基于PID原理的氣體傳感器研究基于PID原理的氣體傳感器研究 摘 要 本文介紹的PID（Photo Ionization Detector）氣體檢測器具有攜帶方便，高精度，響應(yīng)快，實時性，低功耗等優(yōu)點，有廣泛的應(yīng)用前景。在分析光離子化原理的基礎(chǔ)上設(shè)計了PID敏感單元以及氣體檢測器的整體。突破傳統(tǒng)的光離子化檢測器的制造方法，使得電離室的設(shè)計與加工大大簡便，從而使檢測器的體積和質(zhì)量大大減小，同時解決了光離子化傳感器價格昂貴、成本高的缺點。并針對傳感器的輸出對前置放大電路做出了改進(jìn)。 關(guān)鍵詞：光離子化原理，氣體檢測器，紫外光，電離室 1 緒論 1．1 研究的目的及意義泄漏是航天發(fā)射行業(yè)發(fā)生事故的主要原因之一。它可以引發(fā)火災(zāi)、爆炸、人員中毒和環(huán)境污染。世界各國曾發(fā)生過多起由于推進(jìn)劑泄漏引起的事故[1]。其事故原因多為發(fā)射前或發(fā)射時燃料密封失效引起了爆炸或火災(zāi)。而現(xiàn)在對于潛在泄漏事故的防范、自動監(jiān)控報警及處理控制技術(shù)的研究較少且存在許多缺點如：化學(xué)分析法易受各種因素干擾、穩(wěn)定性差、壽命短、大濃度沖擊往往引起傳感器失效；儀器分析法專用試劑和專用儀器存在著操作繁瑣、耗時長、價格昂貴等問題，僅適宜實驗室使用，不適合作業(yè)現(xiàn)場的實時連續(xù)檢測；檢測管法存在著準(zhǔn)確度低（誤差在20%左右），只能作為定性、半定量分析。 為了有效地進(jìn)行燃?xì)馍a(chǎn)中的質(zhì)量監(jiān)控和氣體成分分析、環(huán)境保護(hù)中的空氣污染檢測和對民用燃?xì)庑孤┑臋z測及報警,國內(nèi)外科研人員很早就致力于研究可燃?xì)怏w的檢測方法和控制方法,研制各式各樣的氣體檢測和分析儀器,用于環(huán)境監(jiān)測、生產(chǎn)過程中的監(jiān)控及氣體成分分析、氣體泄漏報警等。 光離子氣體傳感器（Photo Ionization Detector，簡稱PID）是一種具有極高靈敏度，用途廣泛的檢測器，可以檢測從極低濃度的10ppb到較高濃度的10000ppm(1%)的揮發(fā)性有機(jī)化合物（Volatile Organic Compounds，簡稱VOC）和其它有毒氣體。與傳統(tǒng)檢測方法相比，它具有便攜式、體積小、精度高（ppm級）高分辨、響應(yīng)快、可以連續(xù)測試、實時性、安全性高等重要優(yōu)點，可以為工作人員提供實時的信息反饋，這種反饋可以使檢測人員確認(rèn)他們處于沒有暴露于危險化學(xué)品之中的安全狀態(tài)，確保工作人員的安全，對于潛在的泄漏事故的防范自動監(jiān)控報警，事故區(qū)域確認(rèn)方面也有廣闊的應(yīng)用前景[2]。 另一方面在任何情況下，氣體或蒸汽都是從其源頭擴(kuò)散出來的，而在擴(kuò)散之后，則會被周圍空氣稀釋直到檢測不到該物質(zhì)的存在。這樣一來，就可以建立一個濃度梯度，即當(dāng)氣體完全擴(kuò)散后，其濃度由最高的源頭一直稀釋為零。只要用光離子化檢測器檢測到這種濃度的梯度，并且跟隨濃度增加的方向就會發(fā)現(xiàn)泄露的源頭，由于PID是直讀式儀器，即PID能直接讀出被側(cè)氣體在空氣中的濃度以ppm單位來表示，因此，使用PID很快就能知道污染的范圍有多大，對很多ppm級的有毒化合物具有很高的靈敏度和準(zhǔn)確度。 1.2現(xiàn)狀分析及發(fā)展趨勢 1.2.1 光離子化技術(shù)簡介及發(fā)展歷史 光離子化技術(shù)就是利用光電離檢測器來電離和檢測特定的易揮發(fā)有機(jī)化合物。光電離檢測器可探測那些氣體電離勢能在紫外光源輻射能量水平之下的氣體，其高能紫外輻射可使空氣中大多數(shù)有機(jī)物和部分無機(jī)物電離，但仍保持空氣中的基本成分如N2、O2、CO2、H20不被電離（這些物質(zhì)的電離電位大于11eV）[2]。 光離子化一個最顯著的特點就是氣體被檢測后，離子重新復(fù)合成原來的氣體和蒸氣，也就是說它是不具破壞性的檢測器?？梢酝ㄋ椎刂v，PID就是一臺沒有色譜柱的便攜式色譜[3]。由于可以檢測極低濃度的揮發(fā)性有機(jī)化合物和其它有毒氣體。因而對VOC檢測具有極高靈敏度的PID就在應(yīng)急事故的各類處理中有著無法比擬的優(yōu)越性。隨著科技的發(fā)展，它已經(jīng)成為環(huán)境保護(hù)和實時檢測污染等方面的強(qiáng)有力工具。 光離子化作為一種檢測手段已有三十多年的發(fā)展歷史[4]。早在1957年Robinson首先報導(dǎo)了這種儀器的研制。1961年Lovelock評論了色譜分析各種離子化技術(shù)，其中包括光離子化和火焰離子化檢測器（FID）。1984年Devenport和Adlard對光離子化檢測器作了評述。1974年前后．PID研制取得了突破性進(jìn)展，人們找到了一種窗口材料，能夠把紫外燈與光離子化池分開，成為兩個互不干擾的獨立空間。這就允許紫外燈在近真空的狀態(tài)下放電，而保持電離室在一個大氣壓下工作，兩者都工作在各自的最佳狀態(tài)，而燈的紫外輻射幾乎無損失地進(jìn)入電離室。這樣設(shè)計的PID在檢測能力上提高了幾個數(shù)量級．進(jìn)入了實用階段。 1976年，美國的HNU公司推出了首批PID商品儀器，一經(jīng)出現(xiàn)，就引起了美國、加拿大、前蘇聯(lián)、日本等國色譜分析工作者的重視。稍晚一些時候，原加拿大的Photovac公司推出了超靈敏有毒氣體分析儀，美國的Tracor公司和Thermo Environmental Instruments公司推出了PID，日本的紀(jì)本公司推出了光離子化有機(jī)溶劑測試儀。同時，Perkin-Elmer公司和美國橡樹嶺國家實驗室等著名公司和實驗室也先后開展自己特色的光離子化儀器的研究工作。1983年光離子化學(xué)被美國國家環(huán)保局（EPA）、美國職業(yè)安全與健康局（OSHA）和美國職業(yè)安全與健康研究所（NIOSHA）定為環(huán)境大氣中有毒物質(zhì)分析檢測方法[5]。 1.2.2 國內(nèi)外氣體傳感器研究現(xiàn)狀隨著技術(shù)的快速進(jìn)步，美國的華瑞（RAE）、英思科（Indsci）、熱電（Thermo）、梅思安（MSA）、OI、SRI、Photovac、HNU、PE等公司、英國的離子科學(xué)（Ion Science）公司均推出自己特色的PID系列產(chǎn)品。1993年RAE推出世界上第一臺個人用便攜式光離子化檢測儀MicroRAE，2004年RAE推出世界上第一臺結(jié)合TVOC、可燃性氣體、氧氣、硫化氫和一氧化碳傳感器于一體的佩戴式密閉空間進(jìn)入氣體檢測儀EntryRAE。此外，Ion Science公司還生產(chǎn)出最低濃度可達(dá)1ppb的高精度PID，其生產(chǎn)的FIRSTCHECK 6000EX是世界上第一臺具有PPB級PID檢測器的多組分氣體檢測儀，可以檢測LEL、O2、CO、H2S等。2001年1月俄羅斯莫斯科探測分析儀器制造局的專家也研制出光電氣體分析儀，能快速準(zhǔn)確地測定氣體成分及濃度。近年來，加拿大的約克（BW）公司和日本的一些株式會社也積極進(jìn)軍PID技術(shù)。 中國科學(xué)家在PID方面的進(jìn)展也很迅速，中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心于1987年6月就開展了光離子化氣體分析儀的研制工作，經(jīng)過兩年的努力，研制出了我國第一臺光離子化氣體分析儀——110型光離子化氣體分析儀[6]和PID-200型光離子化有害氣體檢測儀[4]。復(fù)旦大學(xué)電光源研究所和復(fù)旦大學(xué)科學(xué)儀器廠也于1988年8月研制出便攜式光電離有害氣體檢測儀[7]。北京東西分析儀器有限公司研制開發(fā)成功GC－4400型便攜式光離子化氣相色譜儀,成為國內(nèi)第一家產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)便攜式光離子化氣相色譜儀的生產(chǎn)廠商。 國內(nèi)外研究產(chǎn)品舉例及分析如下：
