ChemiresisTIve 传感器为工业控制,HVAC 系统以及健康和安全等应用提供了测量各种气体浓度的低成本手段。由于它们依靠加热元件,因此开发人员必须确保传感器电阻的精确测量,同时还要控制加热元件以保持适当的温度。
 
对于这两个要求,开发人员可以利用各种技术来平衡设计复杂性和测量精度。
 
本文回顾了 chemiresisTIve 传感器的性质及其在各种应用中的作用。然后,它介绍了 Integrated Device Technology(IDT)的化学气体传感器设备,然后着重讨论了使用这些传感器的要求以及支持其操作的模拟设计替代方案。
 
最后,介绍了一种通用的基于 MCU 的设计方法,并介绍了用于评估和开发气体传感器设计的相关电路板和软件。
 
精确的传感器
定性检测和定量测量在专业和更常见的应用中越来越重要。甲烷检测器在采矿作业中提供重要警告,氢气测量可以提醒用户电池存在问题,精确的气体传感器可以在医疗应用中用作“电子鼻”。在住宅和商业建筑中,监测各种气体含量的能力可以警告使用者有毒气体,并提供火灾预警。
 
在可用的气体传感器中,chemiresisTIve 金属氧化物传感器提供了一种经济高效的解决方案,即使在苛刻的应用中也能够提供可靠的结果。在这些传感器中,气载气体分子浓度的变化会导致传感器电阻的变化。这种电阻变化可以在传感器的工作范围内达到几个数量级。传感器电阻(R S)和气体浓度 C 之间的这种关系用一个简单的公式表示,它只包含两个附加的常数因子:A 和α。
 
 
等式 1
 
或以等同形式写成:
 
 
等式 2
 
公式 2 演示了气体浓度对数与传感器电阻对数之间的线性关系。实际上,该方程表明,这些传感器在低浓度时将表现出电阻的快速变化,但在高浓度下变化缓慢得多(图 1)。
 
图 1:IDS 的 SGAS701 氢传感器等化学传感器传感器在传感器电阻和气体浓度之间呈现线性对数 - 对数关系,但支持电路会导致测量结果出现非线性。(图片来源:Integrated Device Technology)
 
来自 IDT 的一系列 chemiresisTIve 传感器可以提供各种气体的准确测量,包括:
 
氢气,使用 IDT SGAS701 传感器
   
使用 SGAS707 传感器测量挥发性有机化合物(VOC),包括甲醛,甲苯,丙酮和酒精
   
使用 SGAS711 传感器的易燃气体,包括碳氢化合物,甲烷,丙烷,天然气
 
与传感器元件一起,IDT 的四引脚器件集成了一个电阻元件,将传感器加热到最佳测量温度。
 
对于开发人员来说,挑战在于确保传感器电阻的准确测量,同时将加热元件保持在适当的温度。对于这两个要求,开发人员可以利用各种技术来平衡设计复杂性和测量精度。
 
模拟前端实施注意事项
作为电阻设备,chemiresistive 传感器需要适当的激励电源来测量由于气体浓度变化引起的电阻变化。与任何此类设备一样,开发人员可以使用不同的方法测量传感器电阻(R S),包括:
 
将传感器置于简单的分压器中
 
用恒压源驱动器件
 
用恒流源驱动器件
 
对于开发人员来说,每种方法的适用性取决于设计简单性与测量质量的应用要求。例如,通过测量 R S 作为简单分压器的一部分,开发人员可以创建最简单的解决方案(图 2)。但是,根据应用要求,这种方法固有的测量限制可能过于严格。
 
图 2:分压器配置提供了最简单的化学传感器传感器设计,但有些限制可能不足以满足需要精确测量气体浓度的应用。(图片来源:Integrated Device Technology)
 
在任何分压器中,测量输出 V OUT 永远不会达到电源值 V bias(图 2 中的 V c)。电阻网络根据以下公式将 V OUT 限制为 V bias 的一部分:
 
 
等式 3
 
由于传感器响应项 R FIXED /(R FIXED + R S),V OUT / V 偏差永远达不到统一。然而开发人员可以设置 R FIXED 电阻值,以实现位于传感器基线值(考虑空气中测量的值)和传感器满量程响应(千分之一百)(图 3)之间的有用电压范围。
 
图 3:使用 3.3 V 电源(V bias,如图 2 中的 V c 所示),使用 R FIXED 的不同设置值,开发人员可以在满量程响应和基线响应(空气中)之间达到所需的响应范围。(图片来源:Integrated Device Technology)
 
