【经验】红外气体传感器的电子电路设计指导

本文为SGX（安费诺旗下子公司）的红外气体传感器电子电路的设计提供指导。这些信息是为一般建议提供的，应注意使电路适应应用的特殊要求。

图1显示了使用红外气体传感器的典型气体检测系统的外形框图。

图1-使用红外气体传感器的典型气体检测系统框图

红外气体传感器包含一个由灯驱动电路以低频脉冲驱动的灯。红外辐射的脉冲在内部反射，提供了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。活性焦对红外波长的变化非常敏感，红外波长通常被被探测到的气体吸收。参考焦平面对附近红外波长的变化很敏感，该波长不被被被检测气体吸收。     

小的火工品输出信号近似锯齿形，必须放大和滤波。带通放大器仅用于传递基频，并减少其他频率下的任何高温噪声。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，以确定峰间电平。微处理器使用有源通道和参考通道的峰值与峰值的比率来计算实际气体浓度。   

这两种火工品对背景温度也很敏感，需要一个温度传感器，以便微处理器能够补偿环境温度的影响。一些气体传感器有一个内部温度传感器。如果不存在这种情况，电子电路应在传感器主体附近提供一个温度传感器。           

微处理器可根据应用驱动多个输出。这些可以包括一个液晶显示器，一个4-20毫安的接口，一些警报或其他输出的需要。 “双气体”传感器（IR15T和IR25T系列）也可包含两个活性焦。这使得甲烷和二氧化碳等两种不同的气体可以通过一个气体传感器进行监测。少量传感器也可在没有参考信道（IR31SC/SE）的情况下使用，并可用于需要较低精度的应用。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

灯频率和稳定性：

建议使用4赫兹50%占空比方波灯驱动波形。重要的是，频率是由晶体控制源产生的，例如带有晶体基准的微处理器。模拟RC振荡器不够稳定，无法精确工作。使用微处理器时，应注意确保由于软件中的定时变化或中断，灯驱动波形上没有频率或相位变化。 如果频率增加到高于4赫兹，Pyro输出将减少。虽然较低的频率会产生较高的Pyro输出，但也会给整个系统带来一些其他问题：

•还需要降低ADC采样率，从而通过平均降低噪声。              

•输出放大器中需要使用较大的电容器，这可能导致本质安全仪表的认证问题。

SGX Sensortech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3.0V到5.0V之间。5.0V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降低，但功耗会降低，灯泡寿命也会延长。图2显示了Pyro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-Pyro输出电压与灯电压

表1——典型灯泡特性（在100%占空比下测量）

从表1可以看出，灯泡在冷却（关闭）时电阻非常低。这可能会在接通时引起电流浪涌，这在某些应用中可能是不可取的。当设备从冷态打开时，这主要是一个问题——一旦灯泡以4赫兹的频率驱动，即使在“关闭”时，它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，可以使用以下几种方法来解决：

•当“关闭”时，将灯泡偏置约0.4V，使其保持温暖（参见图3电路中的可选电阻）              

•增加一个小串联电阻器              

•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，在最初几秒钟内从0%增加到50%

灯电路隔离：

与Pyro输出信号相比，灯泡电流相对较大。需要仔细的电路设计和布局，以防止灯泡开关脉冲的突破导致输出波形上的电压阶跃。应注意确保灯返回电流不会流过敏感的热释电放大器接地。灯泡电流也不能使用与ADC或温度传感器相同的返回路径，否则它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。

强烈建议灯泡驱动和输出信号电路使用单独的电压调节器。可以使用具有低rds导通电阻（例如si2515bds）的mosfet来切换灯泡电压。另一种方法是使用带关机控制的电压调节器，该电压调节器可以在4hz下打开和关闭。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示例电路。

图3A-带mosfet开关的公共电压调节器

图3b-带有mosfet开关的独立电压调节器

 图3c-使用关闭控制的独立电压调节器   

Pyro电源和输出负载：     

气体传感器内部的热释电探测器将红外辐射的变化转换为电流。Pyro电源电压可在3 V到15 V之间。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，并且在源极跟随器配置中使用场效应晶体管（fet）进行内部缓冲。必须提供10到100微安之间的外部电流负载；最低噪声的最佳值约为20微安。探测器输出通常具有0.4V到1.5V之间的直流偏置，因此，对于大多数单电源应用，47K电阻可以从传感器输出连接到接地（图4a）。      

