如何用氣體傳感器設(shè)計(jì)精確的氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

模擬前端實(shí)施注意事項(xiàng)

作為電阻設(shè)備，chemiresistive傳感器需要適當(dāng)?shù)募?lì)電源來(lái)測(cè)量由于氣體濃度變化引起的電阻變化。與任何此類(lèi)設(shè)備一樣，開(kāi)發(fā)人員可以使用不同的方法測(cè)量傳感器電阻（R?_S），包括：

• 將傳感器置于簡(jiǎn)單的分壓器中
• 用恒壓源驅(qū)動(dòng)器件
• 用恒流源驅(qū)動(dòng)器件

對(duì)于開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，每種方法的適用性取決于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單性與測(cè)量質(zhì)量的應(yīng)用要求。例如，通過(guò)測(cè)量R?_S作為簡(jiǎn)單分壓器的一部分，開(kāi)發(fā)人員可以創(chuàng)建最簡(jiǎn)單的解決方案（圖2）。但是，根據(jù)應(yīng)用要求，這種方法固有的測(cè)量限制可能過(guò)于嚴(yán)格。

圖2：分壓器配置提供了最簡(jiǎn)單的化學(xué)傳感器傳感器設(shè)計(jì)，但有些限制可能不足以滿(mǎn)足需要精確測(cè)量氣體濃度的應(yīng)用。（圖片來(lái)源：Integrated Device Technology）

在任何分壓器中，測(cè)量輸出V?_OUT永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到電源值V?_bias（圖2中的V?_c）。電阻網(wǎng)絡(luò)根據(jù)以下公式將V?_OUT限制為V?_bias的一部分：

由于傳感器響應(yīng)項(xiàng)R?_FIXED?/（R?_FIXED?+ R?_S），V?_OUT?/ V?_偏差永遠(yuǎn)達(dá)不到統(tǒng)一。然而開(kāi)發(fā)人員可以設(shè)置R?_FIXED電阻值，以實(shí)現(xiàn)位于傳感器基線(xiàn)值（考慮空氣中測(cè)量的值）和傳感器滿(mǎn)量程響應(yīng)（千分之一百）（圖3）之間的有用電壓范圍。

圖3：使用3.3 V電源（V?_bias，如圖2中的V?_c所示），使用R?_FIXED的不同設(shè)置值，開(kāi)發(fā)人員可以在滿(mǎn)量程響應(yīng)和基線(xiàn)響應(yīng)（空氣中）之間達(dá)到所需的響應(yīng)范圍。（圖片來(lái)源：Integrated Device Technology）

另一個(gè)限制來(lái)自這種方法的非線(xiàn)性。通過(guò)將等式1和3重構(gòu)為：

在R?_S（即A * C-?^α）主導(dǎo)R?_FIXED的低氣體濃度下，傳感器響應(yīng)和氣體濃度保持線(xiàn)性對(duì)數(shù) - 對(duì)數(shù)關(guān)系。在R?_FIXED主導(dǎo)R?_S的較高氣體濃度下，隨著氣體濃度的增加（圖4），這種線(xiàn)性關(guān)系損失并且響應(yīng)的階躍變化變小。

圖4：R?_FIXED開(kāi)始在分壓器配置中占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致傳感器響應(yīng)與氣體濃度之間的對(duì)數(shù)對(duì)數(shù)關(guān)系呈非線(xiàn)性關(guān)系。（圖片來(lái)源：Integrated Device Technology）

不幸的是，開(kāi)發(fā)人員在解決這種非線(xiàn)性方面沒(méi)有多少好的選擇，因?yàn)镽?_FIXED和R?_S的貢獻(xiàn)在結(jié)果中不能區(qū)分。因此，這種方法更適用于專(zhuān)注于氣體檢測(cè)的應(yīng)用，而不是精確的定量測(cè)量。對(duì)于這些檢測(cè)應(yīng)用，開(kāi)發(fā)人員可以簡(jiǎn)單地使用模擬比較器組來(lái)切換固定的電壓電平，該電壓電平對(duì)應(yīng)于給定氣體濃度的閾值。

