化學電阻傳感器提供一個低成本的測量應用在工業控制、暖通空調系統的各種氣體的濃度，以及健康和安全。由於它們依賴於加熱元件，所以開發人員面臨着確保傳感器電阻精確測量的挑戰，同時還要控制加熱元件以維持適當的溫度。
對於這兩個需求，開發人員可以利用各種技術來平衡設計複雜度和測量精度。
本文綜述了化學電阻傳感器及其在各種應用中的作用的性質。然後介紹了傳感器來檢測氣體傳感器設備集成設備技術(IDT)專注於使用這些傳感器的要求，以及模擬設計方案支持他們的操作。
最後，描述了一種基於MCU的通用設計方法，並介紹了用於評估和開發氣敏傳感器設計的相關板和軟件。
化學電阻傳感器
定性檢測和定量測量在專業化和更普遍的應用中越來越重要。甲烷探測器在採礦作業中提供了重要的警告，氫氣測量可以提醒用戶電池的問題，精確的氣體傳感器可以作爲醫療應用中的“電子鼻”。在住宅和商業建築中，監測各種氣體的水平可以警告有毒煙霧的使用者，並提供火災預警。
現有氣體傳感器中，傳感器來檢測金屬氧化物傳感器提供一個具有成本效益的解決方案，甚至能在嚴酷的應用提供可靠的結果。在這些傳感器中，空氣中氣體分子濃度的變化導致傳感器電阻的變化。這種電阻的變化可以在傳感器的工作範圍內達到幾個數量級。這種傳感器電阻(RS)與氣體濃度c之間的關係用一個簡單的方程表示，它只包含兩個附加常數因子：α和α。
方程1
或以同等形式寫成的：
方程2
方程2顯示了氣體濃度測井曲線與傳感器電阻對數之間的線性關係。從實際意義上講，方程表明，這些傳感器在低濃度下表現出快速的電阻變化，但在高濃度下的變化要慢得多(圖1)。
IDT的sgas701氫傳感器圖呈現線性對數關係阻力和氣體濃度傳感器
圖1：化學電阻傳感器如IDT的sgas701氫氣傳感器具有線性對數關係之間的傳感器電阻和氣體濃度，但支持電路可導致測量結果的非線性。(圖像來源：集成設備技術)
從IDT一套化學電阻傳感器可以提供範圍廣泛的氣體，包括精確的測量：
氫，採用IDT sgas701傳感器
揮發性有機化合物(VOCs)包括甲醛、甲苯、丙酮、醇類、使用sgas707傳感器
可燃氣體，包括烴類、甲烷、丙烷、天然氣，使用sgas711傳感器
隨着傳感器元件，IDT的四針設備集成電阻元件加熱傳感器到最佳的測量溫度。
對於開發人員來說，挑戰在於確保傳感器電阻的精確測量，同時保持加熱元件處於適當的溫度。對於這兩個需求，開發人員可以利用各種技術來平衡設計複雜度和測量精度。
模擬前端實現的考慮
作爲一個電阻裝置，一個化學電阻傳感器需要一個適當的勵磁電源測量電阻的變化由於瓦斯濃度的變化。與任何此類設備一樣，開發人員可以使用不同的方法來測量傳感器電阻(RS)，包括：
把傳感器放在一個簡單的分壓器中
用恆壓源驅動裝置
恆流源驅動裝置
對於開發人員來說，每種方法的適用性取決於應用程序對設計簡單性和測量質量的要求。例如，通過測量RS作爲簡單電壓分壓器的一部分，開發人員可以創建最簡單的解決方案(圖2)。然而，根據應用程序的要求，這種方法固有的測量限制可能過於嚴格。
分壓器配置圖提供了最簡單的化學電阻傳感器的設計
圖2：分壓器配置提供了最簡單的化學電阻傳感器的設計，但有侷限性，達不到要求的氣體濃度的精確測量的應用要求。(圖像來源：集成設備技術)
在任何電壓分壓器，測量輸出VOUT無法達到供應的價值，Vbias(VC中的圖2)。電阻網絡的限制輸出電壓VBIAS根據部分：
方程3
由於傳感器的反應來看，rfixed /(rfixed + RS)，VOUT / VBIAS不能達成統一。開發商仍然可以設置rfixed電阻值實現躺傳感器的基準值之間的有用的電壓範圍(考慮在空氣中測量的值)在百萬分之1000和傳感器的全面響應(PPM)(圖3)。
|
圖3：開發商可以實現所需的各種反應之間的全面響應和基線反應(在空氣中)使用不同的值rfixed在設計使用一個3.3伏的電源(如VC VBIAS，圖2)。(圖像來源：集成設備技術)