圖1.1 Rea的主要產(chǎn)品ToxiRea Plus 圖1.2 PID-200智能表 表1.1 產(chǎn)品主要性能指標(biāo)比較
綜上所述，雖然目前國內(nèi)PID氣體傳感器有了較大發(fā)展，但是針對潛在的泄漏事故的防范及處理控制技術(shù)則研究較少，存在體積大，功耗大，成本高等缺點，缺小一種微型化的、低功耗的氣體傳感檢測設(shè)備來滿足需要，而本課題研制的PID紫外傳感器較好的克服了上述缺點，適用于自動監(jiān)控報警，具有深刻的意義和廣闊的應(yīng)用前景。 1.2.3、氣體傳感器的發(fā)展趨勢光離子氣體化氣體傳感器具有體積小，高分辨，實時性等重要優(yōu)點，對已知氣體可以實現(xiàn)快速實時檢測，在事故泄漏檢測，工作人員防護(hù)方面有著廣泛的應(yīng)用前景。但是光離子化氣體傳感器對未知氣體的分辨具有先天的不足，與離子遷移譜（IMS，Ion Mobility Spectrometry）技術(shù)聯(lián)用可以彌補(bǔ)此項不足。離子遷移譜技術(shù)是在電場力的驅(qū)動下，離子通過周期性開啟的離子門進(jìn)入漂移區(qū)，在與逆流的中性漂移氣體分子不斷碰撞的過程中，由于這些離子在電場中各自遷移速率不同，使得不同的離子得到分離，先后到達(dá)檢測電極，依據(jù)到達(dá)時間上的先后關(guān)系被分離檢測。在IMS基礎(chǔ)上研制的高場非對稱波形離子遷移譜技術(shù)（FAIMS）已經(jīng)進(jìn)入了技術(shù)實用化和商業(yè)化階段。 美國Sionex公司成立于2000年，主要致力于微型化FAIMS檢測器件的研究與開發(fā)，在將FAIMS技術(shù)實用化和商業(yè)化方面，走在了前面。該公司采用新墨西哥州立大學(xué)Eiceman研究小組和Charles Stark Draper實驗室的技術(shù)，開發(fā)出了微型化的FAIMS探測器，其產(chǎn)品核心是MicroDMxTM 傳感器芯片平臺，如圖所示。
圖1.3、Sionex公司的MicroDMx芯片 光離子技術(shù)可以為FAIMS系統(tǒng)提供離子源，且FAIMS系統(tǒng)可以分辨樣品彌補(bǔ)光離子技術(shù)的不足。利用MEMS技術(shù)實現(xiàn)光離子化（PID）和離子遷移譜技術(shù)（FAIMS）的集成，不但可以分辨氣體種類，更可以精密測試氣體濃度，在有機(jī)氣體檢測方面有著光明的應(yīng)用前景。 光離子技術(shù)可以用與便攜式微量氣體分析儀上，并且廣泛的用做氣相色譜儀（GC）檢測器，還可用做高效液相色譜儀（HPLC）檢測器和超臨界液相色譜儀（SFC）檢測器。 2 光離子化原理及系統(tǒng)的整體設(shè)計 2.1 光離子化原理 光離子化檢測器使用具有特定電離能（如10.6eV）的真空紫外燈（UV）產(chǎn)生紫外光，當(dāng)有機(jī)氣體分子通過在電離室內(nèi)對氣體分子進(jìn)行轟擊，把氣體中含有的有機(jī)物分子電離擊碎成帶正電的離子和帶負(fù)電的電子，在極化極板的電場作用下，離子和電子向極板撞擊，從而形成可被檢測到微弱的離子電流。 通常認(rèn)為PID 的響應(yīng)機(jī)理是電離電位等于或小于光能量的化合物在氣相中發(fā)出光電離。紫外燈光發(fā)出一定波長的光子流，經(jīng)窗口射入電離室，載氣分子（C）的電離電位高于光能量，它不被電離。當(dāng)電離電位等于或小于光能量的組分（AB）進(jìn)入電離室，即發(fā)生直接或間接光電離。歸納起來有如下幾種： （1）直接電離 被測組分AB 吸收光子（
（2）間接電離 一種是組分分子吸收光子至激發(fā)態(tài)（AB*），然后發(fā)生電離。
如上所述，在電場作用下，電子e和正離子AB+分別向正、負(fù)極流動，形成微電流，產(chǎn)生信號。 光離子化電流計算的數(shù)學(xué)模型如下： 1、Freedman 提出檢測器中實際測得的離子流（i）可以寫成：
式中： 當(dāng)PID結(jié)構(gòu)固定后， 2、光離子化電流即單位時間內(nèi)產(chǎn)生的離子對數(shù)目可以表示為：
式中：Ni光離子對數(shù)；σi光離子化吸收系數(shù)；σ0-其他因素引起的吸收系數(shù)；單位時間進(jìn)入離子化池中的光子數(shù)目l光程長；N(t)單位體積內(nèi)被測物質(zhì)的分子數(shù)，即樣品濃度。 在σtN（t）《1的情況下，式（4）可簡化為：
式（5）表明，只有在樣品池光程l足夠短，樣品濃度足夠低的情況下，被測物質(zhì)濃度才與光離子化電流成線性關(guān)系。同時光離子化電流與真空紫外光強(qiáng)度φ，即單位時間內(nèi)進(jìn)入樣品池中光子的數(shù)目，成線性關(guān)系。 理論上，所有的化學(xué)物質(zhì)都能被離子化，但是它們被電離所需要的能量是不同的。能夠轉(zhuǎn)移一個電子和電離一個化合物的能量叫電離能，用電子伏特 PID可測量的物質(zhì)范圍：（1）PID可以檢測大多數(shù)有機(jī)化合物:混合物、碳類化合物。具體包括:有一個苯環(huán)的芳香族化合物包括苯，甲苯，乙苯，二甲苯、酮和帶一個羥基的醛類化合物包括丙酮，甲基酮和乙醛、胺和碳氨及氮氨類化合物如二乙基胺、鹵代烴類化合物如三氯乙烯，全氯乙烯、硫化物如硫醇類，磺化物、不飽和鏈烴如丁二烯，異丁烯、醇類如異丙醇，乙醇、飽和鏈烴如丁烷，辛烷（2）除了有機(jī)化合物，PID還能檢測某些無機(jī)物，包括:氨氣、半導(dǎo)體氣體:胂，磷化氫、硫化氫、氧化氮、澳、碘（3）PID無法檢測的物質(zhì):輻射、空氣(氮氣，氧氣，二氧化碳，水蒸汽)、有毒氣體(一氧化碳，氰化氫，二氧化硫)、天然氣(甲烷，乙烷)、酸類氣體(鹽酸，氫氟酸，硝酸)其它氟化物，臭氧、難揮發(fā)物:多氯聯(lián)苯，過氧化氫(PCBs)，油脂。 2.2系統(tǒng)組成及工作原理傳感器的系統(tǒng)構(gòu)成如圖2.1所示，其主要部件包括敏感頭單元（紫外燈，電離室，電極等），紫外燈驅(qū)動電路，信號檢測電路，微控制器，顯示電路，人機(jī)接口電路，聲光報警電路等。
