提高准确性 - 基于SGAS707气体传感器的精确气体监测系统设计

提高准确性

通过使用恒定电压或恒定电流源进行传感器激励，设计人员可以消除R FIXED及其对线性度的影响。另一方面，这些方法呈现出明显不同的设计要求，影响整个系统的要求。对于恒定电压激励，开发人员可以使用简单的模拟前端产生线性对数对数响应（图5）。在这里，输出电压与R SENSOR有一个简单的直接关系：

图5：设计人员可以使用一个电路提供偏置补偿和放大的恒定电压传感器激励，以增加设计复杂性为代价提高精度。（图片来源：Integrated Device Technology）

在恒定电流激励下，V OUT成为R SENSOR和通过其的电流的乘积，使得传感器响应与气体浓度成正比。结果是气体浓度的对数与整个工作范围内的传感器响应的对数之间的完全线性关系。该方法有效地扩展了该范围内的电阻变化，提供了与气体浓度一致的电阻阶跃变化。

与恒定电压法相比，这些优点的代价是复杂度越来越高。与后一种方法一样，恒定电流方法使用运算放大器级来实现基本的驱动器电路。然而，在这种情况下，那些运算放大器级调节添加的MOSFET门以产生所需的激励电流水平。但是，即使设计复杂度越来越高，恒流电路在基于MCU的设计中提供了优势，如下所述。

加热器驱动程序

无论用于传感器激励的方法如何，都需要将金属氧化物材料加热到特定温度以获得最佳结果。对于IDT传感器，SGAS707 VOC传感器的传感器工作温度为150°C，SGAS701氢传感器的传感器工作温度为240°C，SGAS711易燃气体传感器的传感器工作温度为300°C。

与传感器一样，加热器是一个电阻元件，需要恒压或恒流源将其保持在所需的温度。开发人员必须确保加热器驱动电路调节其输出以防止可能改变传感器灵敏度的变化。

对于恒压源，设计人员可以简单地使用传统的线性电压调节器，以满足电压和功率要求。例如，德州仪器 LM317提供了一个合适的解决方案，能够提供每个IDT传感器所需的特定调节输出电平：SGAS707为3.5伏，SGAS701为5.4伏，SGAS711为7.0伏。

只需添加少量附加组件，开发人员就可以使用LM317创建一个能够满足大多数气体传感器应用要求的恒压源（图6）。开发人员可以通过适当选择R2 来将V HEATER设置为所需的电压电平。

图6：设计人员可以使用传统的线性稳压器（如德州仪器LM317）为气体传感器加热器创建合适的恒压源。（图片来源：Integrated Device Technology）

尽管如此，该解决方案相对简单，但由于环境温度的变化或电路组件的变化，使得应用暴露于测量不准确的情况。

例如，之前提到的目标加热器电压电平对应于在环境温度为0°C的环境中工作的传感器所需的电平。所需的加热器电压与温度成反比关系，如图7所示。未能调节加热器电压以补偿环境温度的变化将影响传感器灵敏度和气体测量精度。

图7：对于每个IDT气体传感器，所需的传感器加热器电压随着环境温度的变化以相同的速率变化，但是每种传感器类型都需要一个特定的偏移量：5.5伏，如SGAS701所示，SGAS707为3.8伏， SGAS711为7.2伏特。（图片来源：Integrated Device Technology）

开发人员可以使用图6所示的简单线性稳压器电路，增加反馈来追踪加热器功率和温度。然而，设计师可以选择使用恒流源的更简单的解决方案，而不是处理相关的复杂问题。

与恒定电流传感器激励一样，恒定电流加热器电路提供更灵活的解决方案。IDT提供了一个示意图，演示传感器激励和加热器控制使用恒流电路（图8）。

图8：IDT演示了为传感器和加热器提供恒定电流源的电路，在其SMOD7xx评估板中使用相同的模拟设计。（图片来源：Integrated Device Technology）

对于恒定电流传感器激励（图8，顶部），IDT结合了一对凌力尔特 LTC6081精密运算放大器，每个驱动一个Diodes公司的 DMC2700高效率MOSFET，最终使用TI OPA2376AIDGKR低噪声运算放大器提供传感器电压。

传感器加热器电路采用类似的方法，但采用德州仪器的LPV511运算放大器，可以适应电路的9伏电源（图8，底部）。

两个电路都依靠输入电压来设置电流水平，这在典型的基于MCU的传感器系统中提供了显着的优势（图9）。

图9：恒流电路对基于MCU的传感器系统特别有效。MCU可以使用数模转换器（DAC）以编程方式控制传感器和加热器电压，并监视加热器电压并使用模数转换器（ADC）测量传感器输出电压。（图片来源：Integrated Device Technology）