另一個限制來自於這種方法中的非線性。通過將方程1和3重構成：
方程4
在低氣體濃度在RS(即一個Cα)占主導地位rfixed，傳感器的響應特性和氣體濃度保持線性對數關係。在較高的氣體濃度在rfixed主導RS，這種線性關係失去了作爲氣體濃度的增加，反應步驟的變化變小(圖4)。
圖rfixed開始在分壓器配置控制
圖4：rfixed開始在分壓器配置占主導地位，導致非線性的對數關係和氣體濃度傳感器的響應。(圖像來源：集成設備技術)
不幸的是，開發商沒有好的選擇在解決非線性和rscannot因爲rfixed貢獻在結果分化。因此，這種方法更適合於氣體檢測的應用，而不是精確的定量測量。對於這些檢測應用程序，開發人員只需使用一個模擬比較器設置在一個固定的電壓電平上切換，該電壓電平對應於給定氣體濃度的閾值。
提高精度
採用恆壓或恆流源的傳感器勵磁，設計者可以消除rfixed和線性度的影響。另一方面，這些方法呈現出不同的設計需求，影響整個系統需求。對於恆定電壓勵磁，開發人員可以使用一個簡單的模擬前端產生線性對數響應(圖5)。在這裏，輸出電壓有一個簡單的，直接關係到rsensor：
方程5
帶偏置補償和放大的恆壓傳感器激勵電路
圖5：設計人員可以使用一個電路提供恆定電壓傳感器勵磁與偏移補償和放大，提高精度的成本增加了設計的複雜性。(圖像來源：集成設備技術)
與恆定電流，VOUT成爲rsensor和通過它的電流的產品，使傳感器的反應氣體濃度成正比。其結果是氣體濃度對數與傳感器響應在整個工作範圍內的對數呈完全線性關係。這種方法有效地擴展了在這個範圍內的電阻變化，提供了更一致的步驟變化的阻力與氣體濃度。
與恆定電壓法相比，這些優點是以增量的複雜性爲代價的。與後一種方法一樣，恆流方法使用運放級來實現基本驅動電路。然而，在這種情況下，那些運放級調節MOSFET柵極增加了所需的勵磁電流水平。然而，隨着設計複雜度的不斷增加，恆流電路在基於MCU的設計中提供了優勢，如下所示。
加熱器驅動
不管傳感器激發使用的方法，金屬氧化物材料需要加熱到一個特定的溫度以獲得最佳結果。對於IDT的傳感器，傳感器的工作溫度是150°C爲sgas707 VOC傳感器，240°C爲sgas701氫傳感器，和300°C爲sgas711可燃氣體傳感器。
與傳感器一樣，加熱器是一個電阻元件，需要恆壓或恆流源使其保持在所需的溫度。開發人員必須確保加熱器驅動電路調節其輸出，以防止改變傳感器靈敏度的變化。
對於恆定電壓源，設計者可以簡單地使用傳統的線性電壓調節器，以滿足電壓和功率的要求。例如，德克薩斯儀器LM317提供了合適的解決方案，其提供的具體調節輸出電平爲每個IDT傳感器要求能力：3.5伏的sgas707，5.4伏和7伏的sgas701，爲sgas711。
只有很少的附加組件，開發人員可以使用LM317創造一個能夠滿足氣體傳感器中的應用大多數要求恆定電壓源(圖6)。開發者可以爲所需的電壓水平集通過適當選取R2 vheater。
德克薩斯儀器常規線性穩壓器LM317圖
圖6：設計師可以使用傳統的線性穩壓器，如德克薩斯儀器LM317創造合適的恆定電壓源用於氣體傳感器的加熱器。(圖像來源：集成設備技術)
該解決方案的相對簡單性使應用程序暴露在由於環境溫度的變化或電路組件的變化而導致的測量不準確上。
例如，前面提到的目標加熱器電壓水平對應於在環境溫度爲0°C的環境中工作的傳感器所需的水平，所需的加熱器電壓與溫度成反比關係，如圖7所示。未能調整加熱器電壓以補償環境溫度的變化將損害傳感器靈敏度和氣體測量精度。
所需加熱器電壓圖與溫度成反比關係。
圖7：每個IDT的氣體傳感器，要求傳感器加熱電壓的變化與環境溫度的變化率相同，但每個傳感器類型需要特定的偏移量：5.5伏特的電壓，如圖所示的sgas701，3.8伏和7.2伏的sgas707，爲sgas711。(圖像來源：集成設備技術)
