新型气体热导传感器及其应用设计重点

1、2007芷第7期仪表技术与传感器In smtme nt Tech nique and Sen sor2007 No.7新型气体热导传感器及其应用设计刘殿素，吴言荪，欧勇(重庆大学电气工程学院連庆400044摘要:气体热导传感器是利用被测组分和参考气的热导系数不同而响应的浓度型传感器。文中介绍了一种新型气体热导传感器TCS208F的特点、结构及指标，由于其输出是微弱信号,所以设计出 其信号调理电路。传感器检测到的微弱信号由测量电桥调理输出，通过集成芯片AM402中的仪表放大器进行差分放大，由于远距离传输的需要，再将电压信号送 入 U/I变换器转换成0。20mA的工业标准电流信号，最后再把电流信号

2、转换为电压信 号送入单片机。关键词:热导传感器；TCS208F;AM402;信号调理中图分类号:TP212文献标识码:B文章编号:10021841(200707 0005 02Applicable Desig n of New Type Thermal Con ductivity Sen sor for Gases LIU Dia n- su,WU Yan-SLID,OU Yong(College of Electrical Enon eerillg,Ch ongqing Uni versity,Cho ngqing 400044,Ch inaAbstract:Thermal con duct

3、ivity sen sor for gases is concen trati on sen soy that measure the thermal con ductivity coefficie nt of the 8ain-fled gas differe nt fwm the refere nee gas.The characteristics and con figurati on of a new type thermal con ductivity SellSOr for gases wele in troduced and a s印 al adjust circuit was

4、designed because of faint output sig nal.AppI ying in tegrated chip AM402,the output sis nal of wheatst one bridge was amplified,then convert amplified si乎础 into 020mA current signal which corresp ond to the no rmal in dustrial sta ndards. Fin ally,020mA curre nt sis nal is conv erted voltage sig na

5、l for putt ing the si馨 1al chip microcomputer.Key words:thermal conductivity sensor;呦 8F;AM402;signal Ie 出 circuit1传感器TCS20SF介绍气体热导传感器代S208F是采用先进的MEMS工艺加工技术制备的新一代传 感器件，具有小型化、集成化的特点，可以极大地提高传感器性能u J。可以测量天 然气、c02、c地、He、Xe等成分或含量，可测量非常小的气体容积变化，成本低、 功耗低、温度低，时间常数小,T08圭寸装，抗冲击能力强。气体热导传感器TCS208F包括一个经电、热隔离的带1

6、n矗薄膜的硅片，如 图1所示。薄膜上集成有2个电阻（R小尺砣，用来进行薄膜预热和温度测量。电阻 以及引线都经过钝化处理以免受到气体的腐蚀。整个薄膜都被其上层的带方形槽的硅片所覆盖，该方形槽为热导感测区域。被测气体由薄膜上的横向开口以扩散的方式通过测量区域汜J。图1传感器截面图当具有一定热导率的气体包围整个薄膜时，薄膜将吸收气体的热能并且升高温 度到L.要测量这个温度的变化量 r,必须提供一个稳定的电路以使薄膜温度的变化 量在一定时间 内保持恒定。通常，传感器提供2个以上的电阻（R。1、R也来测 量 和补偿因环境温度的变化而产生的影响。主要技术指标 ：电收稿日期:20061010收修改稿日期:2

7、007 05 一 17阻R面，矗砬（咒=25oC 为 9211511;电阻凰,为 220 27512;RJ（Rllll+R 砬 I x 1,2为 1.131.27;电阻差尺 血一 R砬为一 2.0+2.0Q;温度系数口为4.8 X0 5.9 X0 3? K_1;薄膜加热时 间系数 r。5ms;漂移氐 I 戈 m,t;y 1,2为 0.0010.01(%/周.2信号调理电路的结构设计传感器检测到的微弱信号由测量电桥输出，再送入仪表放 大器进行差分放大，由 于远距离传输的需要，再将电压信号送 入U/I变换器转换成020mA的电流信号，最 后把电流信号再 转换为电压信号送入单片机。信号调理电路结构图

8、如图 2所示。图2信号调理电路结构图3系统各部分的工作原理信号调理电路的电路图如图3所示。3.1惠斯通电桥【3J如图3所示，由TCS208F传感器组成的惠斯通电桥以恒压 方式供电，是不平衡 直流电桥。它的激励电压由U/I变换器芯 片AM402提供。电桥中月1、恐为定值电阻，作为电桥的参考臂。飓为调零 电阻,用来调节电桥 的初始平衡。Rt】+R12为一阶温度补偿电 阻,用来测量和补偿环境温度的影响。 屁。为二阶温度补偿电 阻，它的值是固定的，但值的大小由被测气体确定。R玎d+R 以为薄膜电阻，作为电桥的测量臂，用来测量气体热导率的变化。万方数据6lnstnmlent Teeh nique and

9、 Sen sor图3信号调理电路图在工作初始状态，调节电阻尺3,使电桥处于平衡状态，输出电压 为零在环境温度不变的情况下，当被测混合气体的组分含量发 生变化时，混合气体的 热导率A也随之改变，这时传感器的薄膜电阻RIIII+R砬的阻值也会改变，电桥失去 平衡，在o+与o之间会有一个电压差0,这个电压差就是反应被测气体 热导率变 化的原始电信号，后期硬件和软件的工作都是以此为基础的。该测量电桥自身具备二阶温度补偿功能。只要被测气体的组分含量不发生变化，电桥就是平衡的，即VIN=O。当被测气体的含量发生变化，则电桥失去平衡,%。+ 与0电压差0反应了被测气体的热导率的变化。只要 y州+与y矶一的平