另一个限制来自这种方法的非线性。通过将等式 1 和 3 重构为:
 
 
等式 4
 

 

在 R S(即 A * C- α)主导 R FIXED 的低气体浓度下,传感器响应和气体浓度保持线性对数 - 对数关系。在 R FIXED 主导 R S 的较高气体浓度下,随着气体浓度的增加(图 4),这种线性关系损失并且响应的阶跃变化变小。
 
图 4:R FIXED 开始在分压器配置中占主导地位,导致传感器响应与气体浓度之间的对数对数关系呈非线性关系。(图片来源:Integrated Device Technology)
 
不幸的是,开发人员在解决这种非线性方面没有多少好的选择,因为 R FIXED 和 R S 的贡献在结果中不能区分。因此,这种方法更适用于专注于气体检测的应用,而不是精确的定量测量。对于这些检测应用,开发人员可以简单地使用模拟比较器组来切换固定的电压电平,该电压电平对应于给定气体浓度的阈值。
 
提高准确性
通过使用恒定电压或恒定电流源进行传感器激励,设计人员可以消除 R FIXED 及其对线性度的影响。另一方面,这些方法呈现出明显不同的设计要求,影响整个系统的要求。对于恒定电压激励,开发人员可以使用简单的模拟前端产生线性对数对数响应(图 5)。在这里,输出电压与 R SENSOR 有一个简单的直接关系:
 
 
等式 5
 
图 5:设计人员可以使用一个电路提供偏置补偿和放大的恒定电压传感器激励,以增加设计复杂性为代价提高精度。(图片来源:Integrated Device Technology)
 
在恒定电流激励下,V OUT 成为 R SENSOR 和通过其的电流的乘积,使得传感器响应与气体浓度成正比。结果是气体浓度的对数与整个工作范围内的传感器响应的对数之间的完全线性关系。该方法有效地扩展了该范围内的电阻变化,提供了与气体浓度一致的电阻阶跃变化。
 
与恒定电压法相比,这些优点的代价是复杂度越来越高。与后一种方法一样,恒定电流方法使用运算放大器级来实现基本的驱动器电路。然而,在这种情况下,那些运算放大器级调节添加的 MOSFET 门以产生所需的激励电流水平。但是,即使设计复杂度越来越高,恒流电路在基于 MCU 的设计中提供了优势,如下所述。
 
加热器驱动程序
无论用于传感器激励的方法如何,都需要将金属氧化物材料加热到特定温度以获得最佳结果。对于 IDT 传感器,SGAS707 VOC 传感器的传感器工作温度为 150°C,SGAS701 氢传感器的传感器工作温度为 240°C,SGAS711 易燃气体传感器的传感器工作温度为 300°C。
 
与传感器一样,加热器是一个电阻元件,需要恒压或恒流源将其保持在所需的温度。开发人员必须确保加热器驱动电路调节其输出以防止可能改变传感器灵敏度的变化。
 
对于恒压源,设计人员可以简单地使用传统的线性电压调节器,以满足电压和功率要求。例如,德州仪器 LM317 提供了一种合适的解决方案,能够提供每个 IDT 传感器所需的特定调节输出电平:SGAS707 为 3.5 伏,SGAS701 为 5.4 伏,SGAS711 为 7.0 伏。
 
只需添加少量附加组件,开发人员就可以使用 LM317 创建一个能够满足大多数气体传感器应用要求的恒压源(图 6)。开发人员可以通过适当选择 R2 来将 V HEATER 设置为所需的电压电平。
 
图 6:设计人员可以使用传统的线性稳压器(如德州仪器 LM317)为气体传感器加热器创建合适的恒压源。(图片来源:Integrated Device Technology)
 
尽管如此,该解决方案相对简单,但由于环境温度的变化或电路组件的变化,使得应用暴露于测量不准确的情况。
 
例如,之前提到的目标加热器电压电平对应于在环境温度为 0°C 的环境中工作的传感器所需的电平。所需的加热器电压与温度成反比关系,如图 7 所示。未能调整加热器电压以补偿环境温度的变化将影响传感器灵敏度和气体测量精度。
 
 
图 7:对于每个 IDT 气体传感器,所需的传感器加热器电压随着环境温度的变化以相同的速率变化,但是每种传感器类型都需要一个特定的偏移量:5.5 伏,如 SGAS701 所示,SGAS707 为 3.8 伏, SGAS711 为 7.2 伏特。(图片来源:Integrated Device Technology)
 

 

