2007芷第7期仪表技术与传感器Insmtment Technique and Sensor2007 No.7新型气体热导传感器及其应用设计‘ 刘殿素,吴言荪,欧勇(重庆大学电气工程学院,重庆400044摘要:气体热导传感器是利用被测组分和参考气的热导系数不同而响应的浓度型传感器。
文中介绍了一种新型气体热导传感器TCS208F的特点、结构及指标,由于其输出是微弱信号,所以设计出其信号调理电路。
传感器检测到的微弱信号由测量电桥调理输出,通过集成芯片AM402中的仪表放大器进行差分放大,由于远距离传输的需要,再将电压信号送入U/I变换器转换成0。
20mA的工业标准电流信号,最后再把电流信号转换为电压信号送入单片机。
关键词:热导传感器;TCS208F;AM402;信号调理中图分类号:TP212文献标识码:B 文章编号:1002—1841(200707—0005—02Applicable Design of New Type Thermal Conductivity Sensor for Gases LIU Dian-su,WU Yan-SLID,OU Yong(College of Electrical EnoneeriIlg,Chongqing University,Chongqing 400044,ChinaAbstract:Thermal conductivity sensor for gases is concentration sensoy that measure the thermal conductivity coefficient of the 8ain-fled gas different fwm the referencegas.The characteristics and configuration of a new type thermal conductivity SellSOr for gases wel'e in— troduced and a si印al adjust circuit was designed because of faint output signal.Applying integrated chip AM402,the output sisnal of wheatstone bridge was amplified,then convert amplified si乎础into 0—20mA current signal which correspond to the normal industrial standards.Finally,0~20mA current sisnal is converted voltage signal for putting the si馨1al chip microcomputer.Key words:thermal conductivity sensor;呦8F;AM402;signal Ie出circuit1传感器TCS20SF介绍气体热导传感器代s208F是采用先进的MEMS工艺加工技术制备的新一代传感器件,具有小型化、集成化的特点,可以极大地提高传感器性能u J。
可以测量天然气、c02、c地、He、Xe等成分或含量,可测量非常小的气体容积变化,成本低、功耗低、温度低,时间常数小,T08封装,抗冲击能力强。
气体热导传感器TCS208F,包括一个经电、热隔离的带 1—n矗薄膜的硅片,如图1所示。
薄膜上集成有2个电阻(R小尺砣,用来进行薄膜预热和温度测量。
电阻以及引线都经过钝化处理以免受到气体的腐蚀。
整个薄膜都被其上层的带方形槽的硅片所覆盖,该方形槽为热导感测区域。
被测气体由薄膜上的横向开口以扩散的方式通过测量区域汜J。
图1传感器截面图当具有一定热导率的气体包围整个薄膜时,薄膜将吸收气体的热能并且升高温度到L.要测量这个温度的变化量△r, 必须提供一个稳定的电路以使薄膜温度的变化量在一定时间内保持恒定。
通常,传感器提供2个以上的电阻(R。
1、R也来测量和补偿因环境温度的变化而产生的影响。
主要技术指标:电收稿日期:2006—10—10收修改稿日期:2007—05一17 阻R面,矗砬(咒=25oC 为92~11511;电阻凰,%为220~ 27512;RJ(Rllll+R砬I x∈{1,2}为1.13~1.27;电阻差尺血一 R砬为一2.0~+2.0Q;温度系数口为4.8×10一一5.9×10—3・ K_1;薄膜加热时间系数r。
<5ms;漂移氐I戈∈{m,t};y∈{1, 2}为0.001~0.01(%/周.2信号调理电路的结构设计传感器检测到的微弱信号由测量电桥输出,再送入仪表放大器进行差分放大,由于远距离传输的需要,再将电压信号送入U/I变换器转换成0~20mA的电流信号,最后把电流信号再转换为电压信号送入单片机。
信号调理电路结构图如图2所示。
图2信号调理电路结构图3系统各部分的工作原理信号调理电路的电路图如图3所示。
3.1惠斯通电桥【3J如图3所示,由TCS208F传感器组成的惠斯通电桥以恒压方式供电,是不平衡直流电桥。
它的激励电压由U/I变换器芯片AM402提供。
电桥中,月1、恐为定值电阻,作为电桥的参考臂。
飓为调零电阻,用来调节电桥的初始平衡。
Rt】+R12为一阶温度补偿电阻,用来测量和补偿环境温度的影响。
屁。
为二阶温度补偿电阻,它的值是固定的,但值的大小由被测气体确定。
R玎d+R 以为薄膜电阻,作为电桥的测量臂,用来测量气体热导率的变化。
万方数据6Instnmlent Teehnique and Sensor图3信号调理电路图在工作初始状态,调节电阻尺3,使电桥处于平衡状态,输出电压为零。
