气体传感器接口电路设计

摘要:为了在测试的过程中测量纳米材料气体传感器变化的电阻信号，针对高灵敏度的纳米材料气体传感器，设计了一种宽动态范围的快速采样接口电路，基于积分电路的原理，将流经传感器的电流转换成一定脉宽的方波信号，单片机捕获脉冲时间并换算成传感器电阻值。电路在1kΩ～500MΩ测量范围内的最大线性误差为5%，能够应用于气体传感器的测试和标定、手持气体检测设备以及电阻测量等领域。

关键词:电阻型气体传感器;接口电路;积分电路;宽电阻测量范围;单片机

0引言

目前，气体传感器在社会发展的各个领域有着越来越广泛的应用，如家庭安全系统、食品安全检测、医疗设备以及环境污染控制等都离不开气体传感器。相较于普通的气体传感器，纳米材料制备的气体传感器具有较高的灵敏度、优异的气体选择性、较低的工作温度和良好的稳定性，适用于检测气体环境的细微变化。其中，电阻型气体传感器的输出量为电阻值，高灵敏度导致传感器的电阻具有很大的变化范围［1］。所以，纳米材料气体传感器能否广泛应用，关键在于信号采集电路能否准确地和连续地检测出传感器信号的变化。传统的接口电路通常使用可以切换档位的恒流源或恒压源连接传感器，以满足传感器阻值的变化对不同量程的要求［2］，但是档位的切换会引入误差并造成各通道的一致性变差，同时降低了测量速度，这些都是传感器测试中亟待解决的问题。

本文针对纳米材料气体传感器在实际应用中的特点，设计并实现了一种基于积分电路的传感器接口电路，通过将流经传感器的电流进行积分的方式把电阻值转换为一定时间的脉冲信号，再使用STM32单片机的定时器对脉冲信号宽度进行捕获。这种将大电阻在时间尺度上压缩的方法避免了测量变化电阻时的量程切换和模数转换，提高了测量精度和响应速度。测试结果表明，电路的动态测量范围和频率都能够满足气体传感器需要的技术指标。

1实现方法

1．1传感器测量原理

当电阻型传感器暴露在目标气体中时，敏感材料的表面吸附氧与目标分子发生反应，导致敏感材料的电导率、伏安特性以及表面电位变化，宏观上体现为传感器的电阻值会发生相应的变化［3］。为电阻型气体传感器的电路模型，由于加热电极的影响，电阻型传感器需要考虑寄生电容效应，器件通常被视为寄生电容Cp并且与主要的电阻元件Rs并联。如果加在传感器两端的电压恒定，则流过的电流也为恒定的，所以，并联的寄生电容在测量中可以忽略不计。已知恒压源Vcc和信号调理电路的输入电压Vis，传感器电阻值R

1．2积分电路设计

信号调理电路通过积分的方式记录流经传感器的电流Is，在每个测量周期中，电路会产生一个脉冲，而脉冲的宽度代表电路对传感器电流Is的积分时间，由于电路采样速率远大于传感器电流的变化速率，所以可以假定在每个测量周期中Is恒定不变。如图2所示为积分电路的原理图，由于积分器Ints同相端电压Vis小于传感器供电电压Vcc，则电流Is流入积分器反相端，经过反馈电容Cs后输出电压Vs将由Vis开始以斜率αs的速度下降。Intt的同相端电压Vit小于Vis，反相端经由电阻Rt连接到地，则电流从反相端流出，积分器Intt的输出电压Vt由Vit开始以斜率αt的速度上升［4］。

比较器Comp的反向端连接传感器的积分电压Vs，同相端连接参考电压Vt，那么在积分开始时，由于Vis大于Vit，所以比较器输出电压为低电平。随着积分过程的进行，当传感器积分电压Vs等于参考电压Vt时，下一刻比较器将输出高电平。单片机的定时器捕获这个高电平信号后通过I/O口控制电子开关SWs和SWt对积分电路进行复位，电路复位的过程就是将反馈电容放电，使两个积分器的输出电压Vs和Vt分别等于Vis和Vit。考虑到电容两端电压不能突变，所以复位信号需要保持一段时间，根据运放的压摆率SR，单片机输出的复位信号Vres保持的最短时间为Vcc/SR［4］。复位完成后开关断开，电路开始下一个周期的测量。

1．3电路原理分析

积分电路中两个积分器分别同相和反相积分，当Vs等于Vt时，Vc由低变高。这个过程中从积分开始到比较器输出高电平的时间间隔称为测量时间Tmeas，这样根据电路的参数可以通过式(2)计算该间隔。

当电路中Vit，Vis和αt固定不变时，可以发现测量时间Tmeas只跟Vs的斜率αs有关，即只与传感器流经的电流Is有关。通过测量积分时间就可以得到流过传感器的电流，再根据式(1)就可以获得电阻型气体传感器的电阻如果参考电压设定为固定不变，那么在传感器电阻很大时，电流Is会非常小，积分时间会变得很长，影响传感器信号的快速测量。使用参考电压可变的方式可以有效解决大电阻测量时的问题，保证每个周期的测量时间都在确定的范围内。假设传感器电阻无穷大，此时αs等于零，电压Vt会一直积分达到Vis才进行复位，可以计算出最大的测量时间。

