CN215415186U - 一种基于四电极电化学气体传感器的检测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及气体浓度检测，具体涉及一种基于四电极电化学气体传感器的检测电路，由于辅助电极不参加反应，并且能够与工作电极受气体温度产生的影响保持一致，因此当工作电极和辅助电极都因外部环境变化产生温漂时，将工作电极信号值与辅助电极信号值进行“有机”相减即可得到气体浓度的精确值，从而能够使得MCU最小系统通过对检测结果扣除背景电流，进行温度补偿，输出精确气体浓度检测结果；本实用新型提供的技术方案能够有效克服现有技术所存在的无法在气体浓度较低时进行准确检测的缺陷。

Description

一种基于四电极电化学气体传感器的检测电路

技术领域

本实用新型涉及气体浓度检测，具体涉及一种基于四电极电化学气体传感器的检测电路。

背景技术

目前，市面上大多数的电化学气体传感器基本都是采用两电极或三电极的设计方案，由于监测大气的室外温度湿度，以及板载的背景电流等环境变量容易发生变化，由此带来的误差在气体浓度较低时已经严重影响仪表检测的准确性。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术所存在的上述缺点，本实用新型提供了一种基于四电极电化学气体传感器的检测电路，能够有效克服现有技术所存在的无法在气体浓度较低时进行准确检测的缺陷。

(二)技术方案

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：

一种基于四电极电化学气体传感器的检测电路，包括四电极电化学气体传感器，MCU最小系统，恒电位电路，跨阻放大器电路，信号放大电路，基准电压电路，AD转换模块和温度传感器；

恒电位电路，接收四电极电化学气体传感器的检测信号，并根据参考电极REF的反馈信号，通过改变对电极CE的电压保持工作电极WE的电位恒定；

跨阻放大器电路，包括用于将辅助电极AUX的电流信号转换为电压信号的第一跨阻放大器电路，以及用于将工作电极WE的电流信号转换为电压信号的第二跨阻放大器电路；

信号放大电路，包括用于对第一跨阻放大器电路生成的电压信号进行放大，并使信号翻转作为缓冲极的第一信号放大电路，以及用于对第二跨阻放大器电路生成的电压信号进行放大，并使信号翻转作为缓冲极的第二信号放大电路；

基准电压电路，用于为恒电位电路、跨阻放大器电路和信号放大电路提供基准电压；

温度传感器，用于采集目标气体的温度；

AD转换模块，将信号放大电路、温度传感器的信号转换为数字信号，并发送至MCU最小系统；

MCU最小系统，接收AD转换模块发送的数字信号，通过对检测结果扣除背景电流，进行温度补偿，输出精确气体浓度检测结果。

优选地，所述恒电位电路包括运算放大器U12.1，所述运算放大器U12.1的同相输入端接入基准电压电路，所述运算放大器U12.1、四电极电化学气体传感器之间设有二阶低通滤波电路；

所述二阶低通滤波电路包括串联在运算放大器U12.1的反向输入端、参考电极REF之间的电阻R63、电阻R64，连接在运算放大器U12.1的输出端、对电极CE之间的电阻R62，以及连接于电阻R63、电阻R64之间与运算放大器U12.1的输出端的电容C31。

优选地，所述第一跨阻放大器电路包括运算放大器U8.1，所述运算放大器U8.1的反向输入端通过电阻R51连接辅助电极AUX，所述运算放大器U8.1的输出端与反向输入端之间连接有电阻R7、电阻R6、电容C4、可变电阻VR3，所述运算放大器U8.1的同相输入端接入基准电压电路。

优选地，所述第二跨阻放大器电路包括运算放大器U12.2，所述运算放大器U12.2的反向输入端通过电阻R61连接工作电极WE，所述运算放大器U12.2的输出端与反向输入端之间连接有电阻R59、电阻R60、电容C30、可变电阻VR8，所述运算放大器U12.2的同相输入端接入基准电压电路。

优选地，还包括电源管理电路，所述电源管理电路包括提供+5V电压的降压电路，以及与降压电路连接用于输出3.3V的数字电源电路、模拟电源电路。

优选地，所述数字电源电路包括正向低漏失低压降稳压器U14，所述正向低漏失低压降稳压器U14的输出端与接地端之间并联有电容C121、电容C122；

所述模拟电源电路包括低噪声低压差线性稳压器U25，所述低噪声低压差线性稳压器U25的输入端连接有电容C141、电容C142组成的输入滤波电路，所述低噪声低压差线性稳压器U25的输出端连接有电感L11、电容C138、电容C139组成的输出滤波电路，以及电阻R129、R130组成的电压反馈电路。

