氮氧化物檢測(cè)傳感器信號(hào)處理裝置設(shè)計(jì)

沈陽(yáng)航天新光集團(tuán)有限公司 韓 冬

氮氧化物檢測(cè)傳感器信號(hào)處理裝置設(shè)計(jì)

沈陽(yáng)航天新光集團(tuán)有限公司 韓 冬

本文主要介紹了氮氧化物傳感器原理，詳細(xì)介紹了如何對(duì)到氧化物傳感器產(chǎn)生的弱電流電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)及檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)方法。

氮氧化物；傳感器；弱電流檢測(cè)

1.引言

氮氧化物NOx ( NO和NO2)作為大氣污染中的主要?dú)怏w，大多是由燃料(煤、燃料油)燃燒，汽車尾氣，化工過(guò)程產(chǎn)生的。NOx不僅能破壞臭氧層，轉(zhuǎn)化成酸雨，且在陽(yáng)光下易與碳?xì)浠衔锘驌]發(fā)性有機(jī)物(VOC)作用，引起呼吸道疾病，嚴(yán)重威脅著人類的生存與健康。不少國(guó)家已經(jīng)立法對(duì)NOx的排放進(jìn)行嚴(yán)格控制，因此對(duì)NOx的濃度進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)與控制十分重要[1]。

本方案氮氧化物含量檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)原理是：在催化劑作用下，氮氧化物可以與電極進(jìn)行一系列電化學(xué)反應(yīng)，且氮氧化物濃度越高，反應(yīng)越劇烈，電極間的電流或者電壓就會(huì)越大，通過(guò)對(duì)測(cè)量電流（電壓）值與氮氧化物實(shí)際濃度之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定、得到擬合曲線與擬合函數(shù)，通過(guò)測(cè)量流經(jīng)電極間的電流或電壓值的大小，即可定量測(cè)得氮氧化物氣體濃度。

2.信號(hào)處理裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器輸出電壓信號(hào)

因傳感器探頭實(shí)際輸出電壓值過(guò)小，需先通過(guò)放大器（例如AD620）將電壓信號(hào)按一定比例進(jìn)行放大，再通過(guò)DSP芯片的AD轉(zhuǎn)換模塊，測(cè)量出電壓值大小，最后在DSP控制程序中除以相應(yīng)比例，即可得到實(shí)際電壓值。

測(cè)量方案：

傳感器輸出的電壓值一般較小，需要經(jīng)過(guò)放大電路放大后再傳給DSP進(jìn)行處理，擬定選擇AD620放大器對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行放大。AD620性能指標(biāo)如表1所示：

表1 AD620性能指標(biāo)

放大電路以儀表放大器AD620為核心，如圖1所示。直流電橋輸出的差分信號(hào)由插座J1 輸入，經(jīng)過(guò)由R1，R2，C1，C2，C3構(gòu)成的抗射頻干擾的低通濾波電路削弱干擾信號(hào)之后到達(dá)儀表放大器AD620。D1, D2和R1, R2 一起構(gòu)成了檢流計(jì)的輸入保護(hù)電路，可以承受數(shù)十伏的輸入電壓。R3，R4為AD620的輸入偏置電流提供回路，確保它能穩(wěn)定可靠地工作。AD620的第1腳和第8腳之間的電阻R0和電位器RP1為增益調(diào)節(jié)電阻，記為RG。R0與RP1串聯(lián)，目的是限制放大倍數(shù)的上限為495倍。電位器RP2和R5，R6一起構(gòu)成了檢流計(jì)的調(diào)零電路，通過(guò)改變AD620的REF引腳的電壓實(shí)現(xiàn)調(diào)零。R7，C7組成了AD620的輸出低通濾波器。R7，D3，D4構(gòu)成了電壓輸出的保護(hù)電路。

