紅外氣體傳感器電子電路設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)介：

熱釋電探測(cè)器用于探測(cè)紅外信號(hào)的變化。本應(yīng)用說(shuō)明給出了SGX Sensortech紅外氣體傳感器所用電子電路的設(shè)計(jì)指南。這些信息用于一般建議，應(yīng)注意使電路適應(yīng)應(yīng)用的特殊要求。通過(guò)遵循本應(yīng)用說(shuō)明的建議，用戶應(yīng)能夠使用SGX Sensortech紅外氣體傳感器實(shí)現(xiàn)出色的性能。

氣體檢測(cè)系統(tǒng)的典型框圖如圖1所示

圖 1 氣體檢測(cè)系統(tǒng)的典型框圖   紅外氣體傳感器包含一個(gè)由燈驅(qū)動(dòng)電路在低頻下脈沖的燈。紅外輻射的脈沖在內(nèi)部反射，從而提供一條穿過(guò)目標(biāo)氣體的長(zhǎng)路徑。熱釋電探測(cè)器用于探測(cè)紅外信號(hào)的變化。測(cè)量波段波長(zhǎng)很敏感，通常被目標(biāo)探測(cè)氣體吸收。參考波段不敏感，該波長(zhǎng)不會(huì)被目標(biāo)檢測(cè)氣體吸收。 小的熱釋電輸出信號(hào)在形狀上近似鋸齒狀，必須進(jìn)行放大和濾波。帶通放大器用于只通過(guò)基頻，并減少其他頻率的任何熱噪聲。放大器的輸出大致呈正弦曲線。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對(duì)放大器輸出的最大值和最小值進(jìn)行采樣，以確定峰峰值電平。微處理器使用測(cè)量和參考通道的峰峰值比來(lái)計(jì)算實(shí)際氣體濃度。兩個(gè)通道對(duì)背景溫度都很敏感，因此需要一個(gè)溫度傳感器，以便微處理器能夠補(bǔ)償高溫輸出對(duì)環(huán)境溫度的影響。有些氣體傳感器有一個(gè)內(nèi)部溫度傳感器。如果沒(méi)有，電子電路應(yīng)在傳感器本體附近提供一個(gè)溫度傳感器。微處理器可以根據(jù)應(yīng)用程序驅(qū)動(dòng)多個(gè)輸出。這些可能包括一個(gè)液晶顯示器，一個(gè)4-20毫安的接口，一些報(bào)警或其他需要的輸出。 燈驅(qū)動(dòng)              燈的頻率和穩(wěn)定性 建議采用4 Hz50%占空比的方波燈驅(qū)動(dòng)波形。重要的是頻率是由晶體控制的源產(chǎn)生的，例如帶有晶體基準(zhǔn)的微處理器。模擬RC振蕩器不夠穩(wěn)定，無(wú)法精確操作。使用微處理器時(shí)，應(yīng)注意確保燈驅(qū)動(dòng)波形上沒(méi)有因定時(shí)變化或軟件中斷而出現(xiàn)的頻率或相位變化。 如果頻率增加超過(guò)4Hz，則pyro輸出將降低。雖然較低的頻率會(huì)產(chǎn)生更高的pyro輸出，但它也會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)許多其他問(wèn)題： ?還需要降低ADC采樣率，從而通過(guò)平均降低噪聲。              ?輸出放大器需要使用較大的電容器，這可能會(huì)導(dǎo)致本質(zhì)安全儀表的認(rèn)證問(wèn)題。 SGXSensortech在測(cè)試和表征氣體傳感器時(shí)使用4Hz的燈驅(qū)動(dòng)頻率。 燈電壓   燈驅(qū)動(dòng)的峰間電壓應(yīng)在3.0 V和5.0 V之間。5.0 V方波將提供最大的紅外發(fā)射和最佳的系統(tǒng)性能。來(lái)自燈泡的熱量也會(huì)使光學(xué)反射器的溫度高于環(huán)境溫度，這有助于防止潮濕環(huán)境中的冷凝。對(duì)于電池供電的便攜式儀器，傳感器也可以在3.0V燈驅(qū)動(dòng)下非常成功地工作。雖然對(duì)氣體的敏感度會(huì)變小，但耗電量會(huì)減少，燈泡壽命也會(huì)延長(zhǎng)。   圖2顯示了熱釋電輸出如何隨燈泡電壓變化。表1顯示了不同燈泡電壓下的典型功耗。

