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完整的采用非分散红外技术的气体传感器电路

完整的采用非分散红外技术的气体传感器电路

本文摘要:非集中红外(NDIR)光谱仪经常被用来检测气体和测量碳氧化物(例如一氧化碳和二氧化碳)的浓度。一个红外光束穿越取样腔,样本中的各气体组分吸取特定频率的红外线。通过测量适当频率的红外线吸收量,之后可确认该气体组分的浓度。 之所以说道这种技术所谓集中的,是因为穿越取样腔的波长予以预先滤波;忽略地,光滤波器坐落于检波器之前,以便杂讯指定气体分子需要吸取的波长之外的所有光线。图1右图电路是一个基于NDIR原理的热电填气体传感器原始电路。

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非集中红外(NDIR)光谱仪经常被用来检测气体和测量碳氧化物(例如一氧化碳和二氧化碳)的浓度。一个红外光束穿越取样腔,样本中的各气体组分吸取特定频率的红外线。通过测量适当频率的红外线吸收量,之后可确认该气体组分的浓度。

之所以说道这种技术所谓集中的,是因为穿越取样腔的波长予以预先滤波;忽略地,光滤波器坐落于检波器之前,以便杂讯指定气体分子需要吸取的波长之外的所有光线。图1右图电路是一个基于NDIR原理的热电填气体传感器原始电路。该电路针对二氧化碳检测优化,但使用有所不同滤光器的热电填之后均可精确测量多种气体的浓度。印刷电路板(PCB)使用Arduino拓展板尺寸设计,并与Arduino相容平台板EVAL-ADICUP360接入。

信号徵理由低噪声放大器AD8629和ADA4528-1以及仪器仿真微控制器ADuCM360构建,该微控制器构建可编程增益放大器、双通道24位Σ-Δ型模数转换器(ADC)和ARM?Cortex?-M3处理器。热电填传感器由一般来说串联(或有时候并联)的大量热电偶构成。

串联热电偶的输入电压各不相同热电偶结与基准结之间的温度差。该原理称作塞贝克效应,以其发现者ThomasJohannSeebeck命名。本电路用于运算放大器AD8629缩放热电填传感器输入信号。

热电填输入电压比较较小(从几百微伏到几毫伏),必须高增益和极低的紊乱与飘移,以防止直流误差。热电填的高内阻特性(典型值为84kΩ)必须较低输出偏置电流的放大器以仅次于程度地增加误差,而AD8629的偏置电流仅有为30pA(典型值)。

该器件随时间和温度变化的飘移极低,在校准温度测量后会引进额外误差。与ADC取样速率实时的脉冲光源仅次于程度地增加低频飘移和闪光噪声引发的误差。AD8629在1kHz下的电压噪声频谱密度仅有为22nV/√Hz,高于热电填37nV/√Hz的电压噪声密度。

AD8629在10Hz下的电流噪声频谱密度也非常低,典型值仅有为5fA/√Hz。该电流噪声流到84kΩ热电填,10Hz时的噪声贡献仅有为420pV/√Hz。图1.NDIR气体检测电路(原理示意图:并未表明所有相连和去耦)使用低噪声放大器ADA4528-1作为缓冲器的传感器共模电压为200mV,因此NTC和热电填信号输入符合ADuCM360缓冲器模式输出的拒绝:ADuCM360ADC缓冲器模式输出为AGND+0.1V至约AVDD-0.1V。

CN-0338Arduino拓展板相容其它类型的仅有单端输出ADC的Arduino相容平台。该电路的斩波频率范围为0.1Hz至5Hz,可通过软件自由选择。高压劣稳压器ADP7105l分解平稳的5V输入电压以驱动红外光源,并由ADuCM360掌控电源。

ADP7105具备软启动功能,可消除冷启动光源时产生的浪涌电流。ADuCM360构建双通道、24位、Σ-Δ型ADC,在3.5Hz至3.906kHz的可编程速率范围内可实时取样双热电填单元。NDIR系统的数据取样速率范围容许在3.5Hz至483Hz之间,以便具备最佳的噪声性能。

热电填检测器工作原理为了解读热电填,有适当总结热电偶的基本理论。如果在绝对零度以上的给定温度下相连两种有所不同的金属,则两种金属之间不会产生电位差(热电EMF或认识电位),此电位差是结温的函数(参看图2中的热电EMF电路)。

如果两根导线在两处连接,则构成两个结点(参看图2中相连阻抗的热电偶)。如果两个结点的温度有所不同,则电路中产生净EMF,并有电流流到,电流由EMF和电路总电阻要求(参看图2)。

如果其中一根导线插入,则断点处电压相等电路的净热电EMF;并且如果该电压可以测得,之后可利用其计算出来两个结点之间的温度差(参看图2中的热电偶电压测量)。忘记,热电偶测量两个结点之间的温度差,而非一个结点处的绝对温度。只有当另一个结点(一般来说称作基准结点或冻结)未知的情况下,测量结点处的温度才有界得。但是,要测量热电偶产生的电压却很艰难。

假设电压表相连第一个热电偶测量电路(参看图2中表明冷结的实际热电偶电压测量)。相连电压表的导线在连接处构成了更加多的热电偶。如果这些额外的结点温度完全相同(无论温度是多少),则中间金属法则指出它们对系统的总EMF没清净贡献。如果它们的温度有所不同,则产生误差。

由于每一对有所不同的认识金属都会产生热电EMF——还包括铜片/焊点、可伐/铜片(可伐是一种用作IC引线框架的合金)和铝/可伐(IC内的焊)——在实际电路中,问题更加简单,有适当极为慎重地保证热电偶周边电路的所有结点对(除测量结点和基准结点本身)的温度完全相同。


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