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使用反对数转换器线性化二氧化碳传感器

Jordan Dimitrov?? 2015年01月30日 ?? 收藏3
尽管大多数二氧化碳传感器采用红外(IR)技术,但电化学传感器因其灵敏度高、测量范围广且价格低廉等优势成为不可小觑的竞争对手之一。一般情况下,电化学传感器通过一个偏置电流极低(<1pA)的缓冲放大器连接到微控制器。这时需要微控制器将传感器的对数响应线性化。该方案的一个较好例子就是SandboxElectronics公司的SEN-000007模块,该模块使用的是汉威电子公司生产的MG-811二氧化碳传感器。参考文献1中给出了电路和代码,但没有说明具体精确度。

本设计实例针对该线性化问题给出了一种纯硬件的解决方案,该解决方案电路简单、成本低廉,并且便于调整、精确度高。输出信号可以直接抵达面板表或微控制器,无需对数或反对数计算等复杂的数据操作。

MG-811传感器可以测量400~10,000 ppm(0.04%~1%)范围内的二氧化碳浓度。图1显示了传感器的传递函数。图中数据点来源于MG-811数据手册,线条和方程式由微软Excel的曲线拟合工具生成。

图1:传感器具有对数响应特性,偏置为265mV。
图1:传感器具有对数响应特性,偏置为265mV。

图2为所设计的电路,它使用了一个四运算放大器和一对匹配晶体管。IC2A和IC2B形成一个调理电路,为传感器提供高输入电阻,去除来自传感器响应的265mV偏置,并放大产生的信号。其目标是将传感器响应调整为VS=lnC(C为二氧化碳浓度)的形式,使反对数转换器(由IC2C、IC2D和匹配晶体管构建,详见参考文献2)能够实现elnC=C的恒等式,由此得出VOUT与二氧化碳浓度间的线性关系。IC1电压参考为2.5V,因而电路可与其他需要5V而非6V电源的气体传感器共同使用,例如Figaro公司的TGS4161。请注意,传感器会吸收大量电流。

图2:一个四运算放大器和一对匹配晶体管即可简单明了地完成线性化操作。R7是一种标准的补偿电阻器,如由PRC公司提供。
图2:一个四运算放大器和一对匹配晶体管即可简单明了地完成线性化操作。R7是一种标准的补偿电阻器,如由PRC公司提供。
(点击查看大图)

该电路仅需一个满量程调节器(R11)即可完成校准。精确度为±0.3%(见图3),可良好匹配3.5位面板表,并且大大优于这种传感器的期望精确度。

图3:精确度足以支持3.5位面板表。
图3:精确度足以支持3.5位面板表。

参考文献:

1. MG-811 CO2 Sensor Module

http://sandboxelectronics.com/?p=147

2. AN-30 Log Converters, National Semiconductor (TI)

http://www.ti.com/analog/docs/litabsmultiplefilelist.tsp?literatureNumber=snoa641b&docCategoryId;=1&familyId;=57

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反对数转换器? 二氧化碳传感器? 线性化? 对数响应?

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