開發人員可以建立在圖6所示的簡單線性穩壓器電路上，增加反饋以跟蹤加熱器功率和溫度。然而，設計者們可以選擇恆流源來選擇更簡單的解決方案，而不是處理相關的複雜問題。
由於恆流傳感器勵磁的情況下，恆流加熱器電路提供了更靈活的解決方案。IDT提供了一個示意圖，演示了用於傳感器勵磁和加熱器控制的恆流電路的使用(圖8)。
IDT示意圖演示電路(單擊放大)
圖8：IDT演示電路的傳感器和加熱器提供恆定的電流源，在itssmod7xx評估板使用相同的模擬設計。(圖像來源：集成設備技術)
恆電流傳感器勵磁(圖8，上)，IDT將一對線性技術ltc6081精密運算放大器，每一個二極管將dmc2700 MOSFET的驅動，最後把傳感器電壓使用tiopa2376aidgkr低噪聲運算放大器。
傳感器的加熱電路採用了類似的方法，但採用德克薩斯儀器LPV511運算放大器能夠容納電路的9伏的電源(圖8，下)。
這兩個電路都依賴於輸入電壓來設置當前電平，這在典型的基於MCU的傳感器系統中提供了顯著優勢(圖9)。
恆流電路圖對基於MCU的傳感器系統特別有效。
圖9：恆流電路對基於MCU的傳感器系統特別有效。單片機的可編程控制傳感器和加熱器電壓採用數字模擬轉換器(DAC)以及監控加熱電壓和測量傳感器的輸出電壓通過模數轉換器(ADC)。(圖像來源：集成設備技術)
用單片機模擬轉換器的數字控制(DAC)，開發者可以響應不斷變化的條件下以編程方式設置所需要的控制電流水平傳感器和加熱器。同樣的，開發者可以使用單片機和模數轉換器(ADC)，讀取傳感器的輸出進行所需的任何調節或補償，並通過結果的應用。
對於加熱器，開發人員可以測量加熱器電壓輸出，並在軟件反饋迴路中使用該結果，以使加熱器溫度保持在與特定傳感器和環境溫度相適應的水平。
IDT利用這一雙重恆流電路設計，在其smod7xx示範包sgas701(smod701kitv1)，sgas707(smod707kitv1)，和sgas711(smod711kitv1)。旨在促進該sgas7xx傳感器的評價，smod7xx板結合恆流電路與相應的傳感器，TI msp430i2021單片機，並支持電路。
設計與smodxx板的工作，一個單獨的SMOD應用軟件程序(需要註冊)允許開發人員立即開始探索氣體傳感應用場景。通過smodxx板的傳感器所需的氣體濃度，開發人員可以使用軟件程序，直接查看SMOD傳感器電阻的變化和不同的氣體濃度應用響應的焦點(圖10)。
IDT SMOD的應用軟件程序的圖像
圖10：用於與smod7xx板組合，IDT SMOD應用軟件程序允許開發者查看針對不同的使用場景的傳感器電阻的變化。(圖像來源：集成設備技術)
組合的smod7xx工具包和SMOD軟件包對實際應用中的氣體傳感器的性能提供了一個重要的工具。在工業環境下沐浴在氣體種類多，氣體傳感器可以提供意想不到的結果粗心的開發人員。雖然每個化學電阻傳感器設計反映優化特定類型的氣體，存在不同的氣體可以妥協的結果。
例如，雖然氫氣傳感器響應的優化，sgas701其他類型的氣體，包括最佳檢測使用sgas707 VOC傳感器和sgas711可燃氣體傳感器(圖11)。此外，溼度和其他環境條件會產生傳感器響應的系統變化。使用IDT開發工具，開發人員可以在他們的氣體傳感器系統最終設計之前發現影響他們應用程序的因素。
IDT sgas701氫氣傳感器的靈敏度圖
圖11：氣體傳感器通常表現出不同程度的敏感性，其他類型的氣體，如下圖所示的sgas701氫氣體傳感器，氣體傳感器設計暴露在這樣的環境要求適當的補償或校正。(圖像來源：集成設備技術)
結論
在各種各樣的應用中，測量不同氣體濃度的能力是一個日益重要的特徵。低成本的化學電阻傳感器從公司如IDT提供現成的解決方案，但需要以精心的電路設計，解決這些設備的特殊要求。
使用各種技術，設計師可以創建氣體傳感設計，平衡電路的複雜性和測量精度，以滿足他們自己的應用程序的獨特要求。
