基于AD538非线性补偿的氯气探测器

　　0　引言

　　目前,能够检测氯气的气体传感器种类很多,研究较多的有电化学传感器、半导体气敏传感器和光纤化学传感器。其中半导体气敏传感器应用最广泛,这类传感器是全固态的,寿命长,使用过程中衰减小,构造与电路简单易于工业化生产[1],故采新型材料In2O3研制的半导体氯气传感器为检测器件,研制出实用性强的气体探测器,并详细论述了这种敏感元件的信号处理与非线性补偿电路的设计方法。

　　1　传感器的选择及其工作特性

　　氯气气体传感器探头采用自主研发的电阻式半导体气敏传感器。此类传感器灵敏度高,响应时间和恢复时间都很短。其导电机理是:由于敏感物质表面或粒子边界吸附了氯气,而被吸附了的氯气可捕捉自由电子,使敏感物质的电阻增加,从而可根据阻值的变化得到氯气的浓度[2]。其灵敏度(气敏元件在空气中的阻值与在被测气体中的阻值之比)随气体浓度变化的特性曲线如图1所示。在0~5×10-4体积分数范围内的变化规律近似为双对数曲线,即

性决定,对于稳定性高的气敏传感器,此值是与元件特性及测试条件有关的常数,可根据气敏元件的测试数据利用最小二乘法原理求出。

　　由此得出Cl2浓度与敏感元件的阻值成幂函数关系,这种非线性程度会直接影响检测仪器的精度与准确度,因此,对探头的线性化程度是探测器设计的重要指标之一。

　　2　信号处理电路设计

　　硬件电路的基本框图如图2所示。

　　气敏元件的电阻信号通过R-V变换电路转化为电压信号,由于气敏元件的非线性特性导致输出电压与浓度成非线性关系,在此采用了开环式非线性补偿法,即在R-V变换电路后串接一个相应的补偿环节实现电路线性化。探测器的零点为1 V,即要求气体浓度为0×10-6时,输出电压为1 V,此功能由零点调整电路实现。具体设计如下:

　　2. 1　R-V变换电路

　　信号源为两端口的敏感电阻Rx,采集时将其接在运算放大器的反馈回路上,使输出量正比于电阻Rx,如图3所示。

　　2. 2　非线性补偿

　　传感器的拟合曲线为如图1所示的非线性曲线,实际函数经R-V变换后如式(4)所示,若能求出其反函数,则2个函数(曲线)的代数叠加就能获得标准的校正直线[3]。式(4)的反函数为：

　　由此可见,将线性化电路设计成具有上式关系的幂指数运算电路,即可获线性输出电压,实时模拟计算芯片AD538即可实现这种运算。

　　AD538是可以进行模拟乘法、除法和指数运算的单片实时模拟运算元件,具有低输入-输出失调电压,在宽的动态范围内具有优秀的线性度及准确的运算精度[3]。增加AD538对数比放大器部分的增益或将对数比部分的输出经电阻分压衰减后输入给反对数部分,可获得转换函数: