高精密熱導(dǎo)傳感器檢測精度的改善方法研究?

黃 俊

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 株洲 412001）

1 引言

區(qū)別于熱電堆探測器，在檢測氫氣、氮氣、氬氣等雙原子分析氣體時，熱導(dǎo)傳感器得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是當(dāng)前熱導(dǎo)傳感器的熱導(dǎo)池還存在諸多問題：靈敏度低、環(huán)境溫度補償困難、溫漂和取樣誤差大等［1～3］。中國礦業(yè)大學(xué)黃為勇等提出了恒溫檢測方法，并通過實驗表明有了一定的改善；東南大學(xué)的曾慶喜等設(shè)計了超溫恒定電路來改善測量精度，取得了較好的效果，但是在改善過程中僅考慮環(huán)境溫度補償以及零點漂移問題，對熱導(dǎo)池的精度以及取樣誤差并沒有做進(jìn)一步的改進(jìn)，基于此，本文針對熱導(dǎo)傳感器設(shè)計過程中存在的這些問題進(jìn)行了分析研究，并提出了具體的改善方法并完成了相應(yīng)的設(shè)計［4］。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計與熱導(dǎo)池

整個系統(tǒng)主要由熱導(dǎo)池、信號放大與調(diào)理電路、MCU控制中心等構(gòu)成。恒流源為熱導(dǎo)池提供穩(wěn)定的電流，設(shè)計初衷是減小因為電流源的波動帶來的誤差；而信號放大與調(diào)理電路主要包括放大與濾波以及信號的選頻處理；MCU控制處理中心主要是通過軟件算法對信號進(jìn)行濾波處理等。整個信號采集與處理的過程均在高精密恒溫密封箱體中進(jìn)行。系統(tǒng)的整體設(shè)計框圖如圖1所示。熱導(dǎo)池結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

圖2 熱導(dǎo)池示意圖

3 氣路的改進(jìn)設(shè)計

中國礦業(yè)大學(xué)黃為勇和東南大學(xué)的曾慶喜等設(shè)計的熱導(dǎo)池檢測電路中，對于進(jìn)氣與排氣的設(shè)計部分沒有做出具體的說明，只采用文字的方式描述為同等氣體樣品，但是在實際測量過程中，如何實現(xiàn)同等氣體樣品是一個非常困難的問題，如果氣體樣品本身就存在較大差異，測量的結(jié)果必然誤差大。同時還存在同等體積下，如果氣體混合不均勻，檢測的結(jié)果具有隨機(jī)性，給檢測設(shè)備帶來隨機(jī)誤差。

根據(jù)以上分析，本設(shè)計創(chuàng)新性的采用平面六通閥和定量閥以及長管氣路設(shè)計的方式。進(jìn)氣、檢測和排氣設(shè)計在同一個平面六通閥中，定量閥確定被測樣品氣體體積，確保每次測量的體積保證高度一致，此外，被測氣體在長管中能充分的混合均勻，避免了由于濃度具有隨機(jī)性而帶來的誤差，從源頭解決了人為確定被測樣體積與濃度不均帶來的精度誤差。

氣路設(shè)計如圖3所示。

圖3 氣路連接圖

4 熱導(dǎo)池改進(jìn)設(shè)計

熱導(dǎo)池中的熱敏元件選用錸鎢絲。其改進(jìn)設(shè)計示意圖如圖2所示。

測量原理是測量臂根據(jù)樣品的濃度變化，測量臂的錸鎢絲的阻值會發(fā)生對應(yīng)的變化，從而測量出與氣體濃度對應(yīng)的電壓信號，濃度不同，對應(yīng)的電壓信號不同，從而實現(xiàn)濃度測量。

在本設(shè)計中參照原來的設(shè)計，進(jìn)行了以下兩處改進(jìn)：

1）設(shè)計了參考臂。參考臂的設(shè)計是將其密封在氫氣中，氫氣的熱導(dǎo)率和空氣一致，且可以防止氧化，參考臂的存在主要是為測量臂提供一個測量標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)已知測未知，在測量中找到參照點，使測到的數(shù)據(jù)更有說服力，更加精確。