提高準(zhǔn)確性

通過(guò)使用恒定電壓或恒定電流源進(jìn)行傳感器激勵(lì)，設(shè)計(jì)人員可以消除R?_FIXED及其對(duì)線(xiàn)性度的影響。另一方面，這些方法呈現(xiàn)出明顯不同的設(shè)計(jì)要求，影響整個(gè)系統(tǒng)的要求。對(duì)于恒定電壓激勵(lì)，開(kāi)發(fā)人員可以使用簡(jiǎn)單的模擬前端產(chǎn)生線(xiàn)性對(duì)數(shù)對(duì)數(shù)響應(yīng)（圖5）。在這里，輸出電壓與R?_SENSOR有一個(gè)簡(jiǎn)單的直接關(guān)系：

圖5：設(shè)計(jì)人員可以使用一個(gè)電路提供偏置補(bǔ)償和放大的恒定電壓傳感器激勵(lì)，以增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性為代價(jià)提高精度。（圖片來(lái)源：Integrated Device Technology）

在恒定電流激勵(lì)下，V?_OUT成為R?_SENSOR和通過(guò)其的電流的乘積，使得傳感器響應(yīng)與氣體濃度成正比。結(jié)果是氣體濃度的對(duì)數(shù)與整個(gè)工作范圍內(nèi)的傳感器響應(yīng)的對(duì)數(shù)之間的完全線(xiàn)性關(guān)系。該方法有效地?cái)U(kuò)展了該范圍內(nèi)的電阻變化，提供了與氣體濃度一致的電阻階躍變化。

與恒定電壓法相比，這些優(yōu)點(diǎn)的代價(jià)是復(fù)雜度越來(lái)越高。與后一種方法一樣，恒定電流方法使用運(yùn)算放大器級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)基本的驅(qū)動(dòng)器電路。然而，在這種情況下，那些運(yùn)算放大器級(jí)調(diào)節(jié)添加的MOSFET門(mén)以產(chǎn)生所需的激勵(lì)電流水平。但是，即使設(shè)計(jì)復(fù)雜度越來(lái)越高，恒流電路在基于MCU的設(shè)計(jì)中提供了優(yōu)勢(shì)，如下所述。

加熱器驅(qū)動(dòng)程序

無(wú)論用于傳感器激勵(lì)的方法如何，都需要將金屬氧化物材料加熱到特定溫度以獲得最佳結(jié)果。對(duì)于IDT傳感器，SGAS707 VOC傳感器的傳感器工作溫度為150°C，SGAS701氫傳感器的傳感器工作溫度為240°C，SGAS711易燃?xì)怏w傳感器的傳感器工作溫度為300°C。

與傳感器一樣，加熱器是一個(gè)電阻元件，需要恒壓或恒流源將其保持在所需的溫度。開(kāi)發(fā)人員必須確保加熱器驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)其輸出以防止可能改變傳感器靈敏度的變化。

對(duì)于恒壓源，設(shè)計(jì)人員可以簡(jiǎn)單地使用傳統(tǒng)的線(xiàn)性電壓調(diào)節(jié)器，以滿(mǎn)足電壓和功率要求。例如，德州儀器?LM317提供了一種合適的解決方案，能夠提供每個(gè)IDT傳感器所需的特定調(diào)節(jié)輸出電平：SGAS707為3.5伏，SGAS701為5.4伏，SGAS711為7.0伏。

只需添加少量附加組件，開(kāi)發(fā)人員就可以使用LM317創(chuàng)建一個(gè)能夠滿(mǎn)足大多數(shù)氣體傳感器應(yīng)用要求的恒壓源（圖6）。開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)適當(dāng)選擇R2?來(lái)將V?_HEATER設(shè)置為所需的電壓電平。

圖6：設(shè)計(jì)人員可以使用傳統(tǒng)的線(xiàn)性穩(wěn)壓器（如德州儀器LM317）為氣體傳感器加熱器創(chuàng)建合適的恒壓源。（圖片來(lái)源：Integrated Device Technology）

盡管如此，該解決方案相對(duì)簡(jiǎn)單，但由于環(huán)境溫度的變化或電路組件的變化，使得應(yīng)用暴露于測(cè)量不準(zhǔn)確的情況。

例如，之前提到的目標(biāo)加熱器電壓電平對(duì)應(yīng)于在環(huán)境溫度為0°C的環(huán)境中工作的傳感器所需的電平。所需的加熱器電壓與溫度成反比關(guān)系，如圖7所示。未能調(diào)整加熱器電壓以補(bǔ)償環(huán)境溫度的變化將影響傳感器靈敏度和氣體測(cè)量精度。

