阻R1一端作为放大单元输入端与传感器TR连接，其另一端与第一运算放大器U2反相输入端连接，第一运算放大器U2同相输入端接地，去耦电容C3及第二电阻R2均并联至第一运算放大器U2反相输入端、第一运算放大器U2输出端两端，第一运算放大器U2输出端作为放大单元输出端与跟随单元输入端连接。

在另一种实施方式中，放大单元用于将传感器TR输出的信号进行放大，其中第一电阻R1用于提高放大单元的阻抗，提高放大单元的放大倍数，去耦电容C3减少放大噪声，使放大后的信号稳定输出,其中，第一运算放大器U2同相输入端不接平衡电阻而直接接地，是因为在微弱信号放大器中，外加平衡电阻不仅很难使运放输入电阻平衡，反而增大电阻噪声，因此第一运算放大器U2同相输入端接地。

优选地，所述跟随单元包括电压跟随器U3，电压跟随器U3输入端作为跟随单元输入端与放大单元输出端连接，电压跟随器U3输出端作为跟随单元输出端与滤波单元输入端连接。

在另一种实施方式中，电压跟随器U3具有高输入电阻、低输出电阻的特点。当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路，当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响，即使放大单元与跟随单元电路之间互不影响。

优选地，所述滤波单元包括低通电容C4、高通电容C5、低通电阻R6及高通电阻R7，所述低通电阻R6一端作为滤波单元输入端与跟随单元输出端连接，低通电阻R6另一端通过低通电容C4接地，低通电阻R6另一端还与高通电容C5一端连接，高通电容C5另一端通过高通电阻R7接地，高通电容C5另一端还作为滤波单元输出端与耦合单元输入端连接。

在另一种实施方式中，低通电容C4与低通电阻R6组成低通滤波电路，滤除电路中的低频成分，高通电容C5与高通电阻R7组成高通滤波电路，滤除电路中的高频成分，因为空气微站传感器检测的不止是一种气体，且由于检测某种特定的气体时，由于在大气中的含量较低，因此检测的信号中存在很多杂质信号，通过设置滤波单元可滤除有效信号中的杂质信号，使电路具有高精确性。

优选地，所述耦合单元包括光电耦合器OC，光电耦合器OC1脚作为耦合单元输入端与滤波单元输出端连接，光电耦合器OC2脚接地，光电耦合器OC3脚外接5V电源，光电耦合器OC4脚作为耦合单元输出端与压频切换单元输入端连接。

在另一种实施方式中，光耦隔离器OC使信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，减少滤波单元与压频切换单元之间的电连接干扰。

优选地，所述耦合单元包括耦合电容C7及耦合电阻R8，耦合电阻R8一端作为耦合单元输入端与滤波单元输出端连接，耦合电阻R8另一端与耦合电容C7一端连接，耦合电容C7另一端作为耦合单元输出端与压频切换单元输入端连接。

在另一种实施方式中，耦合电容C7的作用是将前级信号尽可能无损耗地加到后级电路中，耦合电容C7及耦合电阻R8的接线较少，使电路结构简单，优化了硬件电路。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种空气微站传感器，其特征在于：包括与传感器（TR）连接的信号调理电路，所述信号调理电路包括放大单元、跟随单元、滤波单元、耦合单元及压频切换单元，放大单元输入端与传感器连接，放大单元输出端与跟随单元输入端连接，跟随单元输出端与滤波单元输入端连接，滤波单元输出端与耦合单元输入端连接，耦合单元输出端与压频切换单元输入端连接，压频切换单元输出端作为信号调理电路输出端（u0）；

所述压频切换单元包括压频转换器（U1）、第三电阻（R3）、第四电阻（R4）、第五电阻（R5）、震荡电容（C1）及调节电容（C2），压频转换器（U1）1脚作为压频切换单元输入端与耦合单元输出端连接，压频转换器（U1）2脚与3脚均连接第三电阻（R3）一端，第三电阻（R3）另一端接地，震荡电容（C1）并联在第三电阻（R3）两端，压频转换器（U1）4脚接地，压频转换器（U1）5脚外接5V电源，且压频转换器（U1）5脚还与第五电阻（R5）一端连接，第五电阻（R5）另一端串联调节电容（C2），压频转换器（U1）6脚连接第五电阻（R5）与调节电容（C2）的公共端，压频转换器（U1）7脚作为压频切换单元输出端，压频转换器（U1）8脚通过第四电阻（R4）接地。

2.如权利要求1所述的空气微站传感器，其特征在于：所述放大单元包括第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、去耦电容（C3）及第一运算放大器（U2），所述第一电阻（R1）一端作为放大单元输入端与传感器（TR）连接，其另一端与第一运算放大器（U2）反相输入端连接，第一运算放大器（U2）同相输入端接地，去耦电容（C3）及第二电阻（R2）均并联至第一运算放大器（U2）反相输入端、第一运算放大器（U2）输出端两端，第一运算放大器（U2）输出端作为放大单元输出端与跟随单元输入端连接。

3.如权利要求1所述的空气微站传感器，其特征在于：所述跟随单元包括电压跟随器（U3），电压跟随器（U3）输入端作为跟随单元输入端与放大单元输出端连接，电压跟随器（U3）输出端作为跟随单元输出端与滤波单元输入端连接。

4.如权利要求1所述的空气微站传感器，其特征在于：所述滤波单元包括低通电容（C4）、高通电容（C5）、低通电阻（R6）及高通电阻（R7），所述低通电阻（R6）一端作为滤波单元输入端与跟随单元输出端连接，低通电阻（R6）另一端通过低通电容（C4）接地，低通电阻（R6）另一端还与高通电容（C5）一端连接，高通电容（C5）另一端通过高通电阻（R7）接地，高通电容（C5）另一端还作为滤波单元输出端与耦合单元输入端连接。

5.如权利要求1所述的空气微站传感器，其特征在于：所述耦合单元包括光电耦合器（OC），光电耦合器（OC）1脚作为耦合单元输入端与滤波单元输出端连接，光电耦合器（OC）2脚接地，光电耦合器（OC）3脚外接5V电源，光电耦合器（OC）4脚作为耦合单元输出端与压频切换单元输入端连接。

6.如权利要求1所述的空气微站传感器，其特征在于：所述耦合单元包括耦合电容（C6）及耦合电阻（R8），耦合电阻（R8）一端作为耦合单元输入端与滤波单元输出端连接，耦合电阻（R8）另一端与耦合电容（C6）一端连接，耦合电容（C6）另一端作为耦合单元输出端与压频切换单元输入端连接。