CN218382393U - 一种基于tdlas的传感器电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于TDLAS的传感器电路，属于气体传感领域。本实用新型传感器电路包括：微控制器单元、激光器驱动电路、温控电路和光电探测器接收电路；其中，微控制器单元MCU，包括ADC控制器和DAC控制器；ADC控制器采集光电探测器接收电路的输出信号，并采用锁相放大的方法计算气体浓度；DAC控制器输出高频正弦波与低频锯齿波的叠加信号，以及变化的电压信号；温控电路，包括运算放大器；运算放大器的反向输入端与输出端直接相连；运算放大器的同向输入端与所述DAC控制器的输出端连接；用于接收DAC控制器输出的电压信号，控制激光器的工作温度。本实用新型减少了额外的信号产生电路与锁相放大电路，结构简单、稳定性高、成本低、集成度高。
Description
技术领域
本实用新型属于气体传感技术领域，更具体地，涉及一种基于TDLAS的传感器电路。
背景技术
可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)是基于半导体激光器的窄线宽和波长调谐特性，通过改变激光器注入电流大小改变激光器输出波长，从而实现对气体吸收谱线的扫描。将入射光信号耦合到气体吸收池中，入射光被气体吸收而发生衰减，通过探测出射光信号来得到目标气体浓度。具有高分辨率、高灵敏度、快速响应、本质安全和可远程监测等优点。
其中，传感器电路的稳定性与集成度十分关键，它可以使激光器输出波长稳定，采集并计算衰减后携带气体浓度信息的光信号，进而得到待测气体浓度。传统基于TDLAS的传感器电路一般需要额外的信号产生电路与锁相放大电路，成本较高且体积较大，不利于便携使用。
实用新型内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种基于TDLAS的传感器电路，其目的在于解决传统基于TDLAS的传感器电路成本较高且体积较大的技术问题。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于TDLAS的传感器电路，包括：微控制器单元、激光器驱动电路、温控电路和光电探测器接收电路；
所述微控制器单元MCU，包括ADC控制器和DAC控制器；所述ADC控制器采集光电探测器接收电路的输出信号，并采用锁相放大的方法计算气体浓度；所述DAC控制器输出高频正弦波与低频锯齿波的叠加信号，以及变化的电压信号；
所述激光器驱动电路，用于放大MCU产生的高频正弦波与低频锯齿波的叠加信号，并将电压信号转换为电流信号来驱动激光器；
所述温控电路，包括运算放大器；所述运算放大器的反向输入端与输出端直接相连；所述运算放大器的同向输入端与所述DAC控制器的输出端连接；用于接收DAC控制器输出的电压信号，控制激光器的工作温度；
所述光电探测器接收电路，用于将光电探测器输出电流信号转换为电压信号。
进一步地，所述微控制器单元的内核是带FPU的ARM Cortex-M7，其闪存FLASH为1024KB，静态内存SRAM为1024KB。
进一步地，所述MCU电路采用STM32H743VIT6芯片构成。
进一步地，所述温控电路，包括TEC控制器ADN8834、电阻R23、电阻R31～R34、电阻R38～R41；
ADN8834的IN1P引脚分别连接电阻R33和R34一端，电阻R33的另一端连接到VREF，电阻R34另一端接地；IN1N引脚分别连接电阻R31和R32的一端，R31另一端连接到VREF，电阻R32另一端连接到激光器热敏电阻端口，R23为反馈电阻连接到IN1N和OUT1引脚；IN2P引脚连接到微控制器单元MCU的DAC输出端口；VLIM引脚分别连接R38和R39一端，R38另一端与VREF连接，R39另一端接地，用于设置输出电压极限；ILIM引脚分别连接R40和R41一端，R40另一端与VREF连接，R41另一端接地，用于设置输出电流极限。
进一步地，激光器驱动电路包括运算放大器U6、运算放大器U5、电阻R19～R22和电阻R24～R27；
运算放大器U6的5脚接+5V电源，运算放大器U6的同相输入端连接电阻R25接到微控制器单元MCU的DAC输出端，运算放大器U6的反相输入端分别连接电阻R21和R19的一端，电阻R21的另一端接地，电阻R19的另一端连接到运算放大器U6的输出端，用于改变电压放大倍数；运算放大器U5的5脚接+5V电源，运算放大器U6的同相输入端分别连接电阻R22和R20的一端，电阻R22的另一端连接到运算放大器U6的输出端，电阻R20的另一端连接到电阻R24一端；运算放大器U6的反相输入端分别连接电阻R26和R27的一端，电阻R26的另一端连接到运算放大器U6的输出端，电阻R27的另一端接地。
进一步地，光电探测器接收电路包括运算放大器U4、运算放大器U8、电容C6、电容C14、电阻R7和电阻R10；
