基于差分式采集的气体浓度测量装置的制作方法

本实用新型属于气体浓度测量技术领域，具体涉及一种基于差分式采集的气体浓度测量装置。

背景技术：

气体浓度测量装置，通常包括气体传感器(探头)、变换器单元、数据采集单元和计算机软件处理单元四个部分。测量装置的实现方式是将气体传感器输出经过变换器放大后，模拟信号直接送入A/D转换器的模拟输入端，而信号端的地与A/D转换器的地连在一起，即通过单端的A/D转换器实现传感器信号的采集。数据采集单元将A/D转换后得到的数字信号进行控制和传输，送入计算机软件处理单元，实现气体浓度数据的显示和处理。

上述传统技术中，对于传统的单端A/D转换器采集气体传感器信号的方法，传感器的信号地和A/D转换器的地线连在一起。当探头与变换器单元间的连线较长时，在气体传感器的模拟信号线上容易受到干扰，导致数据采集单元输出端的信号噪声较大，对于低浓度的气体测量而言，信号会基本淹没在噪声中，信噪比很低，不利于低浓度气体的精确测量和分辨。

技术实现要素：

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于差分式采集的气体浓度测量装置。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

基于差分式采集的气体浓度测量装置，包括用于监测气体浓度和环境温度的探头、用于将气体传感器的信号进行调理和放大，并且同时完成一路温度补偿信号调理的变换器单元、将气体浓度测量数据进行实时处理和显示的计算机单元，还包括利用差分A/D转换器实现差分式数据采集并传输的数据采集及USB通信单元，探头、变换器单元、数据采集及USB通信单元和计算机单元的数据信号依次传输连接；气体传感器的信号进行调理和放大后输入差分式A/D转换器的(+)输入端，温度补偿信号调理后输入差分式A/D转换器的(-)输入端，形成差分输入。

具体地，数据采集及USB通信单元还包括FPGA主控芯片、用于将获取到的气体传感器信号转换为标准的USB格式数据并进行数据传输的USB通信芯片、通过USB电缆实现与计算机单元连接的标准的B型USB插座，FPGA主控芯片的I/O口分别与A/D转换器的控制及数据输出端口和USB通信芯片的控制及数据输入端口连接，USB通信芯片的数据输出端口与标准B型USB插座的数据端口连接，USB电缆实现标准的B型USB插座与计算机的连接。

具体地，探头包括用于监测气体浓度的气体传感器和用于环境温度监测的温敏电阻；变换器单元包括传感器调理电路和温敏电阻调理电路；气体传感器的信号输出端与传感器调理电路的信号输入端连接，温敏电阻的信号输出端与温敏电阻调理电路的信号输入端连接，传感器调理电路的信号输出端与差分式A/D转换器的(+)输入端连接，温敏电阻调理电路的信号输出端与差分式A/D转换器的(-)输入端连接。

作为优选，差分式A/D转换器型号是ADS1118。

作为优选，USB通信芯片型号是FT245。

具体地，传感器调理电路包括由运算放大器U1A、第一电容、第一电阻和第二电阻组成的同相放大器、由第三电阻和第二电容组成的一阶低通滤波器和由运算放大器U1B构成的射级跟随器，气体传感器的输出信号Ui接入运算放大器U1A的正相输入端，运算放大器U1A的反相输入端分别与第一电阻的第一端、第二电阻的第一端和第一电容的第一端连接，第一电阻的第二端接地，第一电容的第二端分别与第二电阻的第二端、第三电阻的第一端和运算放大器U1A的输出端连接，第三电阻的第二端分别与第二电容的第一端和运算放大器U1B的同相输入端连接，第二电容的第二端接地，运算放大器U1B的反相输入端和运算放大器U1B的输出端连接后输出传感器信号Um。

作为优选，运算放大器U1A和运算放大器U1B的型号均为ADA4077-2。

具体地，温敏电阻调理电路包括由运算放大器U1C、第三电容、第八电阻和第九电阻组成的同相放大器、由第十电阻和第四电容组成的一阶低通滤波器、由运算放大器U1D构成的射级跟随器、由第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻和温敏电阻构成的恒流源电路，5V电压接入第四电阻的第一端，第四电阻的第二端与第五电阻的第一端连接，第五电阻的第二端分别与运算放大器U1C的正相输入端和第六电阻的第一端连接，第六电阻的第二端与温敏电阻的第一端连接，温敏电阻的第二端与第七电阻的第一端连接，第七电阻的第二端接地，运算放大器U1C的反相输入端分别与第八电阻的第一端、第九电阻的第一端和第三电容的第一端连接，第八电阻的第二端接地，第三电容的第二端分别与第九电阻的第二端、第十电阻的第一端和运算放大器U1C的输出端连接，第十电阻的第二端分别与第四电容的第一端和运算放大器U1D的同相输入端连接，第四电容的第二端接地，运算放大器U1D的反相输入端和运算放大器U1D的输出端连接后输出温度信号Ut。

