趙守風(fēng)， 鄭雁公， 華昌洲， 簡家文

(寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 寧波 315000)

0 引 言

目前普遍采用的是基于金屬氧化物的電阻變化檢測環(huán)境中的氣體濃度。對于傳感器的接口電路，通常采用分壓器或惠斯通電橋?qū)㈦娮柁D(zhuǎn)換為電壓信號[1]，再通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和濾波電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。雖然ADC和濾波電路已經(jīng)被普遍應(yīng)用于商業(yè)化傳感器電路中，但進(jìn)一步簡化傳感器的接口電路，有利于傳感器的小型化和應(yīng)用，廣義阻抗變換器(GIC)設(shè)計簡單，容易實(shí)現(xiàn)，并且頻率信號表征更容易實(shí)現(xiàn)遙感檢測，同時由于直接采用頻率信號傳輸，避免了濾波帶來的干擾，因此具有更強(qiáng)的抗干擾能力[1,2]。

已有不少研究工作專注于研究應(yīng)用于傳感器的電阻—頻率轉(zhuǎn)換器。Payne提出了一種電橋振蕩電路測量電阻式氣體傳感器的電阻和相應(yīng)阻抗的氣敏響應(yīng)，實(shí)驗結(jié)果表明傳感器的阻抗響應(yīng)比其相應(yīng)的電阻響應(yīng)高[2,3]，傳感器的阻抗響應(yīng)不僅包含了電阻的變化，并且也有來自傳感器容性變化的貢獻(xiàn)。Preethichandra D M G等人首次建議使用GIC作為傳感器的接口電路，模擬結(jié)果表明電路可以測量非常小的電容變化并最大限度地減少誤差[4]。Durn A等人將GIC應(yīng)用于電阻式氣體傳感器，用頻率信號表征氣體濃度變化[1]。通過GIC將氣體傳感器的電阻轉(zhuǎn)換成等效電容，并與電阻構(gòu)成RC諧振器。以上結(jié)果表明應(yīng)用于傳感器的GIC接口電路研究已經(jīng)取得了一定成果，但是主要測試的頻率范圍局限在1～6 kHz，不利于小型化器件的直接無線傳輸，而且電阻和頻率之間的關(guān)系也沒有系統(tǒng)研究。

本文提出了使用GIC，將電阻變化轉(zhuǎn)換為頻率信號,將研究基于GIC電路將傳感器電阻轉(zhuǎn)換為電感或電容，并與相應(yīng)的電容或電感構(gòu)成LC諧振電路。在不同頻率范圍內(nèi)，對這兩種電路進(jìn)行了對比研究，測試頻率偏移和傳感器電阻變化之間的關(guān)系，分析了電路設(shè)計對靈敏度的影響，最后進(jìn)行氣敏測試。

1 電路分析

GIC的設(shè)計最初為了解決集成電路中電感制作問題[5]。本研究中使用的GIC電路如圖1所示，由2個運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。定義節(jié)點(diǎn)1與接地之間的阻抗為Zi。GIC的阻抗為Zj。定義節(jié)點(diǎn)1,2,3,4和5的電壓分別為V1,V2,V3,V4和V5。

根據(jù)運(yùn)放的虛短和虛斷，V1=V3=V5,節(jié)點(diǎn)5的電流為I5=V5/Z5。因為節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)5的電流相等，則節(jié)點(diǎn)4的電壓為V4=V5+I5×Z4,則節(jié)點(diǎn)3的電流為I3=(V3-V4)/Z3。同理可以計算節(jié)點(diǎn)2的電壓和節(jié)點(diǎn)1的電流為V2=V3+I3×Z2,I1=(V1-V2)/Z1。由此可得GIC的阻抗為

Zj=V1/I1=Z1Z3Z5/Z2Z4

(1)

用電容代替式(1)中的阻抗，Zj可以等效為電容或電感。若Z2為電容，其余為電阻，則Zj的等效電感為

Zj=(Z1Z3Z5)/(Z2Z4)=(R1R3R5)/(R4/jωC2)=jωLeq

(2)

因為電感L的阻抗為ZL=jωL,根據(jù)電感阻抗定義式和上式推倒可以得到等效電感

Leq=(R1R3R5C2)/R4

(3)

同理，若Z1為電容，則Zj的等效電容器為

Ceq=(R2R4C)/(R3R5)

