红外气体传感器电子电路设计

[导读]热释电探测器用于探测红外信号的变化。本应用说明给出了SGX Sensortech红外气体传感器所用电子电路的设计指南。这些信息用于一般建议，应注意使电路适应应用的特殊要求。通过遵循本应用说明的建议，用户应能够使用SGX Sensortech红外气体传感器实现出色的性能。

简介：

热释电探测器用于探测红外信号的变化。本应用说明给出了SGX Sensortech红外气体传感器所用电子电路的设计指南。这些信息用于一般建议，应注意使电路适应应用的特殊要求。通过遵循本应用说明的建议，用户应能够使用SGX Sensortech红外气体传感器实现出色的性能。

气体检测系统的典型框图如图1所示

图 1 气体检测系统的典型框图红外气体传感器包含一个由灯驱动电路在低频下脉冲的灯。红外辐射的脉冲在内部反射，从而提供一条穿过目标气体的长路径。热释电探测器用于探测红外信号的变化。测量波段波长很敏感，通常被目标探测气体吸收。参考波段不敏感，该波长不会被目标检测气体吸收。小的热释电输出信号在形状上近似锯齿状，必须进行放大和滤波。带通放大器用于只通过基频，并减少其他频率的任何热噪声。放大器的输出大致呈正弦曲线。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。微处理器使用测量和参考通道的峰峰值比来计算实际气体浓度。两个通道对背景温度都很敏感，因此需要一个温度传感器，以便微处理器能够补偿高温输出对环境温度的影响。有些气体传感器有一个内部温度传感器。如果没有，电子电路应在传感器本体附近提供一个温度传感器。微处理器可以根据应用程序驱动多个输出。这些可能包括一个液晶显示器，一个4-20毫安的接口，一些报警或其他需要的输出。 灯驱动 灯的频率和稳定性建议采用4 Hz50%占空比的方波灯驱动波形。重要的是频率是由晶体控制的源产生的，例如带有晶体基准的微处理器。模拟RC振荡器不够稳定，无法精确操作。使用微处理器时，应注意确保灯驱动波形上没有因定时变化或软件中断而出现的频率或相位变化。如果频率增加超过4Hz，则pyro输出将降低。虽然较低的频率会产生更高的pyro输出，但它也会给整个系统带来许多其他问题： •还需要降低ADC采样率，从而通过平均降低噪声。 •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仪表的认证问题。 SGXSensortech在测试和表征气体传感器时使用4Hz的灯驱动频率。 灯电压 灯驱动的峰间电压应在3.0 V和5.0 V之间。5.0 V方波将提供最大的红外发射和最佳的系统性能。来自灯泡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3.0V灯驱动下非常成功地工作。虽然对气体的敏感度会变小，但耗电量会减少，灯泡寿命也会延长。图2显示了热释电输出如何随灯泡电压变化。表1显示了不同灯泡电压下的典型功耗。

图 2 热释电输出如何随灯泡电压变化表 1 不同灯泡电压下的典型功耗

表1——典型灯泡特性 从表1可以看出，灯泡在冷态（关闭）时电阻非常低。这可能会在开启瞬间造成电流激增，这在某些应用中可能是不受欢迎的。这主要是在设备冷启动时出现的问题-一旦灯泡以4 Hz的频率驱动，即使在“关闭”时也会保持一定的热量，以减少这种影响。如果此问题导致问题，有几种方法可用于解决： •当“关闭”时，使灯泡偏压在0.4 V左右，使其保持温暖（参见图3电路中的可选电阻器） •增加一个小串联电阻 •使用具有电流限制的调节器 •在仪器打开时，从微处理器控制占空比，在前几秒从0%增加到50%。 灯电路隔离 灯泡电流相对于热释电信号是较大的。为了防止灯泡开关的大电流冲击引起输出波形上的电压阶跃，仔细的电路设计和布局是必需的，应小心确保灯回路电流不会流过灵敏的热释电放大器的地。灯泡电流也不得使用与ADC或温度传感器相同的返回路径，否则因为灯泡在ADC采样点的打开或关闭，可能会导致不同的电压偏移。强烈建议灯泡驱动和输出信号电路使用单独的电压调节器。灯泡电压可以使用具有低RDS导通电阻的MOSFET（例如Si2515BDS）进行切换。另一种方法是使用带关闭控制的电压调节器，它可以在4赫兹时打开和关闭。当使用低压差稳压器时，必须遵循设备制造商关于输入和输出电容器的建议，以保持灯泡电压的稳定性。图 3 显示了一些驱动灯泡的电路示例。

