一種半導體臭氧傳感器溫度補償電路及其補償方法
2023-12-01 06:04:36 1
專利名稱：一種半導體臭氧傳感器溫度補償電路及其補償方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體臭氧傳感器溫度補償電路及其補償方法。
背景技術：
臭氧是一種強氧化劑，具有很好的殺菌消毒功能，它可以彌散到空間中的任何一個角落殺毒，且不會有殘留物，避免了二次汙染，已廣泛用於空氣淨化、水處理、食品加工、 醫療、醫藥、水產養殖等領域。但是臭氧對人體呼吸道黏膜有刺激，空氣中臭氧濃度過高，可引起脈搏加速、疲倦、頭痛，嚴重時可發生肺氣腫，以致死亡。因此在使用臭氧進行空氣淨化消毒時，要嚴格檢測和控制其濃度。目前，測量空氣中臭氧濃度的方法有化學法、紫外吸收法，均可連續在線檢測。其優點是檢測精度高，穩定性好，其它氧化劑幹擾小；但其缺點為價格較高。半導體傳感器具有靈敏度高、響應速度快、體積小、壽命長、成本低、測量電路簡單等特點，廣泛用於空氣臭氧濃度測量，但由於半導體臭氧濃度傳感器受溫度影響比較大，測量精度低，測量重複性差等缺點，使得該種傳感器一直以來被用作定性測量。半導體臭氧傳感器是一種薄膜型半導體氧化物氣敏元件，由加熱電極和測量電極組成，加熱電極的作用是將附著在敏感元件表面上的塵埃、油霧等燒掉，加速氣體的吸附， 提高器件的靈敏度和響應速度。氧化物半導體表面在200-400°C的高溫下接觸臭氧測量電極電阻值會發生變化，臭氧濃度與測量電極電阻值呈定量關係，通過測量傳感器的電阻值可以得到臭氧濃度的大小。通用的半導體臭氧傳感器測量電路沒有溫度補償作用，當環境溫度變化時，測量結果有很大的不確定性，甚至不能反映臭氧濃度的變化，極大地限制了半導體臭氧傳感器的使用範圍。
發明內容
為了克服現有的半導體臭氧傳感器測量電路受環境溫度的影響，改善測量結果的穩定性和重複性技術存在的不足，本發明提供了一種半導體臭氧傳感器溫度補償電路及其補償方法。本發明的目的在於提供一種半導體臭氧傳感器溫度補償電路；本發明的另一目的是提供一種半導體臭氧傳感器溫度補償方法。本發明所採用的技術方案如下一種半導臭氧體傳感器溫度補償電路，其特徵在於該電路由半導體臭氧傳感器、加熱電極電流源電路、加熱電極溫度測量電路、單片機控制電路組成；所述加熱電極電流源電路的輸入端通過集成運算放大器UlA的引腳3與單片機控制電路的數模轉換器DAC電壓控制接口相連接，輸出端與半導體臭氧傳感器的加熱電極引腳b相連；所述加熱電極溫度測量電路3中的集成運算放大器UlB的引腳5與半導體臭氧傳感器4的加熱電極如的引腳b相連接，所述加熱電極溫度測量電路中包括一個差動放大電路，所述的差動放大電路一端通過集成運算放大器UlC的引腳8與單片機控制電路的模數轉換器ADC電壓檢測接口相連接，另一端經電阻R6與單片機控制電路的參考電壓Vref接口連接。一種半導臭氧體傳感器溫度補償方法，其特徵在於所述加熱電極電流源電路為半導體臭氧傳感器的加熱電極供電，根據加熱電極電阻的溫度特性，利用加熱電極溫度測量電路來測量加熱電極的電阻變化，確定加熱電極的溫度，單片機控制電路根據溫度設定值，調整加熱電極電流源電路的電流大小，從而穩定加熱電極的溫度。本發明與現有技術相比，具有突出的實質性特點和顯著的進步1、本發明可以實現半導體臭氧濃度傳感器加熱電極的溫度檢測，並控制加熱電極電流的大小，達到加熱電極恆溫控制的目的；2、本發明中的半導體臭氧傳感器加熱電極溫度測量電路輸出信號是電壓信號，加熱電極電流控制電路也是採用電壓控制，可以直接和ADC、DAC轉換晶片接口，便於單片機控制；3、本發明可以實現控制半導體臭氧傳感器工作溫度的恆定，不受環境溫度和溼度的影響，大大提高臭氧濃度的測量精度和穩定度；4、本發明設計的半導體臭氧濃度傳感器溫度補償電路，體積小，成本低，工作穩定，一致性好，適合批量生產。