圖7：對(duì)于每個(gè)IDT氣體傳感器，所需的傳感器加熱器電壓隨著環(huán)境溫度的變化以相同的速率變化，但是每種傳感器類(lèi)型都需要一個(gè)特定的偏移量：5.5伏，如SGAS701所示，SGAS707為3.8伏， SGAS711為7.2伏特。（圖片來(lái)源：Integrated Device Technology）

開(kāi)發(fā)人員可以使用圖6所示的簡(jiǎn)單線(xiàn)性穩(wěn)壓器電路，增加反饋來(lái)追蹤加熱器功率和溫度。然而，設(shè)計(jì)師可以選擇使用恒流源的更簡(jiǎn)單的解決方案，而不是處理相關(guān)的復(fù)雜問(wèn)題。

與恒定電流傳感器激勵(lì)一樣，恒定電流加熱器電路提供更靈活的解決方案。IDT提供了一個(gè)示意圖，演示傳感器激勵(lì)和加熱器控制使用恒流電路（圖8）。

兩個(gè)電路都依靠輸入電壓來(lái)設(shè)置電流水平，這在典型的基于MCU的傳感器系統(tǒng)中提供了顯著的優(yōu)勢(shì)（圖9）。

圖9：恒流電路對(duì)基于MCU的傳感器系統(tǒng)特別有效。MCU可以使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）以編程方式控制傳感器和加熱器電壓，并監(jiān)視加熱器電壓并使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）測(cè)量傳感器輸出電壓。（圖片來(lái)源：Integrated Device Technology）

通過(guò)使用MCU控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)編程設(shè)置傳感器和加熱器所需的控制電流水平來(lái)響應(yīng)不斷變化的條件。類(lèi)似地，開(kāi)發(fā)人員可以使用MCU通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）讀取傳感器輸出，執(zhí)行任何所需的調(diào)節(jié)或補(bǔ)償，并將結(jié)果傳遞給應(yīng)用。

對(duì)于加熱器，開(kāi)發(fā)人員可以測(cè)量加熱器電壓輸出，并將結(jié)果用于軟件反饋回路中，旨在將加熱器溫度保持在與特定傳感器和環(huán)境溫度相適應(yīng)的水平。

圖10：與SMOD7xx電路板配合使用時(shí)，IDT SMOD應(yīng)用軟件程序可讓開(kāi)發(fā)人員根據(jù)不同的使用情況查看傳感器電阻的變化。（圖片來(lái)源：Integrated Device Technology）

結(jié)合使用，SMOD7xx套件和SMOD軟件包為理解氣體傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的性能提供了重要工具。在工業(yè)環(huán)境中沐浴在多種氣體中，氣體傳感器可以給不情愿的開(kāi)發(fā)者帶來(lái)意想不到的結(jié)果。雖然每種化學(xué)敏感傳感器都設(shè)計(jì)為對(duì)特定類(lèi)型的氣體做出最佳響應(yīng)，但不同氣體的存在會(huì)影響結(jié)果。

例如，雖然針對(duì)氫氣進(jìn)行了優(yōu)化，但SGAS701傳感器會(huì)對(duì)其他類(lèi)型的氣體產(chǎn)生響應(yīng)，包括使用SGAS707 VOC傳感器和SGAS711易燃?xì)怏w傳感器（圖11）進(jìn)行最佳檢測(cè)的氣體。另外，濕度和其他環(huán)境條件可以產(chǎn)生傳感器響應(yīng)的系統(tǒng)變化。使用IDT開(kāi)發(fā)工具，開(kāi)發(fā)人員可以在最終設(shè)計(jì)氣體傳感器系統(tǒng)之前發(fā)現(xiàn)可能影響其應(yīng)用的因素。

圖11：氣體傳感器通常顯示對(duì)SGAS701氫氣傳感器的其他類(lèi)型氣體的某種程度的敏感度，需要在暴露于此類(lèi)環(huán)境的氣體傳感器設(shè)計(jì)中進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償或校正。（圖片來(lái)源：Integrated Device Technology）

結(jié)論

測(cè)量不同氣體濃度的能力在廣泛的應(yīng)用中變得越來(lái)越重要。來(lái)自IDT等公司的低成本化學(xué)感應(yīng)傳感器提供了現(xiàn)成的解決方案，但需要仔細(xì)設(shè)計(jì)電路以滿(mǎn)足這些設(shè)備的獨(dú)特要求。

使用各種技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以創(chuàng)建氣體傳感設(shè)計(jì)，以平衡電路復(fù)雜性和測(cè)量精度，以滿(mǎn)足其自身應(yīng)用的獨(dú)特要求。