沈陽航天新光集團(tuán)有限公司 韓 冬

氮氧化物檢測傳感器信號處理裝置設(shè)計

沈陽航天新光集團(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)介紹了如何對到氧化物傳感器產(chǎn)生的弱電流電壓信號進(jìn)行檢測及檢測電路的設(shè)計方法。

氮氧化物；傳感器；弱電流檢測

1.引言

氮氧化物NOx ( NO和NO2)作為大氣污染中的主要氣體，大多是由燃料(煤、燃料油)燃燒，汽車尾氣，化工過程產(chǎn)生的。NOx不僅能破壞臭氧層，轉(zhuǎn)化成酸雨，且在陽光下易與碳?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。不少國家已經(jīng)立法對NOx的排放進(jìn)行嚴(yán)格控制，因此對NOx的濃度進(jìn)行定量監(jiān)測與控制十分重要[1]。

本方案氮氧化物含量檢測傳感器設(shè)計原理是：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越大，通過對測量電流（電壓）值與氮氧化物實際濃度之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定、得到擬合曲線與擬合函數(shù)，通過測量流經(jīng)電極間的電流或電壓值的大小，即可定量測得氮氧化物氣體濃度。

2.信號處理裝置硬件設(shè)計

2.1 傳感器輸出電壓信號

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

測量方案：

傳感器輸出的電壓值一般較小，需要經(jīng)過放大電路放大后再傳給DSP進(jìn)行處理，擬定選擇AD620放大器對傳感器輸出信號進(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由插座J1 輸入，經(jīng)過由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)成了檢流計的調(diào)零電路，通過改變AD620的REF引腳的電壓實現(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，AD620 的放大倍數(shù)G=49.4KΩ/ RG+1=49400/100+1=495，可通過調(diào)節(jié)RP1和R0來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，將輸入信號進(jìn)行放大，經(jīng)過放大后的信號輸入給DSP的A/D轉(zhuǎn)換引腳，測量出相應(yīng)電壓，再除以放大倍數(shù)即可得到需要測量大小。

2.2 傳感器輸出電流信號

圖1 AD460放大器控制電路

通過ICL7650斬波穩(wěn)零放大器芯片并結(jié)合外圍電路來進(jìn)行測量。

測量方案：

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

一個理想的運算放大器，當(dāng)輸入電壓為零時，輸出電壓也應(yīng)為零（未加調(diào)零的情況下）。但實際上它的差分輸入級很難做到完全對稱，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，為使運放的輸出電壓為零，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集成運放電路中，由于制造工藝，兩個輸入端是不對稱的，輸入的不對稱性意味著兩個偏置電流幾乎總是不相等的，這兩個偏置電流之差為失調(diào)電流，輸入失調(diào)電流（Offset Current）是指兩個差分輸入端偏置電流的誤差，即當(dāng)輸出電壓為零時流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基級電流之差。由于信號源內(nèi)阻的存在，失調(diào)電流會引起一輸入電壓，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.

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

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

圖2 弱電流檢測電路

具體電路設(shè)計如圖2所示。通過一個繼電器控制K1-1和K1-2的通斷，通過相應(yīng)計算得到兩個放大公式，因為采用單片芯片，電路切換前后失調(diào)電流，失調(diào)電壓，溫度漂移等參數(shù)是一樣的，通過兩個等式做差的形式來消除失調(diào)電流，失調(diào)電壓，溫度漂移帶來的影響。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)計算得到的理想輸出電壓為為U1,由DSP的A/D采樣端口測量值為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，因為繼電器切換前后用于計算、測量的芯片并未發(fā)生變化，所以ΔU1=ΔU2。通過電路算法計算，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個通道12位分辨率和流水線結(jié)構(gòu)，16個通道可以級聯(lián)成一個16通道模塊，完成過采樣算法。