在环境温度不变的情况下,当被测混合气体的组分含量发生变化时,混合气体的热导率A也随之改变,这时传感器的薄膜电阻RIlll+R砬的阻值也会改变,电桥失去平衡,在‰+与‰一之间会有一个电压差‰,这个电压差就是反应被测气体热导率变化的原始电信号,后期硬件和软件的工作都是以此为基础的。
该测量电桥自身具备二阶温度补偿功能。
只要被测气体的组分含量不发生变化,电桥就是平衡的,即VIN=0。
当被测气体的含量发生变化,则电桥失去平衡,‰+与‰一电压差‰反应了被测气体的热导率的变化。
只要y州+与y矾一的平均值在仪表放大器的共模输入电压的范围内,该电路就可得到正确的测量结果。
3.2集成芯片AM402AM402是专门为处理差分信号开发的一款电压电流转换器,可以输出4。
20mA或0~20mA电流信号。
它内部含有4.5。
10v可调的高稳定度电压源和宽共模电压范围的前置放大器。
AM402含有内置极性保护电路、输出过压保护电路和内置过热保护电路HJ。
其内部基本结构如图4所示。
ININ6NU SE’r图4AlVl402内部结构图3.2.1参考电压设置AM402含有4.5~10v可调的高稳定度电压源,可供传感器使用。
当13脚VSET 空置时,16脚VREF输出5V参考电压; 当13脚接地且工作电压大于等于1l v时,16脚输出10v参考电压;前面惠斯通电桥使用的是10v的激励电压,所以设置13脚接地工作电压为24V,16脚连接到电桥。
3.2.2仪袁放大器AM40"2的工作电压为24v,所以仪表放大器的共模电压输入值高达6V,共模抑制比为90dB,输入失调电压为±1mV,输入失调电压漂移为-i-5t-V/。
C,输入偏置电流为8nA.其三线输出0。
20mA电流接线如图3所示。
放大器的增益通过10、ll、12脚所连接的外部电阻RI,R2设置,计算公式如下:GtA=1+R1/R2且R1与尺2的和不能大于极限参数的最大值(50kO,同时还要注意输入信号的极性。
3.2.3U/I变换器在电压控制电流输出时,可以通过外接电阻R3和髓来设置内部参考电压进而调节偏置电流。
最初使用时,为了补偿输出电流的偏移量,输入必须被短路(‰=0。
则此时产生的输出电流lout=lszr,计算公式如下:, Veer心。
5肼一2%飓+风而输入电流louT的计算公式为louT=‰詈+Iszr1‘U所以仪表放大器的增益GIA可以通过输入电压‰和最大输出电流louT一来确定。
最小工作电压依靠参考电压的值来确定。
公式为Vcc≥Varr+1另外,工作电压K的选择依靠负载电阻尺L来确定。
最小工作电压的计算公式如下:蚝≥,o UT。
RL+Vcc血在三线系统中,Vet=Vs.设计中,要求输出0—20mA电流信号,所以7脚SET接地, 电阻飓和见不接人,lszr=0。
输入信号‰的范围为0~ 250mV,最大输出电流为20mA,由公式lout=VIN 詈+/SEW 得,GIA=2。
参考电压陆F=10V,负载电阻为120Q,由公式Vcct>‰F+1和vs≥,oUr。
尺L+Vcc血可知,Vs=24V是可行的。
其他外部器件的值如下:Ro=25Q,R1=22m,R2=22kQ, R5=40Q,C1=2.2心.Ro,Rl,R2,R5,RL均使用精密电阻。
4结论此信号调理电路已经应用在基于GPRS网络的下水道可燃气体监测系统中。
电路采用电流信号作远距离传输,减少了压力传感器信号在长线传输过程中的损失误差,并增强了系统的抗干扰能力。
试验和研究表明:该电路采用模块化设计,具有信号传输稳定性和良好的重复性,能在远距离工业控制实践中广泛应用。
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万方数据新型气体热导传感器及其应用设计作者:刘殿素 , 吴言荪 , 欧勇 , LIU Dian-su, WU Yan-sun, OU Yong作者单位:重庆大学电气工程学院,重庆400044刊名:仪表技术与传感器英文刊名:INSTRUMENT TECHNIQUE AND SENSOR年,卷(期:2007(7被引用次数:4次参考文献(4条1. 李学东;余志伟基于MEMS技术的微型传感器 [期刊论文]-仪表技术与传感器 2005(092. GERHARD R WAGNER TCS208F product information leaflet 20043. 张靖;刘少强检测技术与系统设计 20024. AM402 Data Sheet 1999本文读者也读过(2条1. 曾庆喜 . 王庆 . 王浩为 . ZENG Qing-xi. WANG Qing. WANG Hao-wei 基于热导传感器的氢气浓度检测仪的设计 [期刊论文]-测控技术 2008,27(42. 热导传感器TCS208F及其信号调理电路研究 [期刊论文]-传感器与微系统2009,28(9引证文献(4条1. 孙冬梅 . 刘林 . 徐海滨基于微流量热导传感器的氢气浓度检测系统研究 [期刊论文]-控制工程 2011(42. 徐海滨 . 孙冬梅 . 程明霄基于微流量气体传感器的数据采集系统 [期刊论文]-仪表技术与传感器 2011(73. 徐海滨 . 孙冬梅 . 程明霄基于TCS208F的氢气体积分数检测仪的设计 [期刊论文]-传感器与微系统 2011(24. 王浩宇 . 曹建 . 安晨光基于MEMS技术的气体热导传感器的应用研究 [期刊论文]-传感技术学报 2009(7引用本文格式:刘殿素 . 吴言荪 . 欧勇 . LIU Dian-su. WU Yan-sun. OU Yong 新型气体热导传感器及其应用设计 [期刊论文]-仪表技术与传感器 2007(7。