圖2.1、系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)示意圖 待測氣體進(jìn)入電離室，被紫外燈電離形成了離子，離子在極板電壓的作用下，定向移動形成微弱電流。由前面的理論推導(dǎo)，在外界條件（電離室結(jié)構(gòu)，紫外燈強(qiáng)度）固定的條件下，電流的大小與氣體的濃度為線性關(guān)系。本系統(tǒng)采用微弱信號檢測電路，實現(xiàn)濃度→微弱電流→電壓的線性轉(zhuǎn)換，電壓經(jīng)過差分放大后輸入給單片機(jī)。由單片機(jī)控制信號的存儲和顯示，并將電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的濃度值輸出。 3 光離子氣體傳感器的具體實施方案 3.1敏感頭的設(shè)計 3.1.1基于光離子化原理的電離室的設(shè)計 光離子化氣體傳感器的發(fā)展過程也是其電離室的發(fā)展過程。電離室的設(shè)計不僅影響傳感器體積的大小，同時關(guān)系到檢測系統(tǒng)的效率，響應(yīng)時間等一系列關(guān)鍵參數(shù)。一個合理的易于加工的電離室對傳感器的性能有重要意義。目前的電離室結(jié)構(gòu)基本分為兩種：軸向流動動式和二維流動式。本系統(tǒng)選擇二維流通式作為電離室的基本結(jié)構(gòu)。 二維流通式如圖3.1所示，樣品氣體垂直地通過一個薄片通道。光線沿Y軸射出，而被監(jiān)氣體從X軸方向通過。紫外線與氣體流動方向成90度角。這種傳感器有一個小的檢測空間，對能量的要求較少。
圖3.1 二維流通式示意圖 二維流通式具有如下優(yōu)點：1）快速的恢復(fù):由于樣品氣體的流動路線垂自于燈的照射方向，燈室的頂部被0型環(huán)密封著，樣品氣體沿著燈表面流過。這樣就防止了樣品氣體在燈表面的積累，PID快速恢復(fù)?？焖俚幕謴?fù)意味著PID能快速的回零。這樣快速的恢復(fù)就可以在多個樣品之間達(dá)到快速的多次測樣效果。同時也可以使泄漏蒸汽在小范圍內(nèi)被快速的探測到；2）降低濕度的影響:層流的泄漏氣體在紫外線照射下通過燈頂部的傳感器接收到最大化的信號，可以有效降低濕度的影響；3）方便維護(hù):層流PID傳感器使被測樣品垂直于燈光的出射方向流動自接通過燈的鏡頭就可進(jìn)行檢測，不像其它PID樣品直接與鏡頭接觸。由于污染物幾乎完全從燈的表面通過了，這樣就減少了鏡頭上污垢和溶解蒸汽的積累。并且考慮到易加工性和絕緣性（防止同電極短路），選擇硬塑料作為加工電離室的基本材料。電離室的設(shè)計采用片狀結(jié)構(gòu)，這樣設(shè)計優(yōu)點是加工方便，易于組裝，缺點是中間材料必須平整，否則會影響電離室的氣密性。加工出的電離室分拆和組裝照片如圖3.2所示。
圖3.2、電離室結(jié)構(gòu)示意圖 由于整機(jī)體積和紫外燈的照射距離有限（<1cm），故電離室的體積要盡可能的小。為方便加工將電離室設(shè)計為多個片狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行疊加，既保證氣體可以充分混合，同時也為電極的制作、安放提供了便利。同時電離室的下方放置了抽氣風(fēng)扇，保證氣體在電離室狹小的空間內(nèi)快速流動，保證了傳感器的靈敏性。 電離室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.3所示，兩個電極由層狀結(jié)構(gòu)隔開，既保證了兩電極間的距離，同時又減小了電極2受到的紫外輻射，從而降低了信號的噪聲。紫外燈點亮后，一方面在電極2產(chǎn)生微弱的電離電流，另一方面在外罩產(chǎn)生光電流，光電流由檢測電路監(jiān)測，輸入控制器與原始值進(jìn)行比較，可以實時監(jiān)控紫外燈的強(qiáng)弱，保證信號的線性度。
圖3.3、電離室內(nèi)部結(jié)構(gòu) 電極材料應(yīng)滿足如下要求： 1、由于離子化池在紫外光輻射下工作，載氣為純凈的空氣，氣片采用聚四氟乙烯，在紫外燈照射下會形成臭氧層，因此電極具有良好的抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性。 2、電極材料在紫外輻射下，應(yīng)具有高逸出功和低的光電效率。因此選用鉑、金、不銹鋼、鈹?shù)取?/p> 3、在機(jī)械結(jié)構(gòu)上保證電極避開紫外光源的直接輻射。本系統(tǒng)選用不銹鋼鋼皮作為電極材料。 3.1.2 紫外燈的選擇1、本論文選擇10.6eV的紫外燈作為PID光源。 紫外燈的電離電位是影響傳感器信號的關(guān)鍵參數(shù)。紫外燈的波長需小于120nm，才具有足夠的電離能將氣體分子電離，一般的紫外燈根本無法滿足。市面上專門針對PID氣體傳感器設(shè)計的紫外燈按紫外光的波長（能量）分為三種：9.8eV，10.6eV和11.7eV。其中11.7eV的UV燈由于所發(fā)出的光的電離能（IP）最高，故PlD檢測范圍最寬。但是所有11.7eV的紫外燈都是用氟化鋰材料作為高能紫外線輸出窗口。氟化鋰晶體材料在燈管玻璃上的封裝是相當(dāng)困難的。當(dāng)它不使用時在空氣中氟化鋰晶體材料會吸收水分，導(dǎo)致窗口漲大，削弱了通過它的紫外線的強(qiáng)度。氟化鋰晶體材料也會因為UV的照射而逐漸老化，導(dǎo)致整個儀器損壞。這些因素共同作用導(dǎo)致了11.7eV燈壽命的變短。一個10.6eV的紫外燈可持續(xù)使用24-36個月，而一個11.7eV的燈只能持續(xù)使用2-6個月。同時11.7eV的紫外燈的造價遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于9.8eV和10.6eV，進(jìn)一步降低了其適用性。 11.7eV的紫外燈一般只有當(dāng)化合物（二氯甲烷，氯仿，四氯化碳）的電離電位超過10.6eV時才使用。同時，9.8和10.6eV具有很多11.7eV的紫外燈不具有的優(yōu)點： 9.8和10.6eV的PID有更強(qiáng)的針對特性:低電離能意味著能檢測到較少的化學(xué)物質(zhì)。 9.8和10.6eV的PID持續(xù)使用不少于一年:它的使用壽命和成本與一氧化碳傳感器相當(dāng)。 9.8和10.6eV的PID更加靈敏:11.7eV的燈靈敏度較低:主要是山于它的窗口材料氟化鋰晶體對11.7eV的紫外光有阻礙作用。出射光能量的降低使得被測物質(zhì)難以充分電離，因此，要求11.7eV的PID高精度地檢準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)是很難實現(xiàn)的。 本系統(tǒng)選擇的10.6eV燈電離能高于絕大部分有機(jī)分子的結(jié)合能，且價格較低壽命較長。按照紫外燈的發(fā)光原理可以分為電極放電燈，射頻激發(fā)燈和無極燈。本系統(tǒng)選擇的RAE公司生產(chǎn)的無極燈相比較具有較高的壽命和激發(fā)效率，同時功耗也較低，極好地滿足了系統(tǒng)對體積和功耗的要求。 2、紫外燈的激發(fā)方式 紫外燈的激發(fā)形式如圖3.4所示，紫外燈的外圍由兩個對稱的銅片包圍，面積約1cm*2cm,在兩個銅片間通上高頻高壓電（頻率100kHz，峰峰值大于800V，電壓極值大于1500V），激發(fā)紫外燈發(fā)光。由于銅片間加有高壓電，若遇到易燃?xì)怏w容易點燃產(chǎn)生明火。因此為防止爆炸銅片需用黃金紙包著。