3.測量結(jié)果軟件濾波

為使測量結(jié)果更精確，需要對測量結(jié)果進(jìn)行軟件濾波。軟件濾波是智能傳感器、儀器儀表所獨有的,可對包括頻率很低(如0.01Hz)的干擾信號在內(nèi)的各種干擾信號進(jìn)行濾波,而且一個數(shù)字濾波程序能為多個輸入通道共用。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,這種方法對緩變過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)采樣周期和真實信號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的信號認(rèn)為是有效信號,大于A的信號作為噪聲處理；

4）慣性濾波,此乃模擬RC濾波器的數(shù)字實現(xiàn),適用于波動頻繁的有效信號。濾波后,對自帶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)庫實現(xiàn)信號之間的轉(zhuǎn)換。

軟件濾波可以通過對DSP核心控制芯片編寫相應(yīng)程序來實現(xiàn)，可通過程序進(jìn)行測試，來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)的傳感器需要對其技術(shù)性能進(jìn)行全面的檢定，以確定其基本的靜、動態(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，對于氮氧化物含量檢測傳感器，在檢測到氮氧化物含量后輸出電荷信號，但是，氮氧化物多大的濃度，對應(yīng)產(chǎn)生多少電荷呢？換句話說，們只是測出了一定的電荷大小，如何通過其確定氮氧化物的濃度呢？這個問題只靠傳感器是無法確定的，必須依靠專用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備來確定傳感器的輸入-輸出關(guān)系。

具體方法為：通過購買測量精度較高的氮氧化物傳感器測得實際的氮氧化物濃度，通過自主制作的電路板連接自主制作的氮氧化物濃度測量探頭，用自主設(shè)計的電路板測量出相應(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)探頭測得的氮氧化物實際濃度的對應(yīng)關(guān)系。不斷提高氮氧化物濃度，測量多組數(shù)據(jù)，通過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)和擬合曲線測得該范圍內(nèi)不同測量電流/電壓下的對應(yīng)的氮氧化物濃度值。

5.LCD顯示電路

工業(yè)現(xiàn)場需要實時的將測量結(jié)果顯示出來，為此，主控制板上配備了一個192列、64行的全屏幕點陣顯示器。它主要基于動態(tài)驅(qū)動原理設(shè)計，由行驅(qū)動器和列驅(qū)動器兩部分構(gòu)成的，顯示器采用COB的軟封裝方式，通過導(dǎo)電橡膠和壓框連接LCD，使其連接更加可靠，壽命更長。

主要功能特性[3]：

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

（2）全屏圖形點陣液晶板，點陣數(shù)為192（列）×64（行），可顯示12（行）×4（行）個漢字（16×16點陣），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）簡單的操作指令，顯示開關(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方式主要有兩種：一種為直接訪問方式，另一種為間接控制方式。直接方式利用處理器的讀寫線相與的方式來實現(xiàn)使能端的控制，而間接方式直接使用一根I/O線就可以實現(xiàn)控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖鼓堋Ｒ虼吮驹O(shè)計采用節(jié)省資源的間接控制的方式。

6.結(jié)語

本文介紹了氮氧化物傳感器的設(shè)計方法，詳細(xì)介紹了如何對氮氧化物傳感器產(chǎn)生的弱電流信號、弱電壓信號進(jìn)行檢測，以及如何對采集信號進(jìn)行偏移量校正、軟件濾波以提高轉(zhuǎn)換精度。介紹了對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液晶顯示屏對測得的電流電壓、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)測溫信號處理器的研究與設(shè)計[D]．沈陽: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]祝詩平,李鴻征,朱杰斌．傳感器與檢測技術(shù)[M]．北京:北京大學(xué)出版社,2006．

韓冬（1987—），遼寧開原人，碩士研究生，畢業(yè)于東北大學(xué)控制工程專業(yè)，專業(yè)方向為嵌入式軟硬件設(shè)計，現(xiàn)供職于沈陽航天新光集團(tuán)有限公司。