放大器增益計(jì)算公式為G=(49.4K/RG)+1調(diào)節(jié)電阻RG = R0 + RP1，取R0 =100Ω，R7 = 1kΩ，當(dāng)RP1為0時(shí)，AD620 的放大倍數(shù)G=49.4KΩ/ RG+1=49400/100+1=495，可通過(guò)調(diào)節(jié)RP1和R0來(lái)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，將輸入信號(hào)進(jìn)行放大，經(jīng)過(guò)放大后的信號(hào)輸入給DSP的A/D轉(zhuǎn)換引腳，測(cè)量出相應(yīng)電壓，再除以放大倍數(shù)即可得到需要測(cè)量大小。

2.2 傳感器輸出電流信號(hào)

圖1 AD460放大器控制電路

通過(guò)ICL7650斬波穩(wěn)零放大器芯片并結(jié)合外圍電路來(lái)進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)量方案：

要測(cè)量微電流、電壓，除了選擇高性能運(yùn)放以補(bǔ)，外圍電路設(shè)計(jì)也是成敗的關(guān)鍵。

一個(gè)理想的運(yùn)算放大器，當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓也應(yīng)為零（未加調(diào)零的情況下）。但實(shí)際上它的差分輸入級(jí)很難做到完全對(duì)稱，通常在輸入電壓為零的情況下，存在一定的輸出電壓。輸入電壓為零時(shí)，為使運(yùn)放的輸出電壓為零，在輸入端加的補(bǔ)償電壓即為失調(diào)電壓，失調(diào)電壓大小一般為（1～10）mV.

放大器輸出電壓大小隨著溫度的變化而改變。這種現(xiàn)象成為溫度漂移。

在BJT集成運(yùn)放電路中，由于制造工藝，兩個(gè)輸入端是不對(duì)稱的，輸入的不對(duì)稱性意味著兩個(gè)偏置電流幾乎總是不相等的，這兩個(gè)偏置電流之差為失調(diào)電流，輸入失調(diào)電流（Offset Current）是指兩個(gè)差分輸入端偏置電流的誤差，即當(dāng)輸出電壓為零時(shí)流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基級(jí)電流之差。由于信號(hào)源內(nèi)阻的存在，失調(diào)電流會(huì)引起一輸入電壓，經(jīng)放大器放大后破壞放大器的平衡，使放大器輸出電壓不為零。失調(diào)電流一般為1nA～0.1mA.

想要測(cè)量弱電流、電壓信號(hào)，能否盡有效地減小失調(diào)電流，失調(diào)電壓，溫度漂移帶來(lái)的影響，成為電路設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素，決定該電路測(cè)量是否準(zhǔn)確。

此處采用ICL7650，并設(shè)計(jì)外圍電路，通過(guò)電流之間的算法關(guān)系，能夠最大限度的消除失調(diào)電流，失調(diào)電壓，溫度漂移帶來(lái)的影響。

圖2 弱電流檢測(cè)電路

具體電路設(shè)計(jì)如圖2所示。通過(guò)一個(gè)繼電器控制K1-1和K1-2的通斷，通過(guò)相應(yīng)計(jì)算得到兩個(gè)放大公式，因?yàn)椴捎脝纹酒娐非袚Q前后失調(diào)電流，失調(diào)電壓，溫度漂移等參數(shù)是一樣的，通過(guò)兩個(gè)等式做差的形式來(lái)消除失調(diào)電流，失調(diào)電壓，溫度漂移帶來(lái)的影響。電阻采用寬溫度范圍（-65℃～75℃）的高精度（正負(fù)0.02%）軍工級(jí)可靠精密的金屬膜電阻。

設(shè)繼電器切換之前失調(diào)電流，失調(diào)電壓，溫度漂移引起的電壓變化經(jīng)放大到輸出端為：

ΔU1，忽略失調(diào)、溫度漂移影響輸出端的電壓，經(jīng)計(jì)算得到的理想輸出電壓為為U1,由DSP的A/D采樣端口測(cè)量值為U1’，繼電器切換之后相應(yīng)的參數(shù)設(shè)為ΔU2、U2、U2’。