如果气体传感器在环境温度中经历非常突然的变化，则检测器输出的直流偏压可能会尝试变为负值。如果一个良好的去耦和清洁的负电源轨可用，那么一个更大的负载电阻可以连接到负电源轨，例如330K到-5V（图4b）。    

另一种方法是使用图4c所示的来自负电源的20μa电流源。这可以使用n通道jfet（例如2n4339）和电阻器来实现。

图4A-Pyro输出（简单荷载）

图4B-Pyro输出（负电源）

图4C-Pyro输出（电流源）

带通放大器：

热释电装置的输出非常小，通常小于50毫伏，必须放大。放大器应安装在尽可能靠近气体传感器的位置，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。然而，如果带宽太宽，电路将通过太多不需要的噪音从烟火。这将导致不良的信噪比和仪器读数的波动。        

图6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是高温负载电阻器。c1与r2//r3和c2与r4形成两个高通角。一个低通角由c3和r5构成。通过改变r5的值可以改变电路增益。然而，c3 x r5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，而不会导致限幅。考虑数据表中给出的输出的制造变化。 

放大电路的频率响应如图5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低。  

选择运算放大器时，应确保在10赫兹以下具有良好的噪声性能。如果增益很高，则需要低偏移量以确保输出偏压在供电轨的中间。

图5-带通放大器电路的频率响应

   图6-典型带通放大器电路

温度传感器：

系列1单个气体传感器不包含温度传感器，因此有必要将适当的传感器安装在尽可能靠近气体传感器主体的位置。系列2和双气体传感器包含用于温度监测的集成设备，如表2所示。温度传感器应如何连接的示例电路如图7所示。强烈建议将高温和温度传感器电源和接地与灯泡电源和接地分开。              

表3显示了输出随温度变化的示例值。该方程可用于根据ADC处的电压计算温度。或者，可以使用这些方程来生成查找表。使用嵌入式微处理器时，使用查找表通常是最简单的方法。

表2-集成温度监测器的类型

表3——温度监测装置的典型响应（*假设5V电源带有10 K上拉电阻器）

图7——温度监测器电路示例

模数转换器：

位数

采用模数转换器（adc）对放大后的高温信号和温度传感器进行采样。所需的分辨率位数取决于应用程序。但是，必须考虑以下几个因素：

•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位的ADC分辨率。

ADC参考

应提供干净的ADC参考和接地。对于低于10赫兹的低噪声，应选择参考值。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。

模数转换器定时

图8显示了一些典型的定时波形。灯泡开关点与信号响应的最大值或最小值之间存在延迟。此延迟通常约为25毫秒，但取决于所用气体传感器的型号。延迟还与Pyro器件的输出电平有关，可以看出，如果灯泡驱动从5 V降低到3 V，延迟时间将增加。当使用在有源和参考信号电平之间存在较大差异的气体传感器（如IR12/22GJ和类似型号）时，将观察到有源和参考峰值的延迟时间的微小差异。在这种情况下，adc应在平均延迟时间采样，或对每个信道使用不同的延迟时间。

图8-ADC定时

微处理器：

微处理器的选择将取决于应用的要求。一些微处理器集成了ADC，这将减少仪器的尺寸和成本。微处理器需要存储一组系数，以便使用红外线应用注释2和3中描述的方法计算气体浓度。         

还需要一种校准装置的方法。最简单的方法是使用两个按钮开关（“零”和“量程”），由微处理器软件定期监控。       在暴露于含有零浓度目标气体的气体时，按下“零”按钮。通常，干氮源用于此。然后，软件将计算“零”读数并将该值存储在非易失性存储器中，以便在以后的计算中使用。    

在暴露于目标校准气体时，按下“量程”按钮。然后，软件将计算“量程”读数，并将该值存储在非易失性存储器中，以便在以后的计算中使用。              

通常建议在进行校准之前，打开气体传感器仪器并使其温度稳定至少30分钟。

降噪：

一个好的电路设计将使您从SGX传感器技术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*              

•不稳定的4Hz灯驱动或ADC采样点（可能由软件中断引起）              

•温度过高时通道匹配不良（部件公差不良）              

•由于接地不良或传感器输出轨迹长而产生的电磁拾波              

•接地不良引起的灯开关瞬态突破

*在选择设备时，请仔细考虑1到10Hz之间的噪声性能。     

通过平均adc读数也可以降低噪声。n个样本的平均值将使信号的标准偏差提高√n。然而，它也会导致对气体浓度变化的响应时间增加。