新型气体热导传感器及其应用设计重点

2007芷第7期

仪表技术与传感器

Insmtment Technique and Sensor

2007 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,重庆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:1002—1841(200707—0005—02

Applicable Design of New Type Thermal Conductivity Sensor for Gases LIU Dian-su,WU Yan-SLID,OU Yong

(College of Electrical EnoneeriIlg,Chongqing University,Chongqing 400044,China

Abstract:Thermal conductivity sensor for gases is concentration sensoy that measure the thermal conductivity coefficient of the 8ain-fled gas different fwm the reference

gas.The characteristics and configuration of a new type thermal conductivity SellSOr for gases wel'e in— troduced and a si印al adjust circuit was designed because of faint output signal.Applying integrated chip AM402,the output sisnal of wheatstone bridge was amplified,then convert amplified si乎础into 0—20mA current signal which correspond to the normal industrial standards.Finally,0~20mA current sisnal is converted voltage signal for putting the si馨1al chip microcomputer.

Key words:thermal conductivity sensor;呦8F;AM402;signal Ie出circuit

1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封装,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—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:2006—10—10收修改稿日期:2007—05一17 阻R面,矗砬(咒=25oC 为92~11511;电阻凰,%为220~ 27512;RJ(Rllll+R砬I x∈{1,2}为1.13~1.27;电阻差尺

血一 R砬为一2.0~+2.0Q;温度系数口为4.8×10一一5.9×10—3・ K_1;薄膜加热时间系数r。<5ms;漂移氐I戈∈{m,t};y∈{1, 2}为0.001~0.01(%/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0~20mA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

6Instnmlent Teehnique and Sensor

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。