我在電子星球的第【1】篇原創(chuàng)文章

簡介：

熱釋電探測器用于探測紅外信號的變化。本應用說明給出了SGX Sensortech紅外氣體傳感器所用電子電路的設計指南。這些信息用于一般建議，應注意使電路適應應用的特殊要求。通過遵循本應用說明的建議，用戶應能夠使用SGX Sensortech紅外氣體傳感器實現(xiàn)出色的性能。氣體檢測系統(tǒng)的典型框圖如圖1所示

圖 1 氣體檢測系統(tǒng)的典型框圖

紅外氣體傳感器包含一個由燈驅動電路在低頻下脈沖的燈。紅外輻射的脈沖在內部反射，從而提供一條穿過目標氣體的長路徑。熱釋電探測器用于探測紅外信號的變化。測量波段波長很敏感，通常被目標探測氣體吸收。參考波段不敏感，該波長不會被目標檢測氣體吸收。

小的熱釋電輸出信號在形狀上近似鋸齒狀，必須進行放大和濾波。帶通放大器用于只通過基頻，并減少其他頻率的任何熱噪聲。放大器的輸出大致呈正弦曲線。

模數(shù)轉換器（ADC）對放大器輸出的最大值和最小值進行采樣，以確定峰峰值電平。微處理器使用測量和參考通道的峰峰值比來計算實際氣體濃度。兩個通道對背景溫度都很敏感，因此需要一個溫度傳感器，以便微處理器能夠補償高溫輸出對環(huán)境溫度的影響。有些氣體傳感器有一個內部溫度傳感器。如果沒有，電子電路應在傳感器本體附近提供一個溫度傳感器。微處理器可以根據(jù)應用程序驅動多個輸出。這些可能包括一個液晶顯示器，一個4-20毫安的接口，一些報警或其他需要的輸出。

燈驅動            

燈的頻率和穩(wěn)定性

建議采用4 Hz50%占空比的方波燈驅動波形。重要的是頻率是由晶體控制的源產(chǎn)生的，例如帶有晶體基準的微處理器。模擬RC振蕩器不夠穩(wěn)定，無法精確操作。使用微處理器時，應注意確保燈驅動波形上沒有因定時變化或軟件中斷而出現(xiàn)的頻率或相位變化。

如果頻率增加超過4Hz，則pyro輸出將降低。雖然較低的頻率會產(chǎn)生更高的pyro輸出，但它也會給整個系統(tǒng)帶來許多其他問題：

•還需要降低ADC采樣率，從而通過平均降低噪聲。             

•輸出放大器需要使用較大的電容器，這可能會導致本質安全儀表的認證問題。 

SGXSensortech在測試和表征氣體傳感器時使用4Hz的燈驅動頻率。

燈電壓  

燈驅動的峰間電壓應在3.0 V和5.0 V之間。5.0 V方波將提供最大的紅外發(fā)射和最佳的系統(tǒng)性能。來自燈泡的熱量也會使光學反射器的溫度高于環(huán)境溫度，這有助于防止潮濕環(huán)境中的冷凝。對于電池供電的便攜式儀器，傳感器也可以在3.0V燈驅動下非常成功地工作。雖然對氣體的敏感度會變小，但耗電量會減少，燈泡壽命也會延長。 

圖2顯示了熱釋電輸出如何隨燈泡電壓變化。表1顯示了不同燈泡電壓下的典型功耗。

圖 2 熱釋電輸出如何隨燈泡電壓變化

表1 不同燈泡電壓下的典型功耗

表1——典型燈泡特性             

從表1可以看出，燈泡在冷態(tài)（關閉）時電阻非常低。這可能會在開啟瞬間造成電流激增，這在某些應用中可能是不受歡迎的。這主要是在設備冷啟動時出現(xiàn)的問題-一旦燈泡以4 Hz的頻率驅動，即使在“關閉”時也會保持一定的熱量，以減少這種影響。如果此問題導致問題，有幾種方法可用于解決：

•當“關閉”時，使燈泡偏壓在0.4 V左右，使其保持溫暖（參見圖3電路中的可選電阻器）           

•增加一個小串聯(lián)電阻           

•使用具有電流限制的調節(jié)器             

•在儀器打開時，從微處理器控制占空比，在前幾秒從0%增加到50%。

燈電路隔離    

燈泡電流相對于熱釋電信號是較大的。為了防止燈泡開關的大電流沖擊引起輸出波形上的電壓階躍，仔細的電路設計和布局是必需的，應小心確保燈回路電流不會流過靈敏的熱釋電放大器的地。燈泡電流也不得使用與ADC或溫度傳感器相同的返回路徑，否則因為燈泡在ADC采樣點的打開或關閉，可能會導致不同的電壓偏移。

