专利名称：一种空气质量检测传感器模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及模拟信号调理技术和传感器技术，具体涉及一种空气质量检测传感器模块。
背景技术：
空气质量检测在工业、农业、生态建设等方面越来越受到人们的重视。现有的气体浓度传感器功能单一，一般只能检测某一种气体浓度，而且输出信号微弱，易受干扰。不仅如此，现有多数气体浓度传感器(如二氧化碳传感器、一氧化碳传感器)带负载能力弱。若要综合检测空气质量，势必给系统集成带来一定的难度和复杂度。
发明内容本实用新型的目的是设计一种可综合检测空气质量的传感器模块，以克服现有传感器的弊端，提高集成度，缩短开发周期，降低开发成本并提高系统的稳定性。本实用新型的技术解决方案对空气质量的衡量一般包括氧气浓度、二氧化碳浓度、一氧化碳浓度、二氧化硫浓度、悬浮颗粒物浓度和空气湿度。为检测这些空气质量信息， 我们采用氧气浓度探头KE-25或KE-50、悬浮颗粒物浓度探头MQ-2分别检测空气中氧气浓度和悬浮颗粒物浓度，这两种气敏探头的输出信号为电压，且该电压与对应气体浓度成一定的比例关系；然后采用一氧化碳浓度探头MQ-7或TGS5042、二氧化碳浓度探头MG-811或 TGS4161、二氧化硫浓度探头S02-AF/BF分别检测空气中一氧化碳浓度、二氧化碳浓度和二氧化硫浓度，这三种气敏探头的输出信号为电流，且该电流与对应气体浓度成一定的比例关系；为检测空气湿度信息，我们采用湿敏电阻与常规碳膜电阻串联分压电路构成空气湿度探头，由于湿敏电阻在不同的湿度环境下呈现阻值不同，因此串联分压电路输出电压亦随湿度变化而变化。但无论是气敏探头还是空气湿度探头，它们的输出信号都很微弱，且无带负载能力，若要得到稳定的输出信号，须解决如下问题1，气敏探头(包含氧气浓度探头、一氧化碳浓度探头、二氧化碳浓度探头、二氧化硫浓度探头和悬浮颗粒物浓度探头)和空气湿度探头的输出信号都很微弱，必须放大数十倍甚至更大；2，气体浓度探头和空气湿度探头的输出信号格式(电压或电流)各不相同，且基本无带负载能力，必须进行信号调理；3，解决温漂、零漂的影响；4，滤除干扰信号，减小误差。为解决上述问题，本实用新型的技术方案是一氧化碳浓度探头、二氧化碳浓度探头和二氧化硫浓度探头的工作原理是等效的电流源，这三种气敏探头的输出信号是电流， 且电流信号大小分别与对应的气体浓度成比例。为保证输出为统一的电压信号，我们采用三组由运放TLC271/272构成的负反馈互阻放大器分别将一氧化碳浓度探头、二氧化碳浓度探头和二氧化硫浓度探头输出的电流信号转换为电压信号，然后通过电压跟随器以提高带负载能力，再经过放大滤波电路进行电压信号放大，并且滤除干扰信号，得到有效的一氧化碳浓度信号、二氧化碳浓度信号和二氧化硫浓度信号后连接到输出接口电路。相应地，氧气浓度探头和悬浮颗粒物浓度探头的工作原理是等效的电压源，这两种气敏探头的输出信号是电压，但该电压信号几乎不能提供有效功率，即带负载能力微弱，因此，我们首先将氧气浓度探头和悬浮颗粒物浓度探头的输出信号分别通过高输入阻抗运放构成的电压跟随器以提高带负载能力，然后通过放大滤波电路进行电压放大并滤除干扰信号，得到有效的氧气浓度信号和悬浮颗粒物浓度信号后连接到输出接口电路。空气湿度探头采用湿敏电阻与常规碳膜电阻串联分压电路，其输出电压信号亦无带负载能力，故首先采用电压跟随器进行信号调理，然后通过放大滤波电路进行电压放大并滤除干扰信号，得到有效的空气湿度信号连接到输出接口电路。所述电压跟随器由CMOS工艺的运放TLC272/272构成；所述放大滤波电路为运放TLC271/272构成的电压串联负反馈式放大电路，同时采用RC去耦处理滤波干扰信号；所述输出接口电路为2. 54mm插值或DB9接口插座。本实用新型的有益效果是，提高了集成度，可以有效地避免重复劳动，降低开发成本，提高系统的可靠性和稳定性。
附图1是本实用新型的功能结构框图；附图2是本实用新型信号调理电路、放大滤波电路和输出接口电路的电路原理具体实施方式
对照附图1，本实用新型由气敏探头、空气湿度探头、信号调理电路、放大滤波电路和输出接口电路构成。气敏探头用于采集空气中氧气、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、悬浮颗粒物的浓度，空气湿度探头用于采集空气湿度信号，然后将气敏探头和空气湿度探头采集到的信号分别输入信号调理电路以提高带负载能力，再经放大滤波电路进行信号放大并滤除干扰脉冲后得到有效的信号连接至输出接口电路。气敏探头中的一氧化碳浓度探头、 二氧化碳浓度探头和二氧化硫浓度探头的工作原理是等效的电流源，即输出信号为电流， 但该输出电流非常微弱，为统一信号格式并提高信号幅度，我们将一氧化碳浓度探头、二氧化碳浓度探头和二氧化硫浓度探头输出的电流型信号分别通过图2所示的信号调理电路、 放大滤波电路后得到有效的输出信号连接到输出接口电路。