(4)

為了形成LC諧振電路，根據(jù)Zj等效為電感或電容情況，設(shè)置Zi為相應(yīng)的電容或電感。

圖1 GIC電路原理

2 實(shí)驗裝置

本研究使用的電阻式氣體傳感器購自O(shè)gam技術(shù)公司(MS1100)，其電阻隨甲醛濃度的升高而降低。GIC中的運(yùn)算放大器(AD8009)由Analog Device公司研制。采用直流電源(Siglent SPD3303D)對運(yùn)算放大器進(jìn)行供電。頻率信號采用定陽科技有限公司生產(chǎn)的Siglent SDS2102示波器進(jìn)行測量。電路仿真利用Cadence軟件，使用LCR分析儀(Agilent 4284A)分析器件阻抗。在實(shí)驗測試中，根據(jù)GIC等效為電感或電容的情況，分別采用電容代替電路中的Z3或Z4，同時傳感器在電路中的位置分別為Z2或Z5，其它元件的則是電阻。

氣敏測試采用靜態(tài)試驗系統(tǒng)[6]氣體傳感器測試腔體積為70L，用直流電源對傳感器進(jìn)行加熱和供電，數(shù)據(jù)采集板(DAQ)測量氣體傳感器的電阻。通過注射甲醛液體而獲得一定濃度，液體體積和氣體濃度關(guān)系計算如下

(5)

式中C為目標(biāo)氣體的體積分?jǐn)?shù)(10-6)，v%為液相的體積分?jǐn)?shù)，p為測試室的氣體壓力，M為分析物的分子量，d為液體的密度分析物，R為理想氣體常數(shù)，T為溫度。

3 結(jié)果與討論

3.1 傳感器的電阻氣敏測試

由于GIC電路中的頻率偏移來自于傳感器的電阻變化，首先對不同甲醛濃度的氣體傳感器的電阻變化進(jìn)行測試，之后的仿真[7]和實(shí)驗均依照傳感器的電阻變化進(jìn)行，傳感器電阻瞬態(tài)變化如圖2所示。所采用傳感器的電阻基值是28.3 kΩ，電阻隨著甲醛體積分?jǐn)?shù)增加而降低，并且響應(yīng)和恢復(fù)較快，同時傳感器電阻信號逐漸飽和在20×10-6甲醛左右，最大的電阻變化約為12.6 kΩ。根據(jù)傳感器在不同體積分?jǐn)?shù)下的電阻值，對GIC電路進(jìn)行設(shè)計。

圖2 不同甲醛體積分?jǐn)?shù)下氣體傳感器的電阻變化

3.2 傳感器電路的仿真與實(shí)驗

為了研究在不同頻率下的傳感器電路性能，設(shè)計了2種GIC電路，并且將諧振頻率設(shè)在200 kHz,1 MHz和10 MHz左右進(jìn)行仿真[8]和測試。2種GIC電路分別是將GIC阻抗轉(zhuǎn)換為等效電容，配合一個電感器形成諧振電路；另一種是GIC阻抗為等效電感，并聯(lián)一個電容器組成諧振電路。在電路實(shí)驗中，暫時采用可變電阻器模擬氣體傳感器在不同濃度氣體下的電阻變化。對2種GIC電路在電阻變化條件下進(jìn)行了仿真和實(shí)驗測試，比較結(jié)果如圖3所示。

圖3 電路仿真與實(shí)驗結(jié)果比較

實(shí)驗和仿真結(jié)果表明電阻的減小使電路頻率偏移。由于采用LC諧振電路，頻率和電路之間為非線性。但除了等效電感的GIC在300 kHz的實(shí)驗與仿真結(jié)果相符外，其余的實(shí)驗結(jié)果總是低于仿真結(jié)果。并且模擬和實(shí)驗之間的差距隨著電路諧振頻率的增加而增大，這可能與元件的高頻寄生效應(yīng)有關(guān)[9]。為修正元件的等效模型，并分析它們的阻抗隨頻率變化特性，接下來對各元件進(jìn)行阻抗測試并分析。