圖3.4、紫外燈的激發(fā)原理 3、紫外燈的驅(qū)動電路 由上面關(guān)于紫外燈論述可知，本論文選擇射頻激發(fā)燈，需要設(shè)計一個射頻電路驅(qū)動紫外燈，而出于便攜的考慮，整個氣體傳感器是低壓直流供電，所以需設(shè)計電路將低壓直流電轉(zhuǎn)換為高壓交流電（頻率100KHz，有效值1000V左右）。 由式2.5 綜上所述，紫外燈的驅(qū)動電路要完成將低壓直流電升壓至高壓交流電，驅(qū)動紫外燈。 基于上述要求，本系統(tǒng)采用的基本原理電路圖如圖3.5所示。
圖3.5、紫外燈驅(qū)動電路原理圖 其中T1，T2為變壓器，匝數(shù)比分別為1：150和1：1；lamp表示紫外燈，中央控制單元等效為信號源。由信號源發(fā)出頻率為100KHz，占空比為0.5，幅值為5V的方波，使晶體管Q3循環(huán)導(dǎo)通，同時電感L1循環(huán)充放電，加入電容C后，使Q1和Q2可以循環(huán)導(dǎo)通，達(dá)到對電壓的調(diào)制。調(diào)整信號源發(fā)出信號的頻率和占空比，可以將輸出電壓由點燈需要的正弦電流，變?yōu)榭梢跃S持和自由調(diào)整紫外燈亮度的脈沖波。脈沖波與正弦波相比頻率下降，而幅值略有下降。不但實現(xiàn)了紫外光強(qiáng)度的可控性，同時有效降低了功耗。 電感L1或VCC中的電流由晶體管Q1或Q2導(dǎo)通決定選擇流入T2原線圈中的兩個子線圈。兩個子線圈中的電流方向是相反的，匝數(shù)比為1：150，同時在副線圈和反饋線圈產(chǎn)生相反的電壓。反饋線圈連接晶體管Q1和Q2基極，決定Q1和Q2的導(dǎo)通。Q1的基極同時通過電阻R1連接Vcc，所以如果反饋線圈沒有電流，Q1導(dǎo)通。 當(dāng)Q1導(dǎo)通，從W1A中通過的電流在反饋線圈中產(chǎn)生反饋電流使Q1閉合，并且使Q2導(dǎo)通。當(dāng)Q2導(dǎo)通，電流通過W1B經(jīng)過反饋線圈后，電流反向使Q2閉合，并且使Q1導(dǎo)通。因此Q1和Q2交替導(dǎo)通相位相差1800，使兩個子線圈中的電流改變，從而在T2副線圈產(chǎn)生交流電激發(fā)紫外燈。Q1和Q2基極之間的電容C1決定Q1和Q2導(dǎo)通（閉合）的頻率，進(jìn)一步控制振蕩頻率。 信號源產(chǎn)生一列方波，接到Q3的基極上，可以控制Q3的通斷。當(dāng)Q3導(dǎo)通時，電流由Vcc流入T2原線圈的兩個子線圈和電感L1。當(dāng)Q3閉合時，電感L1中存儲的能量保持高壓交流電，當(dāng)L1中的能量耗盡或者晶體管Q3會再次導(dǎo)通。當(dāng)L1的能量消耗時交流電壓幅值就會降低。方波的占空比可以改變電感L1中存儲的能量，從而控制紫外燈的能量。占空比越大能量越大。通過調(diào)整信號源發(fā)出方波的占空比，可以控制紫外燈的強(qiáng)度。 3.1.3 風(fēng)扇及其驅(qū)動電路的設(shè)計PID氣體傳感器采用干燥的空氣作為載氣，為了保證傳感器的敏感度，設(shè)計了將空氣吸入的風(fēng)扇。由于受到體積的限制，風(fēng)扇的直徑為10mm，Solidworks設(shè)計圖3.6所示。
圖3.6風(fēng)扇設(shè)計圖 傳統(tǒng)的加工方法無法取得好的效果。本課題采用了快速成型加工技術(shù)?？焖俪尚?RaPID Prototyping，簡稱IMP)技術(shù)是20世紀(jì)八十年代后期發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于模具，航空航天，輕工產(chǎn)品等多個領(lǐng)域[8-11]。 首先利用CAD軟件，在計算機(jī)中建立三維立體模型，然后根據(jù)工藝要求，將其按一定厚度進(jìn)行分層，并用分層切片軟件對其進(jìn)行處理得到在不同高度上每一截面層的信息。把原來的三維電子模型(亦稱電子模型)變成二維平面信息(截面信息)，燒結(jié)時先在工作臺上鋪上一層粉末，然后采用激光束在計算機(jī)控制下有選擇地進(jìn)行燒結(jié)，被燒結(jié)處粉末熔化并凝固在一起，一層燒結(jié)完成后再鋪粉進(jìn)行下一層掃描、燒結(jié)，并使新的一層和前一層燒結(jié)在一起，全部燒結(jié)完成后，去除未被燒結(jié)的多余粉末、便得到所需要的原型或零件[12-14]。 風(fēng)扇電機(jī)的額定電壓為2V，傳感器的電源是5V供電，通過Lm317完成電壓轉(zhuǎn)換。Lm317可以提供電機(jī)所需的較大的電流，所用的電路為Lm317的標(biāo)準(zhǔn)接法如圖3.7，，R11的值由式 忽略不計。
圖3.7 風(fēng)扇驅(qū)動電路圖 3.2 PID的檢測電路設(shè)計傳感器的輸出(可以是電壓信號也可以是電流信號)隨著被測量(比如溫度、濕度、濃度等)變化的特性曲線，是傳感器特性的最直接的體現(xiàn)，也是測量系統(tǒng)的依據(jù)。傳感器的性能最終體現(xiàn)為其輸出與氣體濃度相關(guān)的線性信號。在完成前面敏感單元的設(shè)計后，已經(jīng)可以將氣體濃度信號轉(zhuǎn)化為微弱的電信號。本節(jié)的主要內(nèi)容是處理微弱檢測信號，并利用單片機(jī)對實現(xiàn)對此信號的測量和控制。 氣體分子在被抽入電離室后，被紫外燈電離形成了離子，離子在極板電壓的作用下，定向移動形成微弱電流。由前面的理論推導(dǎo)，在外界條件（電離室結(jié)構(gòu)，紫外燈強(qiáng)度）固定的條件下，電流的大小與氣體的濃度為線性關(guān)系。根據(jù)不同信號的具體特征，選用了有效的微弱信號檢測方法，并通過適當(dāng)?shù)拇胧?，有效地抑制了噪聲和干擾，從強(qiáng)背景噪聲中提取有效信號。本系統(tǒng)采用微弱信號檢測電路，如圖3.8所示，實現(xiàn)濃度→微弱電流→電壓的線性轉(zhuǎn)換，電壓經(jīng)過差分放大后輸入給單片機(jī)。由單片機(jī)進(jìn)行信號濾波，從DAC口輸出。 SHAPE \* MERGEFORMAT 圖3.8 PID氣體傳感器檢測系統(tǒng)設(shè)計框圖 結(jié)合現(xiàn)有的大多數(shù)檢測設(shè)備的情況，以及現(xiàn)有工業(yè)控制應(yīng)用領(lǐng)域的需求情況，本文選用高集成度的混合性芯片C8051F040單片機(jī)作微處理單元，首先作為發(fā)出激發(fā)紫外燈的方波的信號源，并且進(jìn)行信號的采集、計算處理、判斷等，這些都使得檢測系統(tǒng)的設(shè)計大大簡化了，并使整個檢測系統(tǒng)達(dá)到了微型化、微功耗等優(yōu)點。 為了設(shè)計針對本傳感器的信號檢測電路，首先需確定敏感頭輸出信號的信號特征，在氣體流是穩(wěn)定的情況下，存在一定速率的氣體分子通過電極板，在相對較長的響應(yīng)時間內(nèi)，電極板會產(chǎn)生穩(wěn)定的支流微弱直流電流，其應(yīng)同氣體濃度成比例，是本傳感器要檢測的微弱信號。 通過下面的方法可以大致估算在一定氣體濃度下，光離子電流的強(qiáng)度。 以1ppm的甲苯為例，在大氣壓強(qiáng)下，1毫升1ppm苯蒸汽中，含苯蒸汽分子數(shù)為：
采樣泵抽速估計為0.3升/分，故單位時間內(nèi)流經(jīng)電離室的苯分子數(shù)為
設(shè)苯蒸汽分子的光電離截面為10-16平方厘米數(shù)量級，離子約為一次電離(帶電荷1.6*10-19庫侖)，已知真空紫外燈輸出為1011光子／秒，則可求得離子流：