圖1是本發明的框架結構示意圖；圖2是本發明的電路示意圖；圖中所示1.單片機控制電路；2.加熱電極電流源電路；3.加熱電極溫度測量電路；3a.差動放大電路；4.半導體臭氧傳感器；4a.加熱電極；4b.測量電極；4c.外殼； Ql.三極體；RU R2、R3、R4、R5、R6.電阻；UlA, U1B、UlC.集成運算放大器；DAC.數模轉換器；ADC.模數轉換器；Vref.參考電壓。
具體實施例方式下面結合本具體的實施例，對本發明的技術方案作進一步描述，但不僅僅局限於以下的優選實施例。如圖1所示，改變了傳統半導體臭氧傳感器恆壓加熱方法，增加一個加熱電極電流源電路2和加熱電極溫度測量電路3，加熱電極電流源電路2為半導體臭氧傳感器4的加熱電極如供電，根據加熱電極電阻的溫度特性，利用加熱電極溫度測量電路3來測量加熱電極的電阻變化確定加熱電極如的溫度，單片機控制電路1根據溫度設定值，控制加熱電極電流源電路1的電流大小，達到穩定加熱電極如溫度的目的。利用加熱電極電阻值隨溫度變化的規律進行補償，根據電阻的溫度變化規律，加熱電極電阻值將按下列公式隨溫度發生變化Rt = R0(1+at)式中Rt是t°C的電阻值，RO是0°C時的電阻值，a是常數。在半導體臭氧傳感器4的加熱電極如上電時，首先單片機控制電路1利用數模轉換器DAC電壓輸出控制加熱電極電流源電路2輸出一個恆定的電流進行預熱，同時單片機控制電路1輸出一個特定的參考電壓Vref，利用加熱電極溫度測量電路3檢測加熱電極如的電壓，過一段時間後，加熱電極如的電壓趨於穩定，即加熱電極如溫度趨於穩定。根據歐姆定律，利用當前的電流值Vt和電壓值It，可以計算出加熱電極的電阻值Rt，從而計算出加熱電極如的溫度值t。預熱完成後單片機控制電路1可根據設定溫度，控制加熱電極電流源電路2輸出電流大小，使加熱電極如的溫度穩定在設定值附近。如圖2所示，本發明的電路由半導體臭氧傳感器4、加熱電極電流源電路2、加熱電極溫度測量電路3、單片機控制電路1組成。所述半導體臭氧傳感器4由加熱電極如、測量電極4b和外殼如組成，引腳b和引腳e是加熱電極如的兩個引腳，引腳a和引腳d是測量電極4b的兩個引腳，在半導體臭氧傳感器4內部引腳c和引腳a是相連接的，引腳f和引腳d是相連接的。集成運算放大器U1A、三極體Ql和電阻R1、R2組成一個加熱電極電流源電路( ，所述加熱電極電流源電路2的輸入端通過集成運算放大器UlA的引腳3與單片機控制電路1的數模轉換器DAC電壓控制接口相連接，輸出端與半導體臭氧傳感器4的加熱電極引腳b相連，用來為半導體臭氧傳感器4的加熱電極如恆流供電，根據理想運放的虛短的特性，集成運算放大器UlA的2、3管腳電壓相同，Vl =TZ = V3，因此Rl兩端的電壓為(VCC-V3)。又根據虛斷的特性，流入集成運算放大器UlA第2、3管腳的電流為0，流過Rl 的電流為II，三極體Ql的基極電流相對於集電極電流可以忽略不計，流過半導臭氧體傳感器4的加熱電極如的電流12 ^ II，12 ^ (VCC-V3)/R1，R1的阻值是一定的，通過單片機控制電路1的數模轉換器DAC電壓控制接口與加熱電極電流源電路2的集成運算放大器UlA 的引腳3相連接，控制輸出電壓V3的大小，可以調節半導臭氧體傳感器4的加熱電極如電流12的大小，達到調節加熱溫度的目的。半導臭氧體傳感器⑷的加熱電極Ga)兩端的電壓V4 = Rt · 12，其中Rt為加熱電極的阻值，其大小隨著加熱溫度的變化而變化，12的值是已知的，通過測量V4的大小就可以得到加熱電極的阻值Rt，根據其溫度特性曲線可以得到當前的加熱溫度。