10、均 值在 仪表放大器的共模输入电压的范围内，该电路就可得到正 确的测量结果。3.2集成芯片AM402AM402是专门为处理差分信号开发的一款电压电流转换器，可以输出4。20mA或020mA电流信号。它内部含有4.5。10v可调的高稳定度电压源和宽共模 电压范围的前置放大 器。AM402含有内置极性保护电路、输出过压保护电路和内 置过热保护电路HJ。其内部基本结构如图4所示。ININ6NU SEr图4AIVI402内部结构图3.2.1参考电压设置AM402含有4.510v可调的高稳定度电压源，可供传感 器使用。当13脚VSET 空置时,16脚VREF输出5V参考电压；当13脚接地且工作电压大于等

11、于1I v时,16 脚输出10v参考电压;前面惠斯通电桥使用的是10v的激励电压,所以设置13脚接 地工作电压为24V,16脚连接到电桥。3.2.2仪袁放大器AM402的工作电压为24v,所以仪表放大器的共模电压输 入值高达6V,共模抑 制比为90dB,输入失调电压为mV,输入失调电压漂移为-i-5t-V/。C,输入偏置电流 为8nA.其三线输 出0。20mA电流接线如图3所示。放大器的增益通过10、II、12脚所连接的外部电阻RI,R2设置,计算公式如下：GtA=1+R1/R2且R1与尺2的和不能大于极限参数的最大值（50kO,同时还要 注意输入信号的 极性。3.2.3U/I变换器在电压控制

12、电流输出时，可以通过外接电阻R3和髓来设 置内部参考电压进而 调节偏置电流。最初使用时，为了补偿输 出电流的偏移量，输入必须被短路（。=0。 则此时产生的输 出电流lout=lszr,计算公式如下：,Veer心。5肼一 2%飓+风而输入电流louT的计算公式为louT= %（詈 +Iszr1 U所以仪表放大器的增益GIA可以通过输入电压。和最大输出电流louT一来确 定。最小工作电压依靠参考电压的值来确定。公式为Vcc Var叶1另外，工作电压K的选择依靠负载电阻尺L来确定。最小 工作电压的计算公式 如下：蚝 ,UT。RL+Vcc 血在三线系统中，Vet=Vs.设计中，要求输出0 20mA电流

13、信号,所以7脚SET接地,电阻飓和见不接人,lszr=O。输入信号。的范围为0 250mV,最大输出电流为20mA,由公式lout=VIN 詈+/SEW得,GIA=2。参考电压陆F=10V,负载电阻为120Q，由公式Vcct %。F+1和 vs ,oUr尺L+Vcc血可知,Vs=24V是可行 的。其他外部器件的值如下:Ro=25Q,R 仁22m,R2=22kQ, R5=40Q,C1=2.2 心.Ro,Rl,R2,R5,RL 均使用精密电 阻。4结论此信号调理电路已经应用在基于 GPRS网络的下水道可燃 气体监测系统中。 电路采用电流信号作远距离传输，减少了压 力传感器信号在长线传输过程中的损失

14、 误差，并增强了系统的抗干扰能力。试验和研究表明：该电路采用模块化设计，具有 信号传输稳定性和良好的重复性，能在远距离工业控制实践中 广泛应用。参考文献：1 李学东 涂志伟基于MEMS技术的微型传感器.仪表技术与传感器,2005(9:12.2 GERHARD R,WAGNER.TCS208F product in formation leaflet.Se nsors,Syste nr.&Serviees,Gemumy,2004:2.3 张靖,刘少强.检测技术与系统设计.北京冲国电力出版社,2002.4AM402Data Sheet.A nalog Mieroeleetro nies,Gemum

15、y,1999:8.作者简介：刘殿素 (1981 一，硕士研究生，现从事智能仪器与自动化测试技术的研究。万方数据作者:刘殿素,吴言荪,欧勇,LIU Dian-su, WU Yan-sun, OU Yong作者单位:重庆大学电气工程学院，重庆400044刊名:仪表技术与传感器英文干刊名 INSTRUMENT TECHNIQUE AND SENSOR 年，卷(期:2007(7 被弓|用 次数：4次参考文献(4条1. 李学东;余志伟基于MEMS技术的微型传感器期刊论文卜仪表技术与传感 器 2005(092. GERHARD R WAGNER TCS208F product in formation leaflet 20043.张 靖;刘少强 检测技术与系统设计 20024. AM402 Data Sheet 1999本文读者也读过(2条1. 曾庆喜.王庆.王浩为.ZENG Qi ng-xi. WANG Qi ng. WANG Hao-wei 基于热 导传感器的氢气浓度检测仪的设计期刊论文卜测控技术2008,27(42. 热导传感器TCS208F及其信号调理电路研究期刊论文卜传感器与微系统2009,28(9引证文献(4条1.孙冬梅.刘林.徐海滨基于微流量热导传感器的氢气浓度检测系统研究期刊论文