气敏探头中的氧气浓度探头和悬浮颗粒物浓度探头的工作原理是等效的电压源，这两种气敏探头的输出信号是电压， 但该电压信号带负载能力微弱，故也需要分别通过图2所示的电路才能得到有效的输出信号。空气湿度探头采用湿敏电阻与常规碳膜电阻串联分压电路，其输出电压信号亦无带负载能力，且输出电压随空气湿度变化微弱，易受干扰，故同样需要图2电路进行信号调理， 然后通过放大滤波电路进行电压放大并滤除干扰信号，得到有效的空气湿度信号连接到输出接口电路。图2所示电路的工作原理如下电流型信号通过接口 Ul输入到运放U2，U2与Rl、C1、R2、C2构成的是电压并联负反馈电路，可以将输入的电流信号转换为电压信号，同时 R2和C2构成滤波电路，可滤除不必要的电源干扰。U2的6号管脚输出电压信号后连接至 U3与R3、C3构成的电压跟随器，以减小输出阻抗，提高带负载能力，同时由于U3的输出端 6脚与反向输入端2脚直接相连，为深度负反馈电路，可以有效地抑制温漂和零漂的影响。 U3的6号管脚输出电压信号经R5和C5构成的滤波电路再一次滤波，以提高信号的可靠性。R5和C5的滤波输出电压连接至U4与R4、C4、R7、R8及RTl构成的电压串联负反馈放大电路，进行电压信号的放大。电压增益由电阻R7、R8和RTl决定，具体的增益表达式为
Λ· +其中RTl为可调电阻，用于调节放大增益，稳定放大输出。U4的6号管脚输
出放大后的电压信号经R6和C6构成的滤波电路连接至输出接口电路U5。R3和C3的组合以及R4和C4的组合与R2和C2构成的电路功能类似，目的是滤除电源干扰，避免电源对信号的扰动。而R6和C6的组合与R5和C5的组合功能类似，目的是滤除外界电路对信号的干扰，提高信号的有效性。U2、R2、C2组成的电路和U3、R3、C3组成的电路共同构成信号调理电路，但如果Ul的输入信号为电压形式，则U2、R2、C2电路可省略，即氧气浓度探头、悬浮颗粒物浓度探头和空气湿度探头的信号调理电路不需要U2、R2、C2电路。R5、C5、R6、C6和 U4电路共同构成放大滤波电路。需要说明的是，一氧化碳浓度探头、二氧化碳浓度探头、二氧化硫浓度探头、氧气浓度探头、悬浮颗粒物浓度探头和空气湿度探头分别需要一组信号调理电路和放大滤波电路，这样就需要六组信号调理电路和放大滤波电路以得到对应的有效输出信号，这六路输出信号分别连接到输出接口电路U5的1 6号管脚。为简单起见，图2仅为其中一组信号调理电路和放大滤波电路的电路图。对照附图2，所述运放U2、U3、U4为高输入阻抗(1012Ω)运算放大器TLC271/272。实际应用中，本实用新型不局限于上述实施方式，将信号调理电路、放大滤波电路中的元器件改变成其他形式但功能相同的信号调理电路、放大滤波电路都是本实用新型的一种变型，均应认为属本实用新型保护范围。
权利要求1.一种空气质量检测传感器模块，由气敏探头、空气湿度探头、信号调理电路、放大滤波电路和输出接口电路构成。其特征是气敏探头用于采集空气中氧气、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、悬浮颗粒物的浓度，空气湿度探头用于采集空气湿度信号，然后将气敏探头和空气湿度探头采集到的信号分别输入信号调理电路以规整信号并提高带负载能力，经放大滤波电路进行信号放大并滤除干扰脉冲，得到有效的信号连接至输出接口电路。
2.根据权利要求1所述的一种空气质量检测传感器模块，其特征是所述气敏探头包括氧气浓度探头KE-25或KE-50、一氧化碳浓度探头MQ-7或TGS5042、二氧化碳浓度探头MG-811或TGS4161、二氧化硫浓度探头S02-AF/BF、悬浮颗粒物浓度探头MQ-2 ；所述空气湿度探头为湿敏电阻；所述信号调理电路为集成运放构成的负反馈互阻放大器和电压跟随器；所述输出接口电路包含间距为2. 54mm的插针和DB9针插座。
专利摘要本实用新型公开了一种用于空气质量检测的传感器模块。现有的气体检测传感器功能单一，数据格式各不相同。本实用新型由气敏探头、空气湿度探头、信号调理电路、放大滤波电路和输出接口电路构成。气敏探头用于采集空气中氧气、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、悬浮颗粒物的浓度，空气湿度探头用于采集空气湿度信号，然后将气敏探头和空气湿度探头采集到的信号分别输入信号调理电路，再经放大滤波电路进行信号放大并滤除干扰脉冲后得到有效的信号连接至输出接口电路。本实用新型集成度高，结构清晰简单，可方便地检测影响空气质量的湿度以及氧气、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫和悬浮颗粒物的浓度。
文档编号G01N27/26GK202330340SQ20112045278
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月16日 优先权日2011年11月16日
发明者俞哲伟, 宋军, 李俊慧, 王一雄, 陶华 申请人:南京林业大学