优选地，还包括与MCU最小系统连接的用于与上位机进行通信的RS485通信模块，以及与MCU最小系统连接通过IIC通信的EEPROM存储器。

(三)有益效果

与现有技术相比，本实用新型所提供的一种基于四电极电化学气体传感器的检测电路，由于辅助电极不参加反应，并且能够与工作电极受气体温度产生的影响保持一致，因此当工作电极和辅助电极都因外部环境变化产生温漂时，将工作电极信号值与辅助电极信号值进行“有机”相减即可得到气体浓度的精确值，从而能够使得MCU最小系统通过对检测结果扣除背景电流，进行温度补偿，输出精确气体浓度检测结果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的硬件连接示意图；

图2为本实用新型中四电极电化学气体传感器的结构示意图；

图3为本实用新型中恒电位电路、跨阻放大器电路、信号放大电路的整体连接示意图；

图4为本实用新型中恒电位电路的示意图；

图5为本实用新型中第一跨阻放大器电路的示意图；

图6为本实用新型中第二跨阻放大器电路的示意图；

图7为本实用新型中第一信号放大电路的示意图；

图8为本实用新型中第二信号放大电路的示意图；

图9为本实用新型中基准电压电路的示意图；

图10为本实用新型中电源管理电路的示意图；

图11为本实用新型中AD转换模块的示意图；

图12为本实用新型中温度传感器的示意图；

图13为本实用新型中MCU最小系统的示意图；

图14为本实用新型中EEPROM存储器的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一种基于四电极电化学气体传感器的检测电路，如图1-图14所示，包括四电极电化学气体传感器，MCU最小系统，恒电位电路，跨阻放大器电路，信号放大电路，基准电压电路，AD转换模块和温度传感器；

恒电位电路，接收四电极电化学气体传感器的检测信号，并根据参考电极REF的反馈信号，通过改变对电极CE的电压保持工作电极WE的电位恒定；

跨阻放大器电路，包括用于将辅助电极AUX的电流信号转换为电压信号的第一跨阻放大器电路，以及用于将工作电极WE的电流信号转换为电压信号的第二跨阻放大器电路；

信号放大电路，包括用于对第一跨阻放大器电路生成的电压信号进行放大，并使信号翻转作为缓冲极的第一信号放大电路，以及用于对第二跨阻放大器电路生成的电压信号进行放大，并使信号翻转作为缓冲极的第二信号放大电路；

基准电压电路，用于为恒电位电路、跨阻放大器电路和信号放大电路提供基准电压；

温度传感器，用于采集目标气体的温度；

AD转换模块，将信号放大电路、温度传感器的信号转换为数字信号，并发送至MCU最小系统；

MCU最小系统，接收AD转换模块发送的数字信号，通过对检测结果扣除背景电流，进行温度补偿，输出精确气体浓度检测结果。

如图4所示，恒电位电路包括运算放大器U12.1，运算放大器U12.1的同相输入端接入基准电压电路，运算放大器U12.1、四电极电化学气体传感器之间设有二阶低通滤波电路。

二阶低通滤波电路包括串联在运算放大器U12.1的反向输入端、参考电极REF之间的电阻R63、电阻R64，连接在运算放大器U12.1的输出端、对电极CE之间的电阻R62，以及连接于电阻R63、电阻R64之间与运算放大器U12.1的输出端的电容C31。

如图2所示，电化学气体传感器的工作原理是允许气体通过渗透膜扩散到传感器内，并与工作电极WE作用，参考电极REF向运算放大器U12.1提供反馈，以便通过改变对电极CE的电压保持工作电极WE的电位恒定。

如图3所示，工作电极WE的电流方向取决于传感器内发生的反应是氧化还是还原。本申请技术方案中，以SO2传感器为例，SO2传感器中发生的是氧化反应，因此电流会流入工作电极WE，这就要求对电极CE相对工作电极WE处于负电压(通常为300mV至400mV)，驱动对电极CE的运算放大器U12.1相对基准电压Vref必须具有±1V的输出电压范围。

关于工作电极WE相对对电极CE的偏置问题这里需重点强调，该偏置电压的加入与否取决于目标气体的电化学反应活性，例如NO、O₃等气体就有必要添加偏置电压，可提升其电化学反应活性，从而更容易被氧化或还原。偏置电压与传感器灵敏度息息相关，如果需要添加则必须提供稳定的偏置电压，否则传感器灵敏度将遭受很大干扰，1mV的快速抖动都会对电极输出造成长达数小时的瞬时效应。

如图9所示，为了向不同类型的传感器提供充足裕量，本申请技术方案中基准电压电路采用U9元件AD3412产生的1.2V基准电压对运放信号进行偏置，以便适配不同的气体传感器。