图 3-a

图3-b

图3-c 热释电供电和输出负载 气体传感器内部的热释电探测器将红外辐射的变化转化为电流。热释电源电压范围为3 V至15 V。但是，在包含温度传感器IC的气体传感器中，电源电压应限制在10 V。热释电材料具有非常低的输出，并且在源极跟随器布置中使用场效应晶体管（FET）进行内部缓冲。有必要提供10至100µA的外部电流负载；最低噪声的最佳值约为20µA。探测器输出通常具有0.4 V和1.5V之间的直流偏压，因此对于大多数单电源应用，可以将47k电阻器从传感器输出连接到接地（图4）。图 4 输出负载 带通放大器 热释电器件的输出非常小，通常小于50毫伏，必须放大。放大器应尽可能靠近气体传感器安装，以减少噪声和其他电磁干扰的拾取。放大器应通过所需的4赫兹信号，并拒绝其他频率。如果带宽太窄，滤波器可能对元件公差和温度变化非常敏感。但是，如果带宽太宽，电路会从热释电中传递太多不需要的噪声。这将导致低信噪比和仪器读数波动。图5显示了一个典型的电路，用于使用单个3V电源放大和过滤pyro输出。R1是热负载电阻器。有两个高通滤波器由C1与R2//R3(0.4Hz)和C2与R4(2.3Hz)组成。单个低通角由C3和R5(5.4Hz)形成。电路增益可以通过改变R5的值来改变。然而，C3xR5的乘积必须保持恒定，以保持相同的频率响应。应选择电路增益，以使传感器输出最大化，而不会导致削波。考虑数据表中给出的输出的制造变化。

图 5 典型电路放大电路的频率响应如图6所示。为了保持两个通道的响应相同，电阻公差应为1%或更好，电容器应为10%或更好。在选择电容器时应小心，因为许多高值设备的公差非常差。运算放大器应选择在10赫兹以下具有良好噪声性能的放大器。如果增益很高，则需要一个低的偏移量，以确保输出在供电轨的中间偏压。

图 6 响应曲线 模数转换器位数 模数转换器（ADC）用于采集放大的焦信号和温度传感器。所需的分辨率位数取决于应用程序。但是，必须考虑几个因素： •所选气体的吸收 •微处理器中的平均值 •应用所需的分辨率在某些应用中，12位ADC就足够了。然而，一些高精度应用需要14或16位ADC分辨率。 ADC参考 应提供干净的ADC基准和接地。应选择在10Hz以下具有低噪声的基准。注意将ADC电源与灯泡驱动器隔离，以防止灯泡开关瞬态耦合。 ADC时序图 7 显示了一些典型的定时波形。在灯泡开关点和信号响应的最大值或最小值之间存在延迟。这种延迟通常在25毫秒左右，但取决于所使用的气体传感器的型号。延迟还与热释电器件的输出电平有关，可以看出，如果灯泡驱动器从5V降低到3V，则延迟时间将增加。

图 8 ADC时序
当使用有源和参考信号电平之间存在较大差异的气体传感器时，将观察到测量和参考峰值的延迟时间存在微小差异。在这种情况下，ADC应该以平均延迟时间采样，或者为每个通道使用不同的延迟时间。
降噪一个好的电路设计将使您从SGX Sensortech红外气体传感器获得最佳性能。小心避免常见的设计问题，这些问题可能会导致噪音增加或其他性能影响。可能出现的问题有： •电源调节器噪声* •ADC参考噪声* •运算放大器噪声* •4 Hz灯驱动或ADC采样点不稳定（可能由软件中断引起） •通道匹配不良超温（部件公差差） •由于传感器输出端接地不良或轨道较长而产生的电磁感应 •接地不良引起的灯开关瞬态干扰 •在选择设备时，请仔细考虑1到10Hz之间的噪声性能。 •噪声也可以通过平均ADC读数来降低。n个样本的平均值将使信号的标准偏差提高√n。但是，它也会增加对气体浓度变化的响应时间。