运算放大器U4的5脚接+5V电源，运算放大器U4的同相输入端分别连接电容C14和电阻R10一端，电容C14和电阻R10的另一端接地。运算放大器U4的反向输入端与光电探测器输出端相连；电阻R7和电容C6并联，一端连接到运算放大器U4的反向输入端，另一端连接到运算放大器U4的输出端，运算放大器U4和运算放大器U8的输出端分别与微控制器单元MCU的ADC控制器端口相连，用于采集两路光电探测器输出信号。
进一步地，运算放大器U4、运算放大器U5、运算放大器U6和运算放大器U8均采用AD8628ATRZ运算放大器。
总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
(1)现有激光器驱动电路和锁相放大电路需要额外的芯片来构建，由于锁相放大电路包括滤波电路，滤波电路输出信号容易受外界温度影响，造成计算得到的气体浓度稳定性较差；本实用新型基于微控制单元MCU实时输出高频正弦波与低频锯齿波的叠加信号驱动激光器，并实时采集光电探测器接收电路的输出信号，通过锁相放大方法计算气体浓度，不需要额外的芯片来构建信号产生电路和锁相放大电路，提高了传感器电路集成度和稳定性，降低了传感器电路的成本。
(2)现有温控电路需要额外的电阻电容来构建模拟PID电路，由于电阻电容容易受到温度等因素的影响，造成激光器温度控制的准确度较低；本实用新型利用微控制单元MCU实时输出模拟电压信号控制TEC控制器，进而控制激光器的温度，不需要额外的电阻电容来构建模拟PID电路，不易受到外界环境的影响，提高了温度控制的稳定性。
附图说明
图1为本实用新型电路结构框图；
图2为图1中激光器驱动电路的电路图；
图3为图1中温控电路的部分电路图；
图4为图1中光电探测器接收电路的电路图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本实用新型提供的一种基于TDLAS的传感器电路，如图1所示，包括MCU电路、激光器驱动电路、光电探测器接收电路和温控电路。
MCU电路采用STM32H743VIT6芯片，内核是带FPU的ARM Cortex-M7，其FLASH1024KB，SRAM1024KB。其中，ADC控制器采集光电探测器接收电路的输出信号，DAC控制器输出高频正弦波与低频锯齿波的叠加信号。
如图2所示，激光器驱动电路采用AD8628ATRZ运算放大器构成，用于输出电流信号驱动激光器。具体电路连接方式：运算放大器U6的5脚接+5V电源，运算放大器U6的同相输入端连接电阻R25接到STM32的DAC输出端，运算放大器U6的反相输入端分别连接电阻R21和R19的一端，电阻R21的另一端接地，电阻R19的另一端连接到运算放大器U6的输出端，通过调节反馈电阻R19阻值来改变电压放大倍数。运算放大器U5的5脚接+5V电源，运算放大器U6的同相输入端分别连接电阻R22和R20的一端，电阻R22的另一端连接到运算放大器U6的输出端，电阻R20的另一端连接到采样电阻R24一端。运算放大器U6的反相输入端分别连接电阻R26和R27的一端，电阻R26的另一端连接到运算放大器U6的输出端，电阻R27的另一端接地。其工作原理为：采用AD8628ATRZ芯片构建电压放大电路，通过电阻R19调节电压放大倍数。通过AD8628ATRZ芯片构建恒流源电路，将电压信号转换为电流信号，用于驱动激光器。
如图3所示，温控电路采用ADN8834构成，具体连接方式为：ADN8834的IN1P引脚分别连接电阻R33和R34一端，电阻R33的另一端连接到VREF，电阻R34另一端接地。IN1N引脚分别连接电阻R31和R32的一端，R31另一端连接到VREF，电阻R32另一端连接到激光器热敏电阻端口，R23为反馈电阻连接到IN1N和OUT1引脚。IN2P引脚连接到微控制器单元MCU的DAC输出端口。VLIM引脚分别连接R38和R39一端，R38另一端与VREF连接，R39另一端接地，用于设置输出电压极限。ILIM引脚分别连接R40和R41一端，R40另一端与VREF连接，R41另一端接地，用于设置输出电流极限。其工作原理为：通过电阻R33、R34、R31、R32和R23与激光器内部热敏电阻构成温度电桥来实时跟踪激光器温度。通过微控制器单元MCU的DAC输出端口实时改变IN2P引脚电压值，调控ADN8834芯片输出电流方向，控制外部激光器制冷或加热。
如图4所示，光电探测器接收电路使用AD8628ATRZ构成，运算放大器U8与U4的连接方式一致。具体构成方式为：运算放大器U4的5脚接+5V电源，运算放大器U4的同相输入端分别连接电容C14和电阻R10一端，电容C14和电阻R10的另一端接地。运算放大器U4的反向输入端与光电探测器输出端相连。电阻R7和电容C6并联，一端连接到运算放大器U4的反向输入端，另一端连接到运算放大器U4的输出端。其工作原理为：使用AD8628ATRZ芯片构建跨导放大电路，放大倍数通过反馈电阻R7调节。将电流信号转换为电压信号，便于STM32H743VIT6处理。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于TDLAS的传感器电路，其特征在于，包括：微控制器单元、激光器驱动电路、温控电路和光电探测器接收电路；
