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使用反對數轉換器將二氧化碳感測器線性化

2015年02月11日  | Jordan Dimitrov

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儘管大多數二氧化碳感測器(carbon dioxide sensor)採用紅外輻射(IR)技術,但電化學感測器(electrochemical sensor)因靈敏度高、測量範圍廣且價格低廉等因素,使它成為該領域不可小覷的競爭對手之一。一般情況下,電化學感測器通過緩衝放大器連接到微控制器,同時偏壓電流極低,不到1pA。這時需要微控制器將感測器的對數回應線性化。一個可以用來印證該方案的好例子是Sandbox Electronics的SEN-000007模組。該模組使用的是Hanwei Electronics的MG-811二氧化碳感測器。參考文獻1中給出了電路和代碼,但沒有指明具體的精確度。


本文介紹了一種純硬體解決方案,即通過一種便於調整、精確度高且成本低廉的簡單電路解決線性化問題。輸出信號可以直接到達配電板式儀錶(panel meter)或微控制器,無需對數或反對數計算等複雜的資料操作。


MG-811感測器可以測量400~10000 ppm(0.04%~1%)範圍內的二氧化碳濃度。圖1顯示了感測器的傳遞函數。圖中資料點來自MG-811數據手冊,線條和方程式由微軟Excel的曲線擬合工具生成。


圖1	傳感器具有對數回應特性, 帶有一265mV的偏置。
圖1 傳感器具有對數回應特性, 帶有一265mV的偏置。

圖2是電路佈局,其中包括一個四通道運算放大器和一對匹配電晶體。IC2A和IC2B形成一條為感測器提供高輸入電阻的調節電路(conditioning circuit),去除來自感測器響應的265mV偏置,並放大產生的信號。其目標是將感測器響應調整為VS = lnC(C為二氧化碳濃度)的形式,使反對數(antilog)轉換器(內置在IC2C、IC2D和匹配電晶體中,參考文獻2)能夠執行elnC = C的恆等式,由此得出VOUT與二氧化碳濃度間的線性關係。參考IC1為2.5V時,電路可與其他需要5V而非6V電源的氣體感測器搭配使用,例如Figaro的TGS4161。請注意,感測器會吸收大量電流。


圖2	 一個四通道運算放大器和一對匹配電晶體即可簡單明瞭地完成線性化操作。R7是一種標準的補償電阻器,是由PRC公司所生產的。
圖2 一個四通道運算放大器和一對匹配電晶體即可簡單明瞭地完成線性化操作。R7是一種標準的補償電阻器,是由PRC公司所生產的。

該電路僅需一隻全刻度調整器(R11)即可完成校準。精確度為±0.3%(見圖3),可與3.5數字的配電板式儀錶充分匹配,並且遠比這種類型感測器的預期精確度來得好。


圖3	精確度足以與3.5數字的配電板式儀錶匹配。
圖3 精確度足以與3.5數字的配電板式儀錶匹配。。

參考文獻

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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