开发人员可以使用图 6 所示的简单线性稳压器电路,增加反馈来追踪加热器功率和温度。然而,设计师可以选择使用恒流源的更简单的解决方案,而不是处理相关的复杂问题。
 
与恒定电流传感器激励一样,恒定电流加热器电路提供更灵活的解决方案。IDT 提供了一个示意图,演示传感器激励和加热器控制使用恒流电路(图 8)。
 
 
 
图 8:IDT 演示了为传感器和加热器提供恒定电流源的电路,在其 SMOD7xx 评估板中使用相同的模拟设计。(图片来源:Integrated Device Technology)
 
对于恒定电流传感器激励(图 8,顶部),IDT 结合了一对凌力尔特 LTC6081 精密运算放大器,每个驱动一个 Diodes 公司的 DMC2700 高效率 MOSFET,最终使用 TI OPA2376AIDGKR 低噪声运算放大器提供传感器电压。
 
传感器加热器电路采取了类似的方法,但使用了德州仪器的 LPV511 运算放大器,能够适应电路的 9 伏电源(图 8,底部)。
两个电路都依靠输入电压来设置电流水平,这在典型的基于 MCU 的传感器系统中提供了显着的优势(图 9)。
 
恒流电路图对于基于 MCU 的传感器系统特别有效。
 
图 9:恒流电路对基于 MCU 的传感器系统特别有效。MCU 可以使用数模转换器(DAC)以编程方式控制传感器和加热器电压,并监视加热器电压并使用模数转换器(ADC)测量传感器输出电压。(图片来源:Integrated Device Technology)
 
通过使用 MCU 控制数模转换器(DAC),开发人员可以通过编程设置传感器和加热器所需的控制电流水平来响应不断变化的条件。类似地,开发人员可以使用 MCU 通过模数转换器(ADC)读取传感器输出,执行任何所需的调节或补偿,并将结果传递给应用。
 
对于加热器,开发人员可以测量加热器电压输出,并将结果用于软件反馈回路中,旨在将加热器温度保持在与特定传感器和环境温度相适应的水平。
 
IDT 在其用于 SGAS701(SMOD701KITV1),SGAS707(SMOD707KITV1)和 SGAS711(SMOD711KITV1)的 SMOD7xx 演示套件中使用了相同的双恒流电路设计。旨在便于评估 SGAS7xx 传感器的 SMOD7xx 电路板将恒流电路与各自的传感器,TI MSP430I2021 MCU 和支持电路相结合。
 
设计与 SMODxx 电路板配合使用,独立的 SMOD 应用软件程序(需要注册)可让开发人员立即开始探索气体传感应用场景。通过将 SMODxx 电路板的传感器暴露于所需的气体浓度,开发人员可以使用 SMOD 软件程​​序直接查看传感器电阻的变化并关注其应用对不同气体和浓度的响应(图 10)。
IDT SMOD 应用软件程序的图像
 
图 10:与 SMOD7xx 电路板配合使用时,IDT SMOD 应用软件程序可让开发人员根据不同的使用情况查看传感器电阻的变化。(图片来源:Integrated Device Technology)
 

 

结合使用,SMOD7xx 套件和 SMOD 软件包为理解气体传感器在实际应用中的性能提供了重要工具。在工业环境中沐浴在多种气体中,气体传感器可以给不情愿的开发者带来意想不到的结果。虽然每种化学敏感传感器都设计为对特定类型的气体做出最佳响应,但不同气体的存在会影响结果。
 
例如,虽然针对氢气进行了优化,但 SGAS701 传感器会对其他类型的气体产生响应,包括使用 SGAS707 VOC 传感器和 SGAS711 易燃气体传感器(图 11)进行最佳检测的气体。另外,湿度和其他环境条件可以产生传感器响应的系统变化。使用 IDT 开发工具,开发人员可以在最终设计气体传感器系统之前发现可能影响其应用的因素。
 
图 11:气体传感器通常显示对 SGAS701 氢气传感器的其他类型气体的某种程度的敏感度,需要在暴露于此类环境的气体传感器设计中进行适当的补偿或校正。(图片来源:Integrated Device Technology)
 
结论
测量不同气体浓度的能力在广泛的应用中变得越来越重要。来自 IDT 等公司的低成本化学感应传感器提供了现成的解决方案,但需要仔细设计电路以满足这些设备的独特要求。
 
使用各种技术,设计人员可以创建气体传感设计,以平衡电路复杂性和测量精度,以满足其自身应用的独特要求。