則有如下關(guān)系式U1’= U1+ΔU1，U2’= U2+ΔU2，因?yàn)槔^電器切換前后用于計(jì)算、測(cè)量的芯片并未發(fā)生變化，所以ΔU1=ΔU2。通過(guò)電路算法計(jì)算，并將兩等式做差，即可消除失調(diào)電流，失調(diào)電壓，溫度漂移引起的電壓變化，并得到所測(cè)量電流的值[2]。

經(jīng)放大器放大后的電壓接入到DSP的A/D采樣引腳，本設(shè)計(jì)采用TMS320F2808作為核心控制芯片，電源轉(zhuǎn)換采用LM-9036DTX-5.0將24V轉(zhuǎn)成5V，再通過(guò)TPS767D318將5V轉(zhuǎn)換成3.3V和1.8V。DSP具有豐富的外設(shè)引腳和控制功能。TMS320F2808DSP的A/D轉(zhuǎn)換模塊具有16個(gè)通道12位分辨率和流水線結(jié)構(gòu)，16個(gè)通道可以級(jí)聯(lián)成一個(gè)16通道模塊，完成過(guò)采樣算法。

3.測(cè)量結(jié)果軟件濾波

為使測(cè)量結(jié)果更精確，需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行軟件濾波。軟件濾波是智能傳感器、儀器儀表所獨(dú)有的,可對(duì)包括頻率很低(如0.01Hz)的干擾信號(hào)在內(nèi)的各種干擾信號(hào)進(jìn)行濾波,而且一個(gè)數(shù)字濾波程序能為多個(gè)輸入通道共用。常用的軟件濾波方法有：

1）平均值濾波,即把M次采樣的平均值作為濾波器的輸出,也可以根據(jù)需要增加新釆樣值的比重,形成加權(quán)平均值濾波；

2）中值濾波,即把M次連續(xù)采樣值進(jìn)行排序,取其中位值作為濾波器的輸出,這種方法對(duì)緩變過(guò)程的脈沖干擾濾波效果良好；

3）限幅濾波,這種方法是根據(jù)采樣周期和真實(shí)信號(hào)的正常變化率確定相鄰兩次采樣的最大可能差值△,將本次采樣和上次采樣的差值小于等于A的信號(hào)認(rèn)為是有效信號(hào),大于A的信號(hào)作為噪聲處理；

4）慣性濾波,此乃模擬RC濾波器的數(shù)字實(shí)現(xiàn),適用于波動(dòng)頻繁的有效信號(hào)。濾波后,對(duì)自帶AD轉(zhuǎn)換模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。應(yīng)用數(shù)據(jù)采集卡采集到的較精確數(shù)據(jù)確定出力和電壓之間的關(guān)系在DSP內(nèi)部利用math函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。

軟件濾波可以通過(guò)對(duì)DSP核心控制芯片編寫(xiě)相應(yīng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，可通過(guò)程序進(jìn)行測(cè)試，來(lái)確定哪種濾波方式誤差更小，進(jìn)而選用該種軟件濾波方法[3]。

4.對(duì)氣體濃度與電流電壓值大小進(jìn)行標(biāo)定

新研制或者生產(chǎn)的傳感器需要對(duì)其技術(shù)性能進(jìn)行全面的檢定，以確定其基本的靜、動(dòng)態(tài)特性，包括靈敏度、重復(fù)性、非線性、遲滯、精度及固有頻率等。

例如，對(duì)于氮氧化物含量檢測(cè)傳感器，在檢測(cè)到氮氧化物含量后輸出電荷信號(hào)，但是，氮氧化物多大的濃度，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生多少電荷呢？換句話說(shuō)，們只是測(cè)出了一定的電荷大小，如何通過(guò)其確定氮氧化物的濃度呢？這個(gè)問(wèn)題只靠傳感器是無(wú)法確定的，必須依靠專用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備來(lái)確定傳感器的輸入-輸出關(guān)系。