由于離子流比較微弱（大約為10-1nA級），采用低噪聲前置放大器放大。放大電路如圖3.9所示。I-V轉(zhuǎn)化是通過溫度性能較好的大電阻R6來實現(xiàn)的，若信號電流為0.1nA,則經(jīng)R6后轉(zhuǎn)換成電壓1mV，可進(jìn)行后續(xù)的電路處理。電阻R6兩端的旁路電容C2，可以起到濾波的作用。為減小后續(xù)電路對輸入信號的影響，提高后續(xù)電路的輸入阻抗，在電流轉(zhuǎn)換成電壓后，采用了以儀表放大器AD620為核心的差分電路，以抑制共模干擾。AD620具有很低的溫漂系數(shù)，為0.6 在I-V轉(zhuǎn)換電路后，為與后續(xù)信號處理單元-單片機(jī)相匹配，信號通過另外一個AD620進(jìn)一步放大。3引腳為差分放大電路的輸出，6引腳接單片機(jī)的IO口。本論文選擇C8051F040單片機(jī)的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的參考電壓典型輸出值為2.43V。R9決定放大倍數(shù)，可以根據(jù)實際實驗值調(diào)節(jié)，使之與單片機(jī)的輸入模式相匹配。 通過芯片MAX660將5V轉(zhuǎn)為-5V，實現(xiàn)對AD620的供電，所有的電源和地之間都用104電容去耦，以實現(xiàn)較好的放大效果。
為了減小系統(tǒng)功耗和體積，設(shè)計時選用了Silicon Laboratories公司的高集成度的混合集成芯片C8051F040單片機(jī)，該款單片機(jī)具有內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換器、集成CAN2.0控制器等功能，它能夠完成多路數(shù)據(jù)的采集、判斷處理、以及數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙δ埽绱耸拐麄€系統(tǒng)由一個單片機(jī)就控制起來了，這樣使整個儀器的體積和功耗達(dá)到了微型化，功耗也大大降低了[16-18]。 C8051F040系列器件是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，具有64個數(shù)字I/O引腳，片內(nèi)集成了一個CAN2.0B控制器。 下面列出了一些主要特性： l 高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核（可達(dá)25MIPS） l 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)） l 真正12位、100ksps的ADC l 允許高電壓差分放大器輸入到12/10位ADC（60V峰-峰值），增益可編程 l 兩個12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式 l 64KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器 l 可尋址64KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口 l 硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和兩個UART串行接口 l 5個通用的16位定時器 l 具有6個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列 l 片內(nèi)看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器 片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持?jǐn)帱c、觀察點、單步及運行和停機(jī)命令。在使用JTAG調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運行。 每個MCU都可在工業(yè)溫度范圍（-45℃到+85℃）工作，工作電壓為2.7～3.6V，端口I/O、/RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號電壓，C8051F040為100腳TQFP封裝。
圖3.10 C8051F040原理框圖 系統(tǒng)中經(jīng)過處理、放大提取以后，得到的與檢測氣體濃度有關(guān)的有用信號：參考通道信號、氣體通道信號、溫度信號等經(jīng)過調(diào)理以后，信號幅度范圍都在0～3.3V，滿足單片機(jī)的輸入信號范圍，這幾路信號接單片機(jī)的單端輸入通道，進(jìn)入12位AD轉(zhuǎn)換器。各輸入通道通過軟件設(shè)計，進(jìn)行開關(guān)配置，實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)AD的采集通道切換功能。 本系統(tǒng)信號采用AIN0.0引腳單端輸入方式進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換。具體過程如下： C8051F040的ADC0轉(zhuǎn)換器動態(tài)選擇模擬輸入量進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度12bit，并且在轉(zhuǎn)換前，可以增益放大控制，以滿足實際需要，還可以編程監(jiān)控，當(dāng)ADC0轉(zhuǎn)換結(jié)果符合監(jiān)控預(yù)設(shè)值并且相應(yīng)中斷開啟時，將引發(fā)相應(yīng)的中斷。轉(zhuǎn)換前需要對模擬通道選擇器寫適當(dāng)?shù)目刂撇僮鳎ㄟ^寫AMXOF控制器操作進(jìn)行輸入單端模式。 向ADC0CN的AD0BUSY位寫1啟動ADC轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后復(fù)‘0’。AD0BUSY位的下降沿觸發(fā)中斷（當(dāng)被允許時）并將中斷標(biāo)志AD0INT（ADC0CN.5）置‘1’。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被保存在ADC數(shù)據(jù)字的MSB和LSB寄存器：ADC0H和ADC0L。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在寄存器對ADC0H:ADC0L中的存儲方式采取右對齊由ADC0CN寄存器中AD0LJST位的編程狀態(tài)決定。當(dāng)通過向AD0BUSY寫‘1’啟動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時，應(yīng)查詢AD0INT位以確定轉(zhuǎn)換何時結(jié)束（也可以使用ADC0中斷）。一般情況查詢步驟如下： = 1 \* GB3 ①．寫‘0’到AD0INT； = 2 \* GB3 ②．向AD0BUSY寫‘1’； = 3 \* GB3 ③．查詢并等待AD0INT變‘1’； = 4 \* GB3 ④．處理ADC0數(shù)據(jù) 當(dāng)CNVSTR0被用作轉(zhuǎn)換啟動源時，它必須在交叉開關(guān)中被使能，對應(yīng)的引腳必須被配置為漏極開路、高阻方式。