最小测量时间根据所测试的传感器最小电阻来确定，如果电路测量范围的最小电阻为Rs，min，此时传感器电流会达到最大，αs远远大于αt，所以可以忽略参考电压积分上升的电压量，可以计算出最小的测量时间。分析最大最小测量时间的意义在于，能够确定每个周期的具体时间。由于复位时间是确定的，复位时间加测量时间就是一个测量周期的时间，所以，整个电路系统的最大频率也就确定了，这对于需要快速响应的测量系统来说十分重要。

1．4软件测量与复位

在整个接口电路设计中，单片机的作用是捕获脉冲信号和产生积分电路的复位信号，并且这两个任务是相互关联的。可以使用单片机的2个定时器，其中，TIM_A配置成输入上升沿触发中断，用于检测比较器输出电压Vc的上升沿;TIM_B配置成通用计数器并触发定时中断，用于记录复位时间。如图3所示，当复位信号结束时，电路开始下一个周期的测量，定时器TIM_B开始计数，直到TIM_A检测到Vc的一个上升沿，TIM_B停止计数并由单片机I/O口产生一个复位信号，在此期间Vo的低电平时间就是Tmeas。在经过确定的复位时间后，单片机重新开启下一个周期的测量［5］。需要注意的是，在系统上电后，首先单片机需要产生初始启动信号，系统才能开始连续的多周期测量。单片机可以在一定时间内记录多个周期的Tmeas并取平均值，然后利用转换式(3)计算得到待测传感器的电阻值。

系统在上电复位后进行一系列的初始化，最重要的是产生第一个测量周期的启动信号，也就是使控制开关的复位电压Vo由高电平变为低电平，控制SWs和SWt打开，积分电路开始工作，同时开启定时器TIM_A，然后系统就开始等待定时器中断。根据电路需要的功能，单片机中两个定时器中断函数的程序流程图。首先，当Vs与Vt交汇时比较器电压由低变为高，触发TIM_A定时中断，此时读取TIM_A计数值即为Tmeas，随后关闭TIM_A计数，复位引脚Vo置高并开启TIM_B开始复位;当设定的复位时间到达时触发TIM_B定时中断，关闭TIM_B计数，复位引脚置低结束复位并开启TIM_A，进入下一个测量周期。在每次中断函数内任务执行完毕后，需要清除中断标志位用以响应下一次中断。采用软件复位的方式减少了系统的复杂度，同时可以做到方便的修改复位时间，从而调整测量的周期。在软件复位的同时可以获得脉冲时间Tmeas，用单片机可以很容易的计算待测电阻Rs的具体数值，进一步证明了使用软件处理的优越性。

2测试结果

通过使用精度为1%的定值电阻模拟传感器可变化的电阻来测试电路的性能，并对每个阻值连续采样100次以进行标准差和线性误差分析。从1kΩ～500MΩ之间选择10个不同量级的标准电阻进行测试。为测试的标准阻值;Tmeas为单片机捕获的测量时间，是100次连续采样的平均值;Rmeas为使用公式换算后的测量阻值;σRel和εL，Rel分别为测量值与真实值之间的标准差和线性误差。由于测量电路结构的设计，Tmeas与Rs并不是线性关系，在电阻非常小或非常大时，测量的分辨率会有所下降，而且随着测量电阻的增大，线性误差会逐渐增大。在测量的全范围内，线性误差都保持在5%之内，满足测试系统的要求。

3结论

设计的电路通过对电阻在时间尺度上的压缩，避免了传统测量方式中的档位切换，在保证精度的基础上提高了测量速度，降低了电路的复杂度。实验测试结果表明:当待测电阻值在1kΩ～500MΩ范围内变化时，接口电路测量结果的整体线性误差小于5%且连续采样标准差小于0．1%，满足纳米材料的气体传感器测试需求，具有很大的商业应用潜力，有望应用于电阻测试仪和微弱信号检测等场合。

参考文献:

［1］张小秋，汪元元，张柯，等．基于纳米材料的气体传感器的研究进展［J］．传感器与微系统，2013，32(5):1－5．

［2］丁志杰，李明勇，张小玢．基于数控电阻和恒流源的电阻测量仪［J］．电子测量技术，2014，37(7):14－16．

［3］娄正．金属氧化物半导体复合材料纳米结构的构筑及其气敏性能的研究［D］．长春:吉林大学，2014．

［4］马场清太郎．运算放大器应用电路设计［M］．北京:科学出版社，2007．

［5］王晨辉，吴悦，杨凯．基于STM32的多通道数据采集系统设

作者：耿孝谨 王涛 马宏莉 杨志 段力 张亚非 单位：薄膜与微细技术教育部重点实验室 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 微纳电子学系