2）池體材料選用不銹鋼316L管，而且內(nèi)部采用高精度鍍金工藝。主要解決兩個問題，其一是不銹鋼316L管熱傳導(dǎo)性能好、熱容小且表面形成氧化膜后防腐性能好，受氣流的波動影響更??；其二是采用高精度鍍金工藝，大幅度降低了由于金屬管中平滑度不夠帶來的漫反射而造成的誤差。這個問題甚至具有決定性的作用，如果選擇的金屬管平滑度不夠，可能造成無法挽回的誤差干擾。

5 高精密壓控恒流源的改進(jìn)設(shè)計

熱導(dǎo)池恒流源的設(shè)計至關(guān)重要，可以從源頭減小電壓波動帶來的誤差。本設(shè)計中采用壓控恒流源，它的功能是用電壓來控制電流的變化。電路如圖4所示。

圖4 壓控恒流源原理圖

電路中調(diào)整管采用大功率場效應(yīng)管IRF640。采用場效應(yīng)管，更易于實現(xiàn)電壓線性控制電流，當(dāng)場效應(yīng)管工作于飽和區(qū)時，漏電流Id近似為電壓Ugs控制的電流。即當(dāng)Ud為常數(shù)時，滿足：Id=f(Ugs)，只要Ugs不變，Id就保持不變。R2為取樣電阻，運放采用OP-07作為電壓跟隨器，因此UI=UP=Un，場效應(yīng)管 Id=Is（柵極電流相對很小，可忽略不計）所以正因為電路輸入電壓U控制電流I，即I不隨IooRL的變化而變化，從而實現(xiàn)壓控恒流。

6 高精密恒溫系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計

本系統(tǒng)的熱導(dǎo)池和信號檢測均處在一個恒溫密封箱體中，溫度的控制非常重要，檢測橋臂本身就是通過溫度的改變來達(dá)到改變錸鎢絲阻值而實現(xiàn)檢測的。中國礦業(yè)大學(xué)黃為勇和東南大學(xué)的曾慶喜等人設(shè)計的熱導(dǎo)池檢測方法中，就采用了恒溫檢測的方法，但其中存在兩個較大的缺陷，其一是恒溫控制的控溫點幾乎與室溫相同，熱導(dǎo)池周圍遇到較大溫度改變時，容易受到干擾，容易造成隨機(jī)誤差。其二是控溫精度在±1℃左右，精度不高。

因此，本系統(tǒng)設(shè)計時，將恒溫控溫點設(shè)置在高于室溫的48℃。一是在這個溫度下，對于腔體內(nèi)的器件不存在較大影響，二是在這個溫度下，熱導(dǎo)池周圍一般的溫度變化在此溫度下的影響會根據(jù)比例下降。在熱導(dǎo)池腔體中，設(shè)計有加熱片和風(fēng)扇，風(fēng)路采用迂回形式，使得整個系統(tǒng)中的溫度更加均勻。最終的控制結(jié)果如圖5所示。控溫精度達(dá)到±0.1℃，比之前提高近10倍。

圖5 溫度采集與A/D轉(zhuǎn)換模塊

7 系統(tǒng)軟件設(shè)計

7.1 系統(tǒng)整體軟件流程

系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計流程主要講下位機(jī)的設(shè)計流程。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的顯示與流程操作。下位機(jī)軟件主要完成傳感器信號檢測、AD轉(zhuǎn)換、以及濃度換算等。其流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

7.2 系統(tǒng)整體軟件流程

在完成傳感器信號檢測后，為了提高信噪比，在信號處理中加入了遞推平均濾波法。該算法將連續(xù)采樣的N個值做成一個隊列，其長度固定為N，數(shù)據(jù)采用先進(jìn)先出原則，每次采樣到一個新數(shù)據(jù)后放入隊尾，并刪除隊首的數(shù)據(jù)，把隊列中的N個數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運算，最后獲得新的濾波結(jié)果。其具體設(shè)計算法如下：

#define N 12

char value_buf［N］；

char i=0；

char filter（）

｛char count；

int sum=0；

value_buf［i++］=get_ad（）；

if（i==N）i=0；

for（count=0；count＜N，count++）

sum=value_buf［count］；

return（char）（sum/N）；

｝

8 結(jié)語

經(jīng)過對熱導(dǎo)傳感器影響信噪比的各個部分進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，提出了優(yōu)化改進(jìn)的方案，改進(jìn)前后探測器測到的信號整體波動從原來的140μV減小到50μV左右，改進(jìn)效果明顯。取得了較高的應(yīng)用效果。該研究成果將應(yīng)用在測氮儀設(shè)備上。

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