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红外气体传感器电路设计

关键词:红外气体传感器,电路设计,传感器点击:
介绍
本应用指南提供了与红外气体传感器一起使用的电子电路设计指南。这些信息是为了提供一般建议而提供的,应该注意使电路适应应用的特定要求。通过遵循本应用笔记的建议,用户应该能够通过红外气体传感器实现出色的性能。
图1显示了使用红外气体传感器的典型气体检测系统的概要框图。
IR气体传感器包含由灯驱动电路以低频脉冲的灯。红外辐射脉冲在内部反射以提供穿过目标气体的长路径。热释电探测器(pyros)用于探测红外信号的变化。活性焦炭对通常被检测到的气体吸收的红外波长的变化敏感。参考焦炉对附近红外波长的变化非常敏感,该波长不被检测到的气体吸收。
小型pyro输出信号的形状近似锯齿形,必须进行放大和滤波。带通放大器仅用于通过基频,并降低其他频率处的热噪声。放大器输出的形状大致呈正弦曲线。
模数转换器(ADC)对放大器输出的最大值和最小值进行采样,以确定峰峰值电平。微处理器使用活动通道和参考通道的峰峰值比来计算实际气体浓度。
两种pyros都对背景温度很敏感,并且需要一个温度传感器,以便微处理器可以补偿pyro输出的环境温度影响。一些气体传感器具有内部温度传感器。如果不存在,电子电路应在靠近传感器主体处提供温度传感器。
微处理器可以根据应用来驱动多个输出。这些可能包括一个LCD显示器,一个4 - 20毫安接口,一些警报或其他需要的输出。
'双气体'传感器(IR15T和IR25T系列)也可用,包含两个活性pyros。这些允许使用单个气体传感器监测两种不同的气体,例如甲烷和二氧化碳。少数传感器也可以在没有参考通道(IR31SC / SE)的情况下使用,并且可以用于需要较低精度的应用中。最后,IR600系列在一个单元中提供气体传感器和带通放大器

灯驱动器
灯频率和稳定性

建议使用4 Hz 50%占空比方波灯驱动波形。频率由晶体控制源产生,如带晶体参考的微处理器,这一点很重要。模拟RC振荡器对于精确操作不够稳定。使用微处理器时,应注意确保由于软件中的时序变化或中断而导致灯驱动波形上没有频率或相位变化。
如果频率增加超过4赫兹,则pyro输出将会降低。虽然较低的频率会产生更高的焦热量,但它也会导致整个系统出现其他一些问题:
•ADC采样率也需要降低,通​​过平均降低噪声。
•输出放大器需要使用较大的电容器,这可能会导致本质安全型仪器发生认证问题。
在测试和表征气体传感器时使用4Hz的灯驱动频率。

灯电压
灯驱动峰峰值电压应介于两者之间
3.1 V和5.0 V. 5.0 V方波将提供最大的红外发射和最佳的系统性能。 灯泡产生的热量也会使光学反射器的温度高于环境温度,这有助于防止潮湿环境中的冷凝。 对于电池供电的便携式仪器,传感器也可以在3.0 V灯驱动下运行得非常成功。 虽然对气体的敏感度会更小,但功耗会更低,灯泡寿命也会增加。
下图显示了传感器输出电压随灯泡电压而变化曲线。



下表显示了各种灯泡电压下的典型功耗。


灯电路隔离
与火焰输出信号相比,灯泡电流相对较大。需要小心的电路设计和布局,以防止突破灯泡开关脉冲,导致输出波形的电压阶跃。应注意确保灯的返回电流不流过敏感的热电放大器接地。灯泡电流也不能使用与ADC或温度传感器相同的返回路径,否则可能会导致不同的电压偏移,具体取决于灯泡在ADC采样点是打开还是关闭。
强烈建议在灯泡驱动和输出信号电路中使用独立的电压调节器。灯泡电压可使用RDS导通电阻较低的MOSFET(例如Si2515BDS)进行切换。另一种方法是使用带有关机控制的稳压器,该稳压器可以在4 Hz的频率下打开和关闭。在使用低压差稳压器时,遵守器件制造商有关输入和输出电容器的建议以保持灯泡电压稳定非常重要。
下图显示了驱动灯泡的一些示例电路。


与MOSFET开关共用电压转换器,不推荐,灯的开关电流将影响传感器的输出.


与MOSFET开关独立使用电压转换器.


使用带关闭控制的独立电压转换器.
(未完待续)





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