強烈建議燈泡驅動和輸出信號電路使用單獨的電壓調節(jié)器。燈泡電壓可以使用具有低RDS導通電阻的MOSFET（例如Si2515BDS）進行切換。另一種方法是使用帶關閉控制的電壓調節(jié)器，它可以在4赫茲時打開和關閉。當使用低壓差穩(wěn)壓器時，必須遵循設備制造商關于輸入和輸出電容器的建議，以保持燈泡電壓的穩(wěn)定性。             

圖 3 顯示了一些驅動燈泡的電路示例。

圖 3-a

圖3-b

圖3-c  

熱釋電供電和輸出負載             

氣體傳感器內部的熱釋電探測器將紅外輻射的變化轉化為電流。熱釋電源電壓范圍為3 V至15 V。但是，在包含溫度傳感器IC的氣體傳感器中，電源電壓應限制在10 V。熱釋電材料具有非常低的輸出，并且在源極跟隨器布置中使用場效應晶體管（FET）進行內部緩沖。有必要提供10至100µA的外部電流負載；最低噪聲的最佳值約為20µA。探測器輸出通常具有0.4 V和1.5V之間的直流偏壓，因此對于大多數(shù)單電源應用，可以將47k電阻器從傳感器輸出連接到接地（圖4）。

圖 4 輸出負載 

帶通放大器              

熱釋電器件的輸出非常小，通常小于50毫伏，必須放大。放大器應盡可能靠近氣體傳感器安裝，以減少噪聲和其他電磁干擾的拾取。放大器應通過所需的4赫茲信號，并拒絕其他頻率。             

如果帶寬太窄，濾波器可能對元件公差和溫度變化非常敏感。但是，如果帶寬太寬，電路會從熱釋電中傳遞太多不需要的噪聲。這將導致低信噪比和儀器讀數(shù)波動。圖5顯示了一個典型的電路，用于使用單個3V電源放大和過濾pyro輸出。R1是熱負載電阻器。有兩個高通濾波器由C1與R2//R3(0.4Hz)和C2與R4(2.3Hz)組成。單個低通角由C3和R5(5.4Hz)形成。電路增益可以通過改變R5的值來改變。然而，C3xR5的乘積必須保持恒定，以保持相同的頻率響應。應選擇電路增益，以使傳感器輸出最大化，而不會導致削波。考慮數(shù)據(jù)表中給出的輸出的制造變化。

圖 5 典型電路             

放大電路的頻率響應如圖6所示。為了保持兩個通道的響應相同，電阻公差應為1%或更好，電容器應為10%或更好。在選擇電容器時應小心，因為許多高值設備的公差非常差。運算放大器應選擇在10赫茲以下具有良好噪聲性能的放大器。如果增益很高，則需要一個低的偏移量，以確保輸出在供電軌的中間偏壓。

圖 6 響應曲線

模數(shù)轉換器位數(shù)             

模數(shù)轉換器（ADC）用于采集放大的焦信號和溫度傳感器。所需的分辨率位數(shù)取決于應用程序。但是，必須考慮幾個因素：

•所選氣體的吸收              

•微處理器中的平均值             

•應用所需的分辨率 

在某些應用中，12位ADC就足夠了。然而，一些高精度應用需要14或16位ADC分辨率。             

ADC參考             

應提供干凈的ADC基準和接地。應選擇在10Hz以下具有低噪聲的基準。注意將ADC電源與燈泡驅動器隔離，以防止燈泡開關瞬態(tài)耦合。 

ADC時序

 圖 7 顯示了一些典型的定時波形。在燈泡開關點和信號響應的最大值或最小值之間存在延遲。這種延遲通常在25毫秒左右，但取決于所使用的氣體傳感器的型號。延遲還與熱釋電器件的輸出電平有關，可以看出，如果燈泡驅動器從5V降低到3V，則延遲時間將增加。

圖 8 ADC時序

當使用有源和參考信號電平之間存在較大差異的氣體傳感器時，將觀察到測量和參考峰值的延遲時間存在微小差異。在這種情況下，ADC應該以平均延遲時間采樣，或者為每個通道使用不同的延遲時間。 

降噪             

一個好的電路設計將使您從SGX Sensortech紅外氣體傳感器獲得最佳性能。小心避免常見的設計問題，這些問題可能會導致噪音增加或其他性能影響。可能出現(xiàn)的問題有：

•電源調節(jié)器噪聲*             

•ADC參考噪聲*             

•運算放大器噪聲*             

•4 Hz燈驅動或ADC采樣點不穩(wěn)定（可能由軟件中斷引起）             

•通道匹配不良超溫（部件公差差）             

•由于傳感器輸出端接地不良或軌道較長而產(chǎn)生的電磁感應             

•接地不良引起的燈開關瞬態(tài)干擾

•在選擇設備時，請仔細考慮1到10Hz之間的噪聲性能。              

•噪聲也可以通過平均ADC讀數(shù)來降低。n個樣本的平均值將使信號的標準偏差提高√n。但是，它也會增加對氣體濃度變化的響應時間。