所述微控制器单元MCU，包括ADC控制器和DAC控制器；所述ADC控制器采集光电探测器接收电路的输出信号，并采用锁相放大的方法计算气体浓度；所述DAC控制器输出高频正弦波与低频锯齿波的叠加信号，以及变化的电压信号；
所述激光器驱动电路，用于放大MCU产生的高频正弦波与低频锯齿波的叠加信号，并将电压信号转换为电流信号来驱动激光器；
所述温控电路，包括运算放大器；所述运算放大器的反向输入端与输出端直接相连；所述运算放大器的同向输入端与所述DAC控制器的输出端连接；用于接收DAC控制器输出的电压信号，控制激光器的工作温度；
所述光电探测器接收电路，用于将光电探测器输出电流信号转换为电压信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于TDLAS的传感器电路，其特征在于，所述微控制器单元的内核是带FPU的ARM Cortex-M7，其闪存FLASH为1024KB，静态内存SRAM为1024KB。
3.根据权利要求2所述的一种基于TDLAS的传感器电路，其特征在于，所述MCU电路采用STM32H743VIT6芯片构成。
4.根据权利要求3所述的一种基于TDLAS的传感器电路，其特征在于，所述温控电路，包括TEC控制器ADN8834、电阻R23、电阻R31～R34、电阻R38～R41；
ADN8834的IN1P引脚分别连接电阻R33和R34一端，电阻R33的另一端连接到VREF，电阻R34另一端接地；IN1N引脚分别连接电阻R31和R32的一端，R31另一端连接到VREF，电阻R32另一端连接到激光器热敏电阻端口，R23为反馈电阻连接到IN1N和OUT1引脚；IN2P引脚连接到微控制器单元MCU的DAC输出端口；VLIM引脚分别连接R38和R39一端，R38另一端与VREF连接，R39另一端接地，用于设置输出电压极限；ILIM引脚分别连接R40和R41一端，R40另一端与VREF连接，R41另一端接地，用于设置输出电流极限。
5.根据权利要求3所述的一种基于TDLAS的传感器电路，其特征在于，激光器驱动电路包括运算放大器U6、运算放大器U5、电阻R19～R22和电阻R24～R27；
运算放大器U6的5脚接+5V电源，运算放大器U6的同相输入端连接电阻R25接到微控制器单元MCU的DAC输出端，运算放大器U6的反相输入端分别连接电阻R21和R19的一端，电阻R21的另一端接地，电阻R19的另一端连接到运算放大器U6的输出端，用于改变电压放大倍数；运算放大器U5的5脚接+5V电源，运算放大器U6的同相输入端分别连接电阻R22和R20的一端，电阻R22的另一端连接到运算放大器U6的输出端，电阻R20的另一端连接到电阻R24一端；运算放大器U6的反相输入端分别连接电阻R26和R27的一端，电阻R26的另一端连接到运算放大器U6的输出端，电阻R27的另一端接地。
6.根据权利要求5所述的一种基于TDLAS的传感器电路，其特征在于，光电探测器接收电路包括运算放大器U4、运算放大器U8、电容C6、电容C14、电阻R7和电阻R10；
运算放大器U4的5脚接+5V电源，运算放大器U4的同相输入端分别连接电容C14和电阻R10一端，电容C14和电阻R10的另一端接地，运算放大器U4的反向输入端与光电探测器输出端相连；电阻R7和电容C6并联，一端连接到运算放大器U4的反向输入端，另一端连接到运算放大器U4的输出端，运算放大器U4和运算放大器U8的输出端分别与微控制器单元MCU的ADC控制器端口相连，用于采集两路光电探测器输出信号。
7.根据权利要求6所述的一种基于TDLAS的传感器电路，其特征在于，运算放大器U4、运算放大器U5、运算放大器U6和运算放大器U8均采用AD8628ATRZ运算放大器。
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| CN202220983403.2U CN218382393U (zh) | 2022-04-22 | 2022-04-22 | 一种基于tdlas的传感器电路 |
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|---|---|---|---|---|
| CN116773900A (zh) * | 2023-08-17 | 2023-09-19 | 深圳市首航新能源股份有限公司 | 一种残余电流检测电路及其方法 |
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