具體方法為：通過(guò)購(gòu)買測(cè)量精度較高的氮氧化物傳感器測(cè)得實(shí)際的氮氧化物濃度，通過(guò)自主制作的電路板連接自主制作的氮氧化物濃度測(cè)量探頭，用自主設(shè)計(jì)的電路板測(cè)量出相應(yīng)的電流值/電壓值大小，得到一組電流值/電壓值與標(biāo)準(zhǔn)探頭測(cè)得的氮氧化物實(shí)際濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。不斷提高氮氧化物濃度，測(cè)量多組數(shù)據(jù)，通過(guò)MATLAB軟件將多組數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合，得到相應(yīng)的擬合曲線和擬合函數(shù)，即可根據(jù)該擬合函數(shù)和擬合曲線測(cè)得該范圍內(nèi)不同測(cè)量電流/電壓下的對(duì)應(yīng)的氮氧化物濃度值。

5.LCD顯示電路

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需要實(shí)時(shí)的將測(cè)量結(jié)果顯示出來(lái)，為此，主控制板上配備了一個(gè)192列、64行的全屏幕點(diǎn)陣顯示器。它主要基于動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)，由行驅(qū)動(dòng)器和列驅(qū)動(dòng)器兩部分構(gòu)成的，顯示器采用COB的軟封裝方式，通過(guò)導(dǎo)電橡膠和壓框連接LCD，使其連接更加可靠，壽命更長(zhǎng)。

主要功能特性[3]：

（1）工作電壓的波動(dòng)范圍為+3V～+5V±10%，本身帶有用于驅(qū)動(dòng)LCD需要的負(fù)電壓；

（2）全屏圖形點(diǎn)陣液晶板，點(diǎn)陣數(shù)為192（列）×64（行），可顯示12（行）×4（行）個(gè)漢字（16×16點(diǎn)陣），液晶內(nèi)部含有數(shù)據(jù)鎖存器，可完成字符和圖形的顯示；

（3）含有8位并行數(shù)據(jù)總線用于輸入輸出，液晶的CPU接口處占用5條控制總線；

（4）簡(jiǎn)單的操作指令，顯示開(kāi)關(guān)設(shè)置，地址指針設(shè)置，顯示起始行設(shè)置和數(shù)據(jù)讀/寫(xiě)等指令。

圖3所示為液晶顯示的硬件原理圖。

圖3 LCD原理圖

該圖形顯示液晶模塊的訪問(wèn)方式主要有兩種：一種為直接訪問(wèn)方式，另一種為間接控制方式。直接方式利用處理器的讀寫(xiě)線相與的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)使能端的控制，而間接方式直接使用一根I/O線就可以實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖鼓?。因此本設(shè)計(jì)采用節(jié)省資源的間接控制的方式。

6.結(jié)語(yǔ)

本文介紹了氮氧化物傳感器的設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)介紹了如何對(duì)氮氧化物傳感器產(chǎn)生的弱電流信號(hào)、弱電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，以及如何對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行偏移量校正、軟件濾波以提高轉(zhuǎn)換精度。介紹了對(duì)氣體濃度與電流電壓值大小進(jìn)行標(biāo)定的方法，最后介紹了如何使用LCD液晶顯示屏對(duì)測(cè)得的電流電壓、濃度值等參數(shù)進(jìn)行顯示。

[1]賈伯年,俞樸主編．傳感器技術(shù)[M]．南京:東南大學(xué)出版社,1992．

[2]代君蘭．鋼水連續(xù)測(cè)溫信號(hào)處理器的研究與設(shè)計(jì)[D]．沈陽(yáng):東北大學(xué),2012．

[3]Baojie J．,Shaolong J．,Chunhui Z．GPRS-based data real-time transmission system of water-quality monitoring[C]．2011 International Conference of Communications and Control (ICECC), Ningbo,2011,2072-2075．

[4]祝詩(shī)平,李鴻征,朱杰斌．傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M]．北京:北京大學(xué)出版社,2006．

韓冬（1987—），遼寧開(kāi)原人，碩士研究生，畢業(yè)于東北大學(xué)控制工程專業(yè)，專業(yè)方向?yàn)榍度胧杰浻布O(shè)計(jì)，現(xiàn)供職于沈陽(yáng)航天新光集團(tuán)有限公司。