3.3 傳感器電路元件的阻抗

傳感器電路中的元件包括傳感器、電阻器、電容器、電感器[10]。阻抗分析儀在25 Hz～1 MHz范圍內(nèi)進(jìn)行阻抗測量。其中，電阻阻值分別為15.7,17.2,19.1,22,22.8,24.7,27.1,28.3 kΩ，這些阻值分別對應(yīng)于傳感器在不同甲醛濃度下的阻值。阻抗為復(fù)數(shù)，實(shí)部和虛部分別表示為Z'和Z"，各元件的阻抗測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 電路元件的阻抗譜

對于電阻元件，不同阻值的電阻實(shí)部在頻率范圍內(nèi)基本恒定，只在1 MHz附件有微小變化。但在圖4(b)中，電阻的虛部在100 kHz以上有很大變化，表現(xiàn)出電容性或電感性并隨著頻率增加而變大。變阻器在高頻下表現(xiàn)出容性或感性可能與其內(nèi)部在不同阻值下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。對于電容器和電感器的阻抗實(shí)部，電容器的實(shí)部有較大變化，從25 Hz的459 kΩ分別減小到5 kHz的1.5 kΩ，100 kHz的101.9 Ω，1 MHz的14.7 Ω；電感器的實(shí)部在頻率范圍內(nèi)稍微增長，到1 MHz只有0.21 Ω。在圖4(d)中電容器和電感器的虛部，它們的電容值和電感值隨著頻率的增加而有所減小。電容器的容值從25 Hz的211 pF變化到1MHz的193 pF，電感器的感值從25 Hz的1.78 mH變化到1 MHz的1.05 mH。圖4(e)為傳感器的阻抗變化，傳感器的電阻在10 kHz開始減小，并且同時表現(xiàn)出容性，并且電容值快速增長。根據(jù)以上的阻抗測量結(jié)果，各元件的阻抗都會隨頻率有很大的變化，這與元件所使用的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)[11]。但電路高頻下的實(shí)驗結(jié)果與仿真結(jié)果的差異來源于元件的高頻寄生效應(yīng)。因此本文修正了各元件的等效模型，針對諧振頻率在730 kHz傳感器電路進(jìn)行了仿真。仿真和實(shí)驗結(jié)果的對比如圖5所示，仿真和實(shí)驗結(jié)果基本相等，為之后電路的設(shè)計和仿真提供了依據(jù)。

圖5 高頻參數(shù)下實(shí)驗與仿真結(jié)果對比

3.4 電路靈敏度

GIC電路是將電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率的偏移，為了放大電阻變化所帶來的頻率信號，定義電路靈敏度(fR)作為表征[12]為頻率變化量和電阻變化量的比值，則以GIC可以高靈敏地轉(zhuǎn)換電阻微小變化fR=Δf/ΔR。

(6)

從式(6)可以看到，電路靈敏度可以通過系數(shù)K進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用等效電感GIC，調(diào)節(jié)不同K值，實(shí)驗測試在相同氣體濃度變化量下的頻率偏移。結(jié)果如圖6所示，實(shí)驗中K值大小為K1

圖6 電路靈敏度測試

3.5 氣敏測試

采用等效電感的GIC電路，鏈接商業(yè)氣體傳感器在氣體測試裝置中進(jìn)行氣敏測試。將GIC電路的諧振頻率分別設(shè)置為309.27，730.01 kHz和9.31 MHz。三種諧振頻率下的測試結(jié)果如圖7所示，每個體積分?jǐn)?shù)均重復(fù)測量3次，誤差條表示3次測量的標(biāo)準(zhǔn)差。由于傳感器電阻在20×10-6甲醛以上發(fā)生飽和，通過GIC電路的頻率表征，測試濃度范圍和傳感器電阻測試一致。雖然測試結(jié)果有一定誤差，但比較小，可能來源于測試儀器的誤差。氣敏測試結(jié)果與之前的實(shí)驗和仿真結(jié)果一致，驗證了該電路可以作為電阻式傳感器的接口電路，使用頻率信號表征氣體體積分?jǐn)?shù)的變化。

圖7 不同甲醛體積分?jǐn)?shù)測試結(jié)果

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于GIC的電阻式傳感器接口電路，由于直接采用頻率信號表征敏感信號，該電路簡單，抗干擾能力強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)無線傳輸。通過調(diào)節(jié)電路的靈敏度，可以提高傳感器的分辨率。因此本電路可被用于物聯(lián)網(wǎng)中傳感器的節(jié)點(diǎn)電路。