氮氧化物检测传感器信号处理装置设计

沈阳航天新光集团有限公司 韩 冬

氮氧化物检测传感器信号处理装置设计

沈阳航天新光集团有限公司 韩 冬

本文主要介绍了氮氧化物传感器原理，详细介绍了如何对到氧化物传感器产生的弱电流电压信号进行检测及检测电路的设计方法。

氮氧化物；传感器；弱电流检测

1.引言

氮氧化物NOx ( NO和NO2)作为大气污染中的主要气体，大多是由燃料(煤、燃料油)燃烧，汽车尾气，化工过程产生的。NOx不仅能破坏臭氧层，转化成酸雨，且在阳光下易与碳氢化合物或挥发性有机物(VOC)作用，引起呼吸道疾病，严重威胁着人类的生存与健康。不少国家已经立法对NOx的排放进行严格控制，因此对NOx的浓度进行定量监测与控制十分重要[1]。

本方案氮氧化物含量检测传感器设计原理是：在催化剂作用下，氮氧化物可以与电极进行一系列电化学反应，且氮氧化物浓度越高，反应越剧烈，电极间的电流或者电压就会越大，通过对测量电流（电压）值与氮氧化物实际浓度之间的关系进行标定、得到拟合曲线与拟合函数，通过测量流经电极间的电流或电压值的大小，即可定量测得氮氧化物气体浓度。

2.信号处理装置硬件设计

2.1 传感器输出电压信号

因传感器探头实际输出电压值过小，需先通过放大器（例如AD620）将电压信号按一定比例进行放大，再通过DSP芯片的AD转换模块，测量出电压值大小，最后在DSP控制程序中除以相应比例，即可得到实际电压值。

测量方案：

传感器输出的电压值一般较小，需要经过放大电路放大后再传给DSP进行处理，拟定选择AD620放大器对传感器输出信号进行放大。AD620性能指标如表1所示：

表1 AD620性能指标

放大电路以仪表放大器AD620为核心，如图1所示。直流电桥输出的差分信号由插座J1 输入，经过由R1，R2，C1，C2，C3构成的抗射频干扰的低通滤波电路削弱干扰信号之后到达仪表放大器AD620。D1, D2和R1, R2 一起构成了检流计的输入保护电路，可以承受数十伏的输入电压。R3，R4为AD620的输入偏置电流提供回路，确保它能稳定可靠地工作。AD620的第1脚和第8脚之间的电阻R0和电位器RP1为增益调节电阻，记为RG。R0与RP1串联，目的是限制放大倍数的上限为495倍。电位器RP2和R5，R6一起构成了检流计的调零电路，通过改变AD620的REF引脚的电压实现调零。R7，C7组成了AD620的输出低通滤波器。R7，D3，D4构成了电压输出的保护电路。

放大器增益计算公式为G=(49.4K/RG)+1调节电阻RG = R0 + RP1，取R0 =100Ω，R7 = 1kΩ，当RP1为0时，AD620 的放大倍数G=49.4KΩ/ RG+1=49400/100+1=495，可通过调节RP1和R0来调节放大倍数，将输入信号进行放大，经过放大后的信号输入给DSP的A/D转换引脚，测量出相应电压，再除以放大倍数即可得到需要测量大小。

2.2 传感器输出电流信号

图1 AD460放大器控制电路

通过ICL7650斩波稳零放大器芯片并结合外围电路来进行测量。

测量方案：

要测量微电流、电压，除了选择高性能运放以补，外围电路设计也是成败的关键。

一个理想的运算放大器，当输入电压为零时，输出电压也应为零（未加调零的情况下）。但实际上它的差分输入级很难做到完全对称，通常在输入电压为零的情况下，存在一定的输出电压。输入电压为零时，为使运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压即为失调电压，失调电压大小一般为（1～10）mV.

放大器输出电压大小随着温度的变化而改变。这种现象成为温度漂移。

在BJT集成运放电路中，由于制造工艺，两个输入端是不对称的，输入的不对称性意味着两个偏置电流几乎总是不相等的，这两个偏置电流之差为失调电流，输入失调电流（Offset Current）是指两个差分输入端偏置电流的误差，即当输出电压为零时流入放大器两输入端的静态基级电流之差。由于信号源内阻的存在，失调电流会引起一输入电压，经放大器放大后破坏放大器的平衡，使放大器输出电压不为零。失调电流一般为1nA～0.1mA.

想要测量弱电流、电压信号，能否尽有效地减小失调电流，失调电压，温度漂移带来的影响，成为电路设计中的关键因素，决定该电路测量是否准确。

此处采用ICL7650，并设计外围电路，通过电流之间的算法关系，能够最大限度的消除失调电流，失调电压，温度漂移带来的影响。

图2 弱电流检测电路

具体电路设计如图2所示。通过一个继电器控制K1-1和K1-2的通断，通过相应计算得到两个放大公式，因为采用单片芯片，电路切换前后失调电流，失调电压，温度漂移等参数是一样的，通过两个等式做差的形式来消除失调电流，失调电压，温度漂移带来的影响。电阻采用宽温度范围（-65℃～75℃）的高精度（正负0.02%）军工级可靠精密的金属膜电阻。

设继电器切换之前失调电流，失调电压，温度漂移引起的电压变化经放大到输出端为：

ΔU1，忽略失调、温度漂移影响输出端的电压，经计算得到的理想输出电压为为U1,由DSP的A/D采样端口测量值为U1’，继电器切换之后相应的参数设为ΔU2、U2、U2’。