首先對ADC0進(jìn)行了初始化設(shè)置，采樣頻率為單片機(jī)的最高轉(zhuǎn)換速率100kHz，PGA增益為2倍，ADC0進(jìn)入單端輸入和連續(xù)跟蹤模式，同時選擇0通道。在送數(shù)開始后，查詢標(biāo)志位，當(dāng)送數(shù)完成后，將轉(zhuǎn)換后的值代入主程序。 3.3.2數(shù)字濾波及DA輸出從理論上講從AD芯片上采集的信號就是需要的量化信號，但是由于存在電路的相互干擾、電源噪聲干擾和電磁干擾，在AD芯片的模擬輸入信號上會疊加周期或非周期的干擾信號，并會被附加到量化值中給信號帶來一定的惡化?？紤]到數(shù)據(jù)采集的實時性和安全性，需要對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集濾波，減小干擾對信號的影響[19]。 單片機(jī)數(shù)字濾波的常用方法有限幅濾波法、中值濾波法、算術(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法、中位值平均濾波法。一階滯后濾波法、加權(quán)遞推平均濾波法、消抖動濾波法。 本系統(tǒng)采用中位值平均濾波法[20]。這種方法相當(dāng)于“中位值濾波法+算術(shù)平均濾波法”, 其實現(xiàn)方法為： （1）連續(xù)采樣N個數(shù)據(jù)，去掉一個最大值和最小值； （2）然后計算N-2個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。 這種方法融合了兩種濾波法的優(yōu)點，可消除由于偶然出現(xiàn)的脈沖干擾引起的采樣值偏差。 信號經(jīng)過數(shù)字濾波后，通過DA轉(zhuǎn)換后輸出。C8051F040有2個12位DAC模塊，輸出為電壓型，輸出范圍約為0V～VREFD。若DAC禁止，則DAC輸出引腳為高阻態(tài)，DAC模塊處于低功耗節(jié)能態(tài)，耗電電流低至1 DAC輸出更新有4種方式：直接更新；T2，T3和T4溢出；通過DAC0CN(DAC1CN)寄存器配置。在默認(rèn)模式下，DAC0為直接更新模式，先對DAC0L寫操作，再對DAC0H寫操作。經(jīng)過設(shè)置DAC采樣與DAC輸出有良好的一致性，如圖3.11所示。
圖3.11 AD采樣信號和DA輸出信號 3.4 C8051F040的外圍電路C8051F040的外圍電路包括復(fù)位電路、外部晶振電路、信號輸入、信號輸出、紫外燈驅(qū)動電路、電源系統(tǒng)。 本系統(tǒng)采用16MHZ的外部晶振驅(qū)動外部石英晶振，注意在對外部晶振驅(qū)動電路PCB布板時要使晶振和電容盡量靠近XTAL1和XTAL2且是布線盡量短以減少干擾；外部復(fù)位引腳/RST提供了使用外部電路強(qiáng)制單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)的手段，本系統(tǒng)提供了一個外部上拉和對/RST引腳的去耦電路以防止由于強(qiáng)噪聲而引起復(fù)位。
圖3.12 微處理單元的外圍電路 4 測試結(jié)果及設(shè)計中出現(xiàn)的問題分析 4.1 測試結(jié)果 在封閉的氣室內(nèi)，用原型裝置對異丁烯的濃度進(jìn)行了初步標(biāo)定。測試結(jié)果如圖4.1所示，顯示了較好的線性度。
圖4.1 傳感器對不同濃度乙醇的電壓響應(yīng)曲線 4.2問題分析由測試曲線可以看出傳感器對不同濃度乙醇的電壓響應(yīng)顯示了比較好的線性度，但是信號仍然出現(xiàn)了噪聲干擾。 噪聲來源于以下幾個方面： 1、電磁場干擾 當(dāng)放大電路周圍存在雜散電磁場時，其輸入電路或某些主要元件就會感應(yīng)出干擾電壓。對于一個放大倍數(shù)比較高的放大電路來說，只要第一級引進(jìn)一點微弱的干擾，在放大電路的輸出端就會有一個較大的干擾電壓。 在本系統(tǒng)中電磁場干擾有兩方面原因： （1）、由3.2.3以上所述的激發(fā)紫外燈需要1000V，100KHZ的高頻高壓電，此放大部分變壓器1000 V磁場干擾嚴(yán)重，變壓器沒有加屏蔽。 （2）、DC-DC5-200V開關(guān)電源產(chǎn)生的電場對系統(tǒng)造成很大干擾。 2、前置運算放大器 在直接耦合的放大器中會產(chǎn)生零點漂移，零點漂移是指在沒有目標(biāo)氣體時，整個工作時間內(nèi)傳感器輸出響應(yīng)的變化。產(chǎn)生零漂的原因很多，任何元器件參數(shù)的變化（包括電源電壓的波動），都會引起輸出電壓的漂移。在阻容耦合的放大電路中，各級的零漂電壓被隔直元件阻隔，不會被逐級放大，因此影響不大。但在直接耦合的放大器中，各級的零漂電壓被后級電路逐級放大，以至影響到整個電路的正常工作。為此，減小零點漂移的關(guān)鍵是改善放大器第一級的性能。 系統(tǒng)采用的前置放大器AD620引起的干擾主要有以下幾方面： （1）前置放大部分分壓10M電阻溫漂嚴(yán)重，熱噪聲很大傳感器信號輸出不穩(wěn)； （2）差分輸入端電阻阻值也會發(fā)生漂移 （3）參考電壓不穩(wěn)； （4）AD620 的增益是通過改變編程電阻R7 來實現(xiàn)的, 為了使AD620 設(shè)計提供精確增益, 就應(yīng)使用0. 1～ 1% 的低誤差的電阻, 同時為了保持增益的高穩(wěn)定性, 避免高的增益漂移, 應(yīng)選擇低溫度系數(shù)25ppm的電阻。
圖4.2 有噪聲的輸出 3、溫度影響 溫度的變化可以引起輸出電壓的漂移，這是因為元件的導(dǎo)電性對溫度非常敏感，若溫度有大幅度的變化，系統(tǒng)很容易產(chǎn)生溫漂。 本系統(tǒng)引起溫度變化的原因主要有 （1）、環(huán)境溫度很難維持恒定。 （2）、本系統(tǒng)殼體為防爆殼體，密封性能好導(dǎo)致散熱差，殼體內(nèi)部溫度隨著工作室時間增加溫度急劇升高。經(jīng)測試得到殼體封閉零點3個小時內(nèi)從1.83V-1.42。殼體打開零點3個小時內(nèi)從1.83V-1.80V。由此看出溫度對系統(tǒng)產(chǎn)生的嚴(yán)重干擾。 （3）、系統(tǒng)中DC-DC5-200V開關(guān)電源效率低散熱嚴(yán)重，對系統(tǒng)的影響很大。 4、暗電流的影響 當(dāng)沒有氣體進(jìn)入電離室時，紫外燈也會把空氣中的一小部分氣體電離，從而在極板上產(chǎn)生微弱的電流。 極板為不銹鋼片，金屬的電離能一般低于6ev,因此紫外燈會將金屬表面的部分自由電子電離，另外極板有效面積較大背景電流較大，高速氣流對零點影響很大。 光離子化傳感器靈敏度很高，與被測信號無關(guān)的外界噪聲也會同時被檢測到。 5、空氣中的水汽、濕度 絕大部分電子產(chǎn)品都要求在干燥條件下作業(yè)和存放。因為絕大多數(shù)器件都會受到潮氣的影響，而潮氣會導(dǎo)致金屬氧化、虛焊、封裝開裂等產(chǎn)品故障，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。為此必須做好防潮措施，人們常用的干燥方法主要有高溫、低溫、真空干燥、氮氣柜干燥和采用吸潮劑除濕等。 本文將在下一章針對以上分析的各個干擾因素做出改進(jìn)，改進(jìn)方法大致可分為兩大類：1、外部環(huán)境的干擾2、前置放大電路。