如图5所示，第一跨阻放大器电路包括运算放大器U8.1，运算放大器U8.1的反向输入端通过电阻R51连接辅助电极AUX，运算放大器U8.1的输出端与反向输入端之间连接有电阻R7、电阻R6、电容C4、可变电阻VR3，运算放大器U8.1的同相输入端接入基准电压电路。

如图6所示，第二跨阻放大器电路包括运算放大器U12.2，运算放大器U12.2的反向输入端通过电阻R61连接工作电极WE，运算放大器U12.2的输出端与反向输入端之间连接有电阻R59、电阻R60、电容C30、可变电阻VR8，运算放大器U12.2的同相输入端接入基准电压电路。

还包括电源管理电路，电源管理电路包括提供+5V电压的降压电路，以及与降压电路连接用于输出3.3V的数字电源电路、模拟电源电路。

数字电源电路包括正向低漏失低压降稳压器U14，正向低漏失低压降稳压器U14的输出端与接地端之间并联有电容C121、电容C122；

模拟电源电路包括低噪声低压差线性稳压器U25，低噪声低压差线性稳压器U25的输入端连接有电容C141、电容C142组成的输入滤波电路，低噪声低压差线性稳压器U25的输出端连接有电感L11、电容C138、电容C139组成的输出滤波电路，以及电阻R129、R130组成的电压反馈电路。

如图10所示，降压电路、模拟电源电路、数字电源电路在图中按照从上到下的顺序排布。由于STM32F103C8T6芯片内核电压设计成3.3V，I/O引脚电压设计成3.3V，因此需要对MCU实施稳定的双电源直流供电。

降压电路中的降压模块U15优选TI公司的TPS5430来对宽电压(9～30V)输入进行降压，用以提供整个电路板+5V电源。

数字电源电路中，为输出3.3V电压给MCU及AD7124，正向低漏失低压降稳压器U14采用AMS1117-3.3V，保证其固定输出3.3V，数值精度约1％，可满足稳定要求。从尽量削弱信号干扰的角度出发，输出部分区分模拟输出、数字输出，每一路输出都以串联电感且并连上极性大电容C121(10uF)、无极性小电容C122(10nF)的形式。

模拟电源电路中，低噪声低压差线性稳压器U25采用TPS7A4901DGNR，电感L11、电容C138、电容C139组成的输出滤波电路，可促使稳压器输出中混入的交流干扰信号被电感转换为热能消耗或变为磁感，还有剩下的则被电容旁路至地，能够获得更纯净电压。

如图11、图12所示，AD转换模块U13采用24位ADC7124-8完成8通道的模拟电压采样和温度转换，它是ADI公司推出具有内部低漂移2.5V电压基准的、超小型、低功耗24位高分辨模数转换器，板上具备一个可编程增益放大器PGA，通过PGA的配置，可以提供从电源电压到±256mV的输入范围，因而能够以高灵敏率测量大信号与小信号，同时具备连续模式、单触发模式，若处于单触发模式可在完成一次转换后自动断电，最大程度上降低功耗。

系统为AD转换模块U13单电源供电+3.3V，并配以无极性小电容去耦，将PGA配置为1，AIN4、AIN5，AIN6、AIN7，AIN11、AIN12，AIN13、AIN14均为单端输入，分别采集各四电极电化学气体传感器的工作电极WE、辅助电极AUX的输出信号，转换结果通过SPI兼容性串行接口传输至MCU供后续处理。

电阻R119为SPI片选上拉电阻，AD转换模块U13内置恒流源，输出配置为500uA驱动温度传感器pt100，采用三线制温度传感器pt100能够更好地消除引线引起的误差，提高温度测量精度。

如图13、图14所示，还包括与MCU最小系统连接的用于与上位机进行通信的RS485通信模块，以及与MCU最小系统连接通过IIC通信的EEPROM存储器。

MCU最小系统包括由电阻R3、电容C19组成的单片机复位电路、SWD下载接口电路和晶振电路。EEPROM存储器通过IIC与MCU通信。

本申请技术方案中，MCU最小系统通过对检测结果扣除背景电流，进行温度补偿，输出精确气体浓度检测结果。

除氧化或还原采样气体产生的电流外，电化学电流型气体传感器还具有背景电流，通常又称零点电流，零点电流可能不低，所以在低浓度环境下会阻碍正常测量。这些零点电流可能来自工作电极WE的氧化或还原反应、传感器电解质的电化学氧化或还原反应、工作电极WE的电解质污染物，以及样气中的氧气还原等。

为了校正零点电流，四电极电化学气体传感器均配备一个额外电极，即辅助电极AUX，封装在产品内部。由于辅助电极AUX与工作电极WE的催化剂结构相同，原则上由于辅助电极AUX不与样气接触，所以在工作电极WE和辅助电极AUX端，能够测量固体电极过程或涉及电解质电化学反应而产生的任何背景电流。用工作电极WE总电流减去辅助电极AUX电流，能够得到唯一符合样气电化学反应的精确工作电极WE电流。

工作电极WE端频繁氧气还原也会增加背景电流。然而，封装在传感器电解质中的辅助电极AUX利用电解质中氧气的溶解度和扩散率来限制通往辅助电极AUX的氧气，致使通往辅助电极AUX的氧气锐减，理解背景/零点电流的来源校正时需要考虑这一情况。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于四电极电化学气体传感器的检测电路，其特征在于：包括四电极电化学气体传感器，MCU最小系统，恒电位电路，跨阻放大器电路，信号放大电路，基准电压电路，AD转换模块和温度传感器；

恒电位电路，接收四电极电化学气体传感器的检测信号，并根据参考电极REF的反馈信号，通过改变对电极CE的电压保持工作电极WE的电位恒定；

跨阻放大器电路，包括用于将辅助电极AUX的电流信号转换为电压信号的第一跨阻放大器电路，以及用于将工作电极WE的电流信号转换为电压信号的第二跨阻放大器电路；

信号放大电路，包括用于对第一跨阻放大器电路生成的电压信号进行放大，并使信号翻转作为缓冲极的第一信号放大电路，以及用于对第二跨阻放大器电路生成的电压信号进行放大，并使信号翻转作为缓冲极的第二信号放大电路；

基准电压电路，用于为恒电位电路、跨阻放大器电路和信号放大电路提供基准电压；

温度传感器，用于采集目标气体的温度；

AD转换模块，将信号放大电路、温度传感器的信号转换为数字信号，并发送至MCU最小系统；

MCU最小系统，接收AD转换模块发送的数字信号，通过对检测结果扣除背景电流，进行温度补偿，输出精确气体浓度检测结果。

2.根据权利要求1所述的基于四电极电化学气体传感器的检测电路，其特征在于：所述恒电位电路包括运算放大器U12.1，所述运算放大器U12.1的同相输入端接入基准电压电路，所述运算放大器U12.1、四电极电化学气体传感器之间设有二阶低通滤波电路；

所述二阶低通滤波电路包括串联在运算放大器U12.1的反向输入端、参考电极REF之间的电阻R63、电阻R64，连接在运算放大器U12.1的输出端、对电极CE之间的电阻R62，以及连接于电阻R63、电阻R64之间与运算放大器U12.1的输出端的电容C31。

3.根据权利要求2所述的基于四电极电化学气体传感器的检测电路，其特征在于：所述第一跨阻放大器电路包括运算放大器U8.1，所述运算放大器U8.1的反向输入端通过电阻R51连接辅助电极AUX，所述运算放大器U8.1的输出端与反向输入端之间连接有电阻R7、电阻R6、电容C4、可变电阻VR3，所述运算放大器U8.1的同相输入端接入基准电压电路。

4.根据权利要求3所述的基于四电极电化学气体传感器的检测电路，其特征在于：所述第二跨阻放大器电路包括运算放大器U12.2，所述运算放大器U12.2的反向输入端通过电阻R61连接工作电极WE，所述运算放大器U12.2的输出端与反向输入端之间连接有电阻R59、电阻R60、电容C30、可变电阻VR8，所述运算放大器U12.2的同相输入端接入基准电压电路。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的基于四电极电化学气体传感器的检测电路，其特征在于：还包括电源管理电路，所述电源管理电路包括提供+5V电压的降压电路，以及与降压电路连接用于输出3.3V的数字电源电路、模拟电源电路。

6.根据权利要求5所述的基于四电极电化学气体传感器的检测电路，其特征在于：所述数字电源电路包括正向低漏失低压降稳压器U14，所述正向低漏失低压降稳压器U14的输出端与接地端之间并联有电容C121、电容C122；

所述模拟电源电路包括低噪声低压差线性稳压器U25，所述低噪声低压差线性稳压器U25的输入端连接有电容C141、电容C142组成的输入滤波电路，所述低噪声低压差线性稳压器U25的输出端连接有电感L11、电容C138、电容C139组成的输出滤波电路，以及电阻R129、R130组成的电压反馈电路。

7.根据权利要求5所述的基于四电极电化学气体传感器的检测电路，其特征在于：还包括与MCU最小系统连接的用于与上位机进行通信的RS485通信模块，以及与MCU最小系统连接通过IIC通信的EEPROM存储器。

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