圖 2 熱釋電輸出如何隨燈泡電壓變化 表 1 不同燈泡電壓下的典型功耗

表1——典型燈泡特性              從表1可以看出，燈泡在冷態(tài)（關(guān)閉）時(shí)電阻非常低。這可能會(huì)在開(kāi)啟瞬間造成電流激增，這在某些應(yīng)用中可能是不受歡迎的。這主要是在設(shè)備冷啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題-一旦燈泡以4 Hz的頻率驅(qū)動(dòng)，即使在“關(guān)閉”時(shí)也會(huì)保持一定的熱量，以減少這種影響。              如果此問(wèn)題導(dǎo)致問(wèn)題，有幾種方法可用于解決： ?當(dāng)“關(guān)閉”時(shí)，使燈泡偏壓在0.4 V左右，使其保持溫暖（參見(jiàn)圖3電路中的可選電阻器）           ?增加一個(gè)小串聯(lián)電阻            ?使用具有電流限制的調(diào)節(jié)器              ?在儀器打開(kāi)時(shí)，從微處理器控制占空比，在前幾秒從0%增加到50%。   燈電路隔離     燈泡電流相對(duì)于熱釋電信號(hào)是較大的。為了防止燈泡開(kāi)關(guān)的大電流沖擊引起輸出波形上的電壓階躍，仔細(xì)的電路設(shè)計(jì)和布局是必需的，應(yīng)小心確保燈回路電流不會(huì)流過(guò)靈敏的熱釋電放大器的地。燈泡電流也不得使用與ADC或溫度傳感器相同的返回路徑，否則因?yàn)闊襞菰贏DC采樣點(diǎn)的打開(kāi)或關(guān)閉，可能會(huì)導(dǎo)致不同的電壓偏移。 強(qiáng)烈建議燈泡驅(qū)動(dòng)和輸出信號(hào)電路使用單獨(dú)的電壓調(diào)節(jié)器。燈泡電壓可以使用具有低RDS導(dǎo)通電阻的MOSFET（例如Si2515BDS）進(jìn)行切換。另一種方法是使用帶關(guān)閉控制的電壓調(diào)節(jié)器，它可以在4赫茲時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉。當(dāng)使用低壓差穩(wěn)壓器時(shí)，必須遵循設(shè)備制造商關(guān)于輸入和輸出電容器的建議，以保持燈泡電壓的穩(wěn)定性。              圖 3 顯示了一些驅(qū)動(dòng)燈泡的電路示例。

圖 3-a

圖3-b

圖3-c     熱釋電供電和輸出負(fù)載               氣體傳感器內(nèi)部的熱釋電探測(cè)器將紅外輻射的變化轉(zhuǎn)化為電流。熱釋電源電壓范圍為3 V至15 V。但是，在包含溫度傳感器IC的氣體傳感器中，電源電壓應(yīng)限制在10 V。              熱釋電材料具有非常低的輸出，并且在源極跟隨器布置中使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）進(jìn)行內(nèi)部緩沖。有必要提供10至100μA的外部電流負(fù)載；最低噪聲的最佳值約為20μA。探測(cè)器輸出通常具有0.4 V和1.5V之間的直流偏壓，因此對(duì)于大多數(shù)單電源應(yīng)用，可以將47k電阻器從傳感器輸出連接到接地（圖4）。 圖 4 輸出負(fù)載   帶通放大器               熱釋電器件的輸出非常小，通常小于50毫伏，必須放大。放大器應(yīng)盡可能靠近氣體傳感器安裝，以減少噪聲和其他電磁干擾的拾取。放大器應(yīng)通過(guò)所需的4赫茲信號(hào)，并拒絕其他頻率。              如果帶寬太窄，濾波器可能對(duì)元件公差和溫度變化非常敏感。但是，如果帶寬太寬，電路會(huì)從熱釋電中傳遞太多不需要的噪聲。這將導(dǎo)致低信噪比和儀器讀數(shù)波動(dòng)。              圖5顯示了一個(gè)典型的電路，用于使用單個(gè)3V電源放大和過(guò)濾pyro輸出。R1是熱負(fù)載電阻器。有兩個(gè)高通濾波器由C1與R2//R3(0.4Hz)和C2與R4(2.3Hz)組成。單個(gè)低通角由C3和R5(5.4Hz)形成。電路增益可以通過(guò)改變R5的值來(lái)改變。然而，C3xR5的乘積必須保持恒定，以保持相同的頻率響應(yīng)。應(yīng)選擇電路增益，以使傳感器輸出最大化，而不會(huì)導(dǎo)致削波?？紤]數(shù)據(jù)表中給出的輸出的制造變化。

圖 5 典型電路               放大電路的頻率響應(yīng)如圖6所示。為了保持兩個(gè)通道的響應(yīng)相同，電阻公差應(yīng)為1%或更好，電容器應(yīng)為10%或更好。在選擇電容器時(shí)應(yīng)小心，因?yàn)樵S多高值設(shè)備的公差非常差。              運(yùn)算放大器應(yīng)選擇在10赫茲以下具有良好噪聲性能的放大器。如果增益很高，則需要一個(gè)低的偏移量，以確保輸出在供電軌的中間偏壓。

圖 6 響應(yīng)曲線 模數(shù)轉(zhuǎn)換器位數(shù)              模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）用于采集放大的焦信號(hào)和溫度傳感器。所需的分辨率位數(shù)取決于應(yīng)用程序。但是，必須考慮幾個(gè)因素： ?所選氣體的吸收               ?微處理器中的平均值              ?應(yīng)用所需的分辨率   在某些應(yīng)用中，12位ADC就足夠了。然而，一些高精度應(yīng)用需要14或16位ADC分辨率。              ADC參考              應(yīng)提供干凈的ADC基準(zhǔn)和接地。應(yīng)選擇在10Hz以下具有低噪聲的基準(zhǔn)。注意將ADC電源與燈泡驅(qū)動(dòng)器隔離，以防止燈泡開(kāi)關(guān)瞬態(tài)耦合。   ADC時(shí)序              圖 7 顯示了一些典型的定時(shí)波形。在燈泡開(kāi)關(guān)點(diǎn)和信號(hào)響應(yīng)的最大值或最小值之間存在延遲。這種延遲通常在25毫秒左右，但取決于所使用的氣體傳感器的型號(hào)。延遲還與熱釋電器件的輸出電平有關(guān)，可以看出，如果燈泡驅(qū)動(dòng)器從5V降低到3V，則延遲時(shí)間將增加。

圖 8 ADC時(shí)序
當(dāng)使用有源和參考信號(hào)電平之間存在較大差異的氣體傳感器時(shí)，將觀察到測(cè)量和參考峰值的延遲時(shí)間存在微小差異。在這種情況下，ADC應(yīng)該以平均延遲時(shí)間采樣，或者為每個(gè)通道使用不同的延遲時(shí)間。  
降噪              一個(gè)好的電路設(shè)計(jì)將使您從SGX Sensortech紅外氣體傳感器獲得最佳性能。小心避免常見(jiàn)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，這些問(wèn)題可能會(huì)導(dǎo)致噪音增加或其他性能影響?？赡艹霈F(xiàn)的問(wèn)題有： ?電源調(diào)節(jié)器噪聲*              ?ADC參考噪聲*              ?運(yùn)算放大器噪聲*              ?4 Hz燈驅(qū)動(dòng)或ADC采樣點(diǎn)不穩(wěn)定（可能由軟件中斷引起）              ?通道匹配不良超溫（部件公差差）              ?由于傳感器輸出端接地不良或軌道較長(zhǎng)而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)              ?接地不良引起的燈開(kāi)關(guān)瞬態(tài)干擾 ?在選擇設(shè)備時(shí)，請(qǐng)仔細(xì)考慮1到10Hz之間的噪聲性能。               ?噪聲也可以通過(guò)平均ADC讀數(shù)來(lái)降低。n個(gè)樣本的平均值將使信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)偏差提高√n。但是，它也會(huì)增加對(duì)氣體濃度變化的響應(yīng)時(shí)間。

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