则有如下关系式U1’= U1+ΔU1，U2’= U2+ΔU2，因为继电器切换前后用于计算、测量的芯片并未发生变化，所以ΔU1=ΔU2。通过电路算法计算，并将两等式做差，即可消除失调电流，失调电压，温度漂移引起的电压变化，并得到所测量电流的值[2]。

经放大器放大后的电压接入到DSP的A/D采样引脚，本设计采用TMS320F2808作为核心控制芯片，电源转换采用LM-9036DTX-5.0将24V转成5V，再通过TPS767D318将5V转换成3.3V和1.8V。DSP具有丰富的外设引脚和控制功能。TMS320F2808DSP的A/D转换模块具有16个通道12位分辨率和流水线结构，16个通道可以级联成一个16通道模块，完成过采样算法。

3.测量结果软件滤波

为使测量结果更精确，需要对测量结果进行软件滤波。软件滤波是智能传感器、仪器仪表所独有的,可对包括频率很低(如0.01Hz)的干扰信号在内的各种干扰信号进行滤波,而且一个数字滤波程序能为多个输入通道共用。常用的软件滤波方法有：

1）平均值滤波,即把M次采样的平均值作为滤波器的输出,也可以根据需要增加新釆样值的比重,形成加权平均值滤波；

2）中值滤波,即把M次连续采样值进行排序,取其中位值作为滤波器的输出,这种方法对缓变过程的脉冲干扰滤波效果良好；

3）限幅滤波,这种方法是根据采样周期和真实信号的正常变化率确定相邻两次采样的最大可能差值△,将本次采样和上次采样的差值小于等于A的信号认为是有效信号,大于A的信号作为噪声处理；

4）惯性滤波,此乃模拟RC滤波器的数字实现,适用于波动频繁的有效信号。滤波后,对自带AD转换模块采集到的数据进行相应处理。应用数据采集卡采集到的较精确数据确定出力和电压之间的关系在DSP内部利用math函数库实现信号之间的转换。

软件滤波可以通过对DSP核心控制芯片编写相应程序来实现，可通过程序进行测试，来确定哪种滤波方式误差更小，进而选用该种软件滤波方法[3]。

4.对气体浓度与电流电压值大小进行标定

新研制或者生产的传感器需要对其技术性能进行全面的检定，以确定其基本的静、动态特性，包括灵敏度、重复性、非线性、迟滞、精度及固有频率等。

例如，对于氮氧化物含量检测传感器，在检测到氮氧化物含量后输出电荷信号，但是，氮氧化物多大的浓度，对应产生多少电荷呢？换句话说，们只是测出了一定的电荷大小，如何通过其确定氮氧化物的浓度呢？这个问题只靠传感器是无法确定的，必须依靠专用的标准设备来确定传感器的输入-输出关系。

具体方法为：通过购买测量精度较高的氮氧化物传感器测得实际的氮氧化物浓度，通过自主制作的电路板连接自主制作的氮氧化物浓度测量探头，用自主设计的电路板测量出相应的电流值/电压值大小，得到一组电流值/电压值与标准探头测得的氮氧化物实际浓度的对应关系。不断提高氮氧化物浓度，测量多组数据，通过MATLAB软件将多组数据进行插值拟合，得到相应的拟合曲线和拟合函数，即可根据该拟合函数和拟合曲线测得该范围内不同测量电流/电压下的对应的氮氧化物浓度值。

5.LCD显示电路

工业现场需要实时的将测量结果显示出来，为此，主控制板上配备了一个192列、64行的全屏幕点阵显示器。它主要基于动态驱动原理设计，由行驱动器和列驱动器两部分构成的，显示器采用COB的软封装方式，通过导电橡胶和压框连接LCD，使其连接更加可靠，寿命更长。

主要功能特性[3]：

（1）工作电压的波动范围为+3V～+5V±10%，本身带有用于驱动LCD需要的负电压；

（2）全屏图形点阵液晶板，点阵数为192（列）×64（行），可显示12（行）×4（行）个汉字（16×16点阵），液晶内部含有数据锁存器，可完成字符和图形的显示；

（3）含有8位并行数据总线用于输入输出，液晶的CPU接口处占用5条控制总线；

（4）简单的操作指令，显示开关设置，地址指针设置，显示起始行设置和数据读/写等指令。

图3所示为液晶显示的硬件原理图。

图3 LCD原理图

该图形显示液晶模块的访问方式主要有两种：一种为直接访问方式，另一种为间接控制方式。直接方式利用处理器的读写线相与的方式来实现使能端的控制，而间接方式直接使用一根I/O线就可以实现控制数据传输的使能。因此本设计采用节省资源的间接控制的方式。

6.结语

本文介绍了氮氧化物传感器的设计方法，详细介绍了如何对氮氧化物传感器产生的弱电流信号、弱电压信号进行检测，以及如何对采集信号进行偏移量校正、软件滤波以提高转换精度。介绍了对气体浓度与电流电压值大小进行标定的方法，最后介绍了如何使用LCD液晶显示屏对测得的电流电压、浓度值等参数进行显示。

[1]贾伯年,俞朴主编．传感器技术[M]．南京:东南大学出版社,1992．

[2]代君兰．钢水连续测温信号处理器的研究与设计[D]．沈阳:东北大学,2012．

[3]Baojie J．,Shaolong J．,Chunhui Z．GPRS-based data real-time transmission system of water-quality monitoring[C]．2011 International Conference of Communications and Control (ICECC), Ningbo,2011,2072-2075．

[4]祝诗平,李鸿征,朱杰斌．传感器与检测技术[M]．北京:北京大学出版社,2006．

韩冬（1987—），辽宁开原人，硕士研究生，毕业于东北大学控制工程专业，专业方向为嵌入式软硬件设计，现供职于沈阳航天新光集团有限公司。