為防止空氣中的水汽，本設(shè)計在敏感頭的上方安裝了防雨罩，并安裝了微孔濾膜與進(jìn)氣管道相連，有效防止水蒸氣和粉塵的滲入。在底板，連接件等有螺紋連接的部位，都在內(nèi)部安裝了不同寬度的橡膠墊，同時在一些螺紋緊固件之間，灌少量的硅膠，實現(xiàn)殼體的密封。 為減少溫度對系統(tǒng)的影響，本系統(tǒng)將主要的散熱源---開關(guān)電源屏蔽，并引進(jìn)低功耗（0.3W）、散熱量少的電源模塊。這樣也可以減少電場對系統(tǒng)的影響。同時采用溫度系數(shù)小25ppm、低誤差（0. 1～ 1%）的電阻。 為減小暗電流的影響可以縮減極板的接收面積或在程序中設(shè)置零輸出時的參數(shù)。 5.1.2電源系統(tǒng)的改進(jìn)為抑制電源干擾除了采取抗電磁干擾措施，對直流，交流變壓器添加屏蔽罩，前置 放大部分電路添加屏蔽殼體外，本系統(tǒng)采用DC-DC、MAX768穩(wěn)壓系統(tǒng)。 BO505可以使前置放大電路的供電電壓與系統(tǒng)中的其他電壓相隔離，為減少噪聲在BO505的輸入和輸出端接入濾波電容，增強(qiáng)輸出的穩(wěn)定性。 本系統(tǒng)采用MAX768低噪聲雙輸出的電荷泵，具有很好的穩(wěn)壓作用，輸出噪聲波紋低于2mVp-p。
圖5.1 MAX768的電路圖 5.2前置放大電路改進(jìn)抑制零點漂移的措施，除了精選元件、對元件進(jìn)行老化處理、選用高穩(wěn)定度電源以及用穩(wěn)定靜態(tài)工作點的方法外，在實際電路中常采用補(bǔ)償和調(diào)制兩種手段。補(bǔ)償是指用另外一個元器件的漂移來抵消放大電路的漂移，如果參數(shù)配合得當(dāng)，就能把漂移抑制在較低的限度之內(nèi)。在分立元件組成的電路中常用二極管補(bǔ)償方式來穩(wěn)定靜態(tài)工作點。在集成電路內(nèi)部應(yīng)用最廣的單元電路就是基于參數(shù)補(bǔ)償原理構(gòu)成的差動式放大電路，調(diào)制是指將直流變化量轉(zhuǎn)換為其它形式的變化量（如正弦波幅度的變化），并通過漂移很小的阻容耦合電路放大，再設(shè)法將放大了的信號還原為直流成份的變化。這種方式電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、頻率特性差。為抑制零點漂移本系統(tǒng)采用斬波穩(wěn)零式高精度運算放大器ICL7650作為前置放大器。 5.2.1 ICL7650的介紹ICL7650是intersil公司利用動態(tài)校零技術(shù)和先進(jìn)的CMOS工藝制成的斬波穩(wěn)零式高精度運算放大器,具有輸入偏置電流小、超低失調(diào)和超低漂移、高增益、高輸入阻抗、共模抑制能力強(qiáng)、響應(yīng)快的特點,性能極為優(yōu)越穩(wěn)定,因而在精密儀表及過程控制系統(tǒng)中作為前置放大器應(yīng)用很廣。ICL7650 除了具有普通運算放大器的特點和應(yīng)用范圍外, 還具有高增益、高共模抑制比、失調(diào)小和漂移低等特點,所以常常被用在熱電偶、電阻應(yīng)變電橋、電荷傳感器等測量微弱信號的前置放大器中。 1 芯片結(jié)構(gòu) ICL7650采用14腳雙列直插式和8腳金屬殼兩種封裝形式,本文使用最常用的14腳雙列直插式封裝的引腳排列如圖5.2所示。
圖5.2 ICL7650 的引腳排列圖 表5.1ICL7650的引腳功能圖
2、工作原理 ICL7650 利用動態(tài)校零技術(shù)消除了CMOS器件固有的失調(diào)和漂移,從而擺脫了傳統(tǒng)斬波穩(wěn)零電路的束縛,克服了傳統(tǒng)斬波穩(wěn)零放大器的這些缺點。 內(nèi)設(shè)有兩個放大器：MAIN是主放大器(CMOS 運算放大器),NULL是調(diào)零放大器(CMOS高增益運算放大器)。電路通過電子開關(guān)的轉(zhuǎn)換來進(jìn)行兩個階段工作,第一是在內(nèi)部時鐘(OSC)的上半周期,電子開關(guān)A和B導(dǎo)通,A和C斷開,電路處于誤差檢測和寄存階段;第二是在內(nèi)部時鐘的下半周期,電子開關(guān)A和C導(dǎo)通,A和B斷開,電路處于動態(tài)校零和放大階段。 由于ICL7650 中的NULL 運算放大器的增益A0N一般設(shè)計在100dB 左右,因此,即使主運放MAIN的失調(diào)電壓VOSN達(dá)到100mV,整個電路的失調(diào)電壓也僅為1μV。由于以上兩個階段不斷交替進(jìn)行,電容CN和CM將各自所寄存的上一階段結(jié)果送入運放MAIN、NULL的調(diào)零端,這使得圖2所示電路幾乎不存在失調(diào)和漂移,可見,ICL7650是一種高增益、高共模抑制比和具有雙端輸入功能的運算放大器。 5.2.1本系統(tǒng)基于ICL 7650 微電流放大器的改進(jìn)電路
圖5.3 ICL 7650的改進(jìn)電路 R 1為ICL 7650 輸入限流保護(hù)電阻, R 5與C9形成濾波電路用來濾去ICL 7650 的斬波尖峰噪聲,截至頻率為1/2πRC。電路的增益較高,為防止產(chǎn)生高頻振蕩,設(shè)計時在電阻R2上并接了電容C12,C12與R2、R4組成反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),降低帶寬,防止R2,R3,R4以及C12相移產(chǎn)生自激振蕩。因其容量較小,所以對信號放大倍數(shù)的影響也非常小。 微電流放大器的靈敏度與所接的反饋電阻有關(guān)，靈敏度越高則反饋電阻越大，因此采用了T型反饋電阻擴(kuò)展法，可以用較小的阻值獲得較高的靈敏度。本系統(tǒng)用小電阻R2,R3與R4組成T型網(wǎng)絡(luò)以提高增益的穩(wěn)定性和精度,減小噪聲,R3*R4<<R2此時輸出電壓V0=-IS(1+ R3/R4 )R2。等效反饋電阻RF=(1+ R4/R3 )R2, 相當(dāng)于反饋電阻擴(kuò)展了(1+ R4/R3 )倍。因此系統(tǒng)接入的電阻R3為1K R4為1M R2為10M相當(dāng)于接入了大于1G的電阻，數(shù)量級升高了103。 由于采用了單片機(jī)控制,故能實現(xiàn)自動校零、自換量程以及過流保護(hù)。為了抬高運算放大器輸出信號的直流分量,可將箝位端接在運算放大器的反向輸入端。 5.2.3電路工藝要測量微電流, 除了選擇高性能運放以外, 電路工藝也是成敗的關(guān)鍵。 1、運放不接平衡電阻 與普通運放放大電路不同, 圖5.4中ICL7650運放同相端不接平衡電阻,直接接地。因為在高內(nèi)阻電流源的微電流放大器中,接平衡電阻不僅很難使運放輸入電阻平衡,反而增加電路的噪聲。 2、降低運放的工作溫度 一般地, 運放溫度每升高10°C,偏置電流將增加1倍。為此,盡可能降低電源電壓, 增大負(fù)載電阻(大于10 KΩ),以減小運放的工作電流,降低工作溫度。 3、減小電路漏電流 選用漏電流遠(yuǎn)小于pA級的高絕緣電路板,如環(huán)氧玻璃板;輸入信號采用絕緣好、不產(chǎn)生靜電以及吸濕性小的聚四氟乙烯接線柱如圖5.4;在電路板上用接地屏蔽環(huán)將運放的同相與反相輸入端包圍起來,使其等電位,保證它們之間漏電流為零。若沒有屏蔽環(huán),則存在從運放同相端通過電路板流到反相端的漏電流,假設(shè)同相端與反相端的絕緣電阻為1011Ω,通常認(rèn)為該絕緣電阻已相當(dāng)大了,但當(dāng)輸入電壓為1V時,漏電流為10pA，是ICL7650偏置電流的7倍。電路安裝好后,清除元件與電路殘留雜質(zhì),并進(jìn)行干燥防潮處理。
圖5.4 懸置引出技術(shù)的安裝焊接工藝 4、減小噪聲,提高抗干擾能力 運放工作電源必須穩(wěn)定、噪聲低。電阻選用1% 精度低噪金膜電阻; 電容選用低噪的瓷介、云母或鉭電容; 信號輸入線采用盡量短的屏蔽電纜; 電路板一點接地; 整個微電流放大器采用金屬屏蔽。 關(guān)于PCB板材選環(huán)氧玻璃布板外層涂環(huán)氧樹脂漆，但一定要求制版商清洗無離子污染，在輸入部位，版圖上要“畫圓圈”接地，防止漏泄電流，要用好的電纜作輸入線，超過100兆歐才要“架空線”，用屏蔽的聚乙烯介質(zhì)電纜足夠。 5.3 低通濾波電路 由于系統(tǒng)不可避免的要引入干擾，所以I/V之后除了無源濾波，還添加了有源低通濾波MAX291。 MAX291是8階開關(guān)電容濾波器、使用方便（基本上不需外接元件）、設(shè)計簡單（頻率響應(yīng)函數(shù)是固定的，只需確定其拐角頻率即截止頻率)，在通訊、信號自理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在ADC的反混疊濾波、噪聲分析、電源噪聲抑制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 通過MAX291之后，由于不同頻率的信號產(chǎn)生的時延不同，輸出波形中就出現(xiàn)了尖峰(overshoot)和鈴流(ringing)。在MAX291濾波器集成電路中，除了濾波器電路外還有一個獨立的運算放大器（其反相輸入端已在內(nèi)部接地）。用這個運算放大器可以組成配合MAX291濾波器使用后的濾波、反混濾波等連續(xù)時間低通濾波器。 特點如下： ●通過調(diào)整時鐘，截止頻率的調(diào)整范圍為：0.1Hz～25kHz ●既可用外部時鐘也可用內(nèi)部時鐘作為截止頻率的控制時鐘。 ●時鐘頻率和截止頻率的比率：10∶1 ●既可用單+5V電源供電也可用±5V雙電源供電。 本系統(tǒng)采用MAX291作為低通濾波的電路圖如下：
圖5.4 MAX291的電路圖 5.4傳感檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計本設(shè)計采用Cygnal 集成開發(fā)環(huán)境(IDE)。 Cygnal 集成開發(fā)環(huán)境(IDE)是一套完整獨立的軟件程序它為設(shè)計者提供了用于開發(fā)和測試項目的所有工具。 1、程序的主要特點包括： 全功能窗口字體可配置的編輯器，調(diào)試器具有設(shè)置斷點觀察點單步等功能工具鏈接集成支持匯編器、編譯器和鏈接器，可定制的工具菜單用于集成其它編譯器或開發(fā)工具，CYGNAL配置向?qū)Э蔀橹付ǖ哪繕?biāo)環(huán)境產(chǎn)生配置代碼 2、具體開發(fā)步驟 創(chuàng)建和打開項目、工具鏈接集成、目標(biāo)生成配置、編輯和生成項目、連接到硬件、下載文件、使用調(diào)試器、使用觀察點、使用定制工具菜單 3、本設(shè)計所包含的模塊分析 軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計, 便于閱讀、調(diào)試和修改。軟件由系統(tǒng)主程序、初始化參數(shù)設(shè)置模塊、外部晶振模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、讀通道模塊、端口引腳模塊、SPI總線模塊、DA轉(zhuǎn)換和DA輸出模塊組成。 在AD轉(zhuǎn)換模塊中通過對寄存器的控制進(jìn)行了如下參數(shù)的設(shè)置：PGA增益為2、控制時鐘對系統(tǒng)時鐘的分頻數(shù)、設(shè)置AD0EN使ADC0正常工作、使用內(nèi)部參考電壓、采用單端輸入模式、選擇AIN0.0輸入。 SHAPE \* MERGEFORMAT 圖5.5軟件流程圖 本課題的任務(wù)是研究光離子化氣體傳感器的設(shè)計。本文開始介紹了光離子化原理，光離子氣體氣體傳感器的特性和優(yōu)點，并且對傳感器的檢測結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計思想做了闡述。在文章后面的章節(jié)中重點介紹了傳感檢測系統(tǒng)的設(shè)計，包括電離室設(shè)計、微弱信號的檢測方法、信號處理方法等。文章最后還介紹了新的前置放大電路。新型的紫外燈激發(fā)方法是本課題的一個難點，根據(jù)傳感器信號特征選取適當(dāng)?shù)奈⑷跣盘枡z測方法是解決本課題的一個關(guān)鍵之一。 本設(shè)計設(shè)計的自吸式電離室，有效減小了傳感器體積，同時減小了傳感器的響應(yīng)時間。 通過采用集成多路A/D轉(zhuǎn)換器、CAN控制器等低功耗、小體積的C8051F040單片機(jī)作微處理單元，通過軟件實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)的判斷處理、數(shù)據(jù)的傳輸?shù)?，這些大大減小了系統(tǒng)的體積和功耗，是系統(tǒng)達(dá)到微型化等優(yōu)點。軟件的設(shè)計和調(diào)試在系統(tǒng)的整個設(shè)計過程中起著重要的作用。 本課題的研究只是光離子化氣體傳感器的初步階段，要真正達(dá)到傳感器的應(yīng)用以及市場化，還有許多問題有待解決，如傳感器的零輸入漂移問題，敏感頭的一致性問題等，傳感器的信號檢測方法還需要進(jìn)一步鉆研、開發(fā)，相信這些工作隨著研究的進(jìn)一步深入會一一得到解決。 光離子化傳感器作為一種便捷、精確的測試儀器，在某些應(yīng)用場合有獨特的優(yōu)勢，隨著研究的深入，在工程應(yīng)用領(lǐng)域必然有廣闊的市場前景。 附錄A 原理圖
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本論文是在薛晨陽副教授的精心指導(dǎo)下完成的。薛老師廣博的學(xué)識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、縝密而又充滿創(chuàng)造性的思維方式以及把握問題關(guān)鍵的科研方法使我終生受益，并將一直指引我將來的工作和學(xué)習(xí)。在此，謹(jǐn)向薛老師致以我最誠摯地謝意。 在整個畢業(yè)設(shè)計當(dāng)中，范秋生學(xué)長給了我耐心的指導(dǎo)，讓我學(xué)到了很多知識，不僅包括學(xué)術(shù)方面的也包括生活做人方面的，這些知識讓我受益匪淺，并將指引著我將來的工作和學(xué)習(xí)。在此，謹(jǐn)向范秋生學(xué)長致以我最誠摯地謝意。 |
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）直接電離成正離子，放出電子。
（1）
（2）
（3）
光輻射強(qiáng)度；F法拉第常數(shù)；N阿伏加德羅常數(shù)；
組分的吸收橫截面；
激發(fā)態(tài)分子的電離效率；L光吸收層厚度；［AB］被測物質(zhì)濃度。
，L就隨之固定，此時PID的摩爾響應(yīng)R只與