加熱電極溫度測量電路3中的集成運算放大器UlB的引腳5與半導體臭氧傳感器4的加熱電極如的引腳b相連接，根據集成運算放大器的特點，V5 = V4。集成運算放大器UlC和電阻 R3、R4、R5、R6組成一個差動放大電路3a，所述差動放大電路3a —端通過集成運算放大器 UlC的引腳8與單片機控制電路1的模數轉換器ADC電壓檢測接口相連接，輸出電壓V7 = (V5-Vref) · (R3+R6)/R6，作用是將V5的變化靈敏度放大並調整到單片機控制電路1的模數轉換器ADC輸入電壓範圍內，使加熱溫度測量靈敏度大大提高；所述差動放大電路3a另一端經電阻R6與單片機控制電路1的參考電壓Vref接口連接，所述參考電壓Vref接口是單片機控制電路1的另外一路數模轉換輸出引腳，與R6相連，作為差動放大器3的其中一個輸入，用來調節加熱電極溫度測量電路3的輸出電壓範圍，使其符合單片機控制電路1的模數轉換器ADC輸入電壓要求。單片機控制電路1通過檢測V7的大小判斷加熱電極如的溫度，調整數模轉換器DAC電壓輸出控制加熱電極如的電流大小，實現加熱溫度的閉環控制，半導體臭氧傳感器4的測量不受環境溫度的影響，達到溫度補償的效果。以上所揭露的僅為本發明的實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利範圍，因此依本發明利要求所作的等同變化，仍屬於本發明所涵蓋的範圍。
權利要求
1.一種半導臭氧體傳感器溫度補償電路，其特徵在於該電路由半導體臭氧傳感器 (4)、加熱電極電流源電路( 、加熱電極溫度測量電路C3)、單片機控制電路(1)組成；所述加熱電極電流源電路⑵的輸入端通過集成運算放大器(UlA)的引腳3與單片機控制電路 (1)的數模轉換器(DAC)電壓控制接口相連接，輸出端與半導體臭氧傳感器(4)的加熱電極引腳b相連；所述加熱電極溫度測量電路3中的集成運算放大器UlB的引腳5與半導體臭氧傳感器4的加熱電極如的引腳b相連接，所述加熱電極溫度測量電路C3)中包括一個差動放大電路(3a)，所述的差動放大電路(3a) —端通過集成運算放大器(UlC)的引腳8與單片機控制電路(1)的模數轉換器(ADC)電壓檢測接口相連接，另一端經電阻R6與單片機控制電路⑴的參考電壓(Vref)接口連接。
2.根據權利要求1所述的半導臭氧體傳感器溫度補償方法，其特徵在於所述加熱電極電流源電路⑵為半導體臭氧傳感器⑷的加熱電極Ga)供電，根據加熱電極Ga)電阻的溫度特性，利用加熱電極溫度測量電路(3)來測量加熱電極Ga)的電阻變化，確定加熱電極Ga)的溫度，單片機控制電路⑴根據溫度設定值，調整加熱電極電流源電路(2) 的電流大小，從而穩定加熱電極Ga)的溫度。
全文摘要
本發明公開了一種半導體臭氧傳感器溫度補償電路及其補償方法，其特徵在於所述補償電路由半導體臭氧傳感器(4)、加熱電極電流源電路(2)、加熱電極溫度測量電路(3)、單片機控制電路(1)組成；所述補償方法為加熱電極電流源電路(2)為半導體臭氧傳感器(4)的加熱電極(4a)供電，根據加熱電極(4a)電阻的溫度特性，利用加熱電極溫度測量電路(3)來測量加熱電極(4a)的電阻變化，確定加熱電極(4a)的溫度，單片機控制電路(1)根據溫度設定值，調整加熱電極電流源電路(2)的電流大小，從而穩定加熱電極(4a)的溫度。本發明的有益效果是實現控制半導體臭氧傳感器工作溫度的恆定，不受環境溫度和溼度的影響，大大提高臭氧濃度的測量精度和穩定度。
文檔編號G01N27/14GK102297882SQ20111012844
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月18日 優先權日2011年5月18日
發明者張永輝 申請人:海南大學