作为优选，运算放大器U1C和运算放大器U1D的型号均为ADA4077-2。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型具备以下优点：

(1)采用差分采集方式，实现高信噪比下的气体传感器信号测量，有效降低系统测量的噪声值，保证了较高的测试精度要求。

(2)采用硬件温度补偿信号作为差分式A/D转换器的(-)输入端，有效降低了环境温度对传感器信号的影响，降低了该测量装置对温度的敏感性。

(3)采用基于差分采集的方式，完成了温度补偿，又实现了差分放大、采集，抑制共模噪声，实现了气体浓度的高精度测量，该方案较普通单端采集模式，减小了硬件实现规模，具有应用前景。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图；

图2是本实用新型中数据采集及USB通信单元结构示意图；

图3是本实用新型中传感器调理电路的电路图；

图4是本实用新型中温敏电阻调理电路的电路图。

图中：101、探头；102、变换器单元；103、数据采集及USB通信单元；104、计算机单元；301、差分式A/D转换器；302、FPGA主控芯片；303、USB通信芯片；304、标准的B型USB插座。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1、图2所示，基于差分式采集的气体浓度测量装置，包括用于监测气体浓度和环境温度的探头101、用于将气体传感器的信号进行调理和放大，并且同时完成一路温度补偿信号调理的变换器单元102、将气体浓度测量数据进行实时处理和显示的计算机单元104，还包括利用差分A/D转换器实现差分式数据采集并传输的数据采集及USB通信单元103，探头101、变换器单元102、数据采集及USB通信单元103和计算机单元104的数据信号依次传输连接；气体传感器的信号进行调理和放大后输入差分式A/D转换器301的(+)输入端，温度补偿信号调理后输入差分式A/D转换器301的(-)输入端，形成差分输入。

本实用新型中差分式A/D转换器301具备对差分信号可编程增益放大的功能，可将气体传感器输出信号与温度补偿信号进行差分放大、A/D转换，得到对应的数字信号。

数据采集及USB通信单元103还包括FPGA主控芯片302、用于将获取到的气体传感器信号转换为标准的USB格式数据并进行数据传输的USB通信芯片303、通过USB电缆实现与计算机单元104连接的标准的B型USB插座304，FPGA主控芯片302的I/O口分别与A/D转换器301的控制及数据输出端口和USB通信芯片303的控制及数据输入端口连接，USB通信芯片303的数据输出端口与标准B型USB插座304的数据端口连接，标准的B型USB插座304与计算机单元104连接。

计算机单元104将传输来的数字信号进行实时解析，通过屏幕显示测量的浓度值。

探头101包括用于监测气体浓度的气体传感器和用于环境温度监测的温敏电阻；变换器单元102包括传感器调理电路和温敏电阻调理电路；气体传感器的信号输出端与传感器调理电路的信号输入端连接，温敏电阻的信号输出端与温敏电阻调理电路的信号输入端连接，传感器调理电路的信号输出端与差分式A/D转换器301的(+)输入端连接，温敏电阻调理电路的信号输出端与差分式A/D转换器301的(-)输入端连接。

作为优选，差分式A/D转换器301型号是ADS1118。

作为优选，USB通信芯片303型号是FT245。

如图3所示，具体地，感器调理电路包括由运算放大器U1A、第一电容C1、第一电阻R1和第二电阻R2组成的同相放大器、由第三电阻R3和第二电容C2组成的一阶低通滤波器和由运算放大器U1B构成的射级跟随器，气体传感器的输出信号Ui接入运算放大器U1A的正相输入端，运算放大器U1A的反相输入端分别与第一电阻R1的第一端、第二电阻R2的第一端和第一电容C1的第一端连接，第一电阻R1的第二端接地，第一电容C1的第二端分别与第二电阻R2的第二端、第三电阻R3的第一端和运算放大器U1A的输出端连接，第三电阻R3的第二端分别与第二电容C2的第一端和运算放大器U1B的同相输入端连接，第二电容C2的第二端接地，运算放大器U1B的反相输入端和运算放大器U1B的输出端连接后输出传感器信号Um。第一电阻R1和第二电阻R2组成的同相放大器将气体传感器的微弱信号进行放大；由第三电阻R3和第二电容C2组成的一阶低通滤波器可滤除高频噪声，得到信噪比较高的传感器信号。

作为优选，运算放大器U1A和运算放大器U1B的型号均为ADA4077-2。

如图4所示，具体地，温敏电阻调理电路包括由运算放大器U1C、第三电容C3、第八电阻R8和第九电阻R9组成的同相放大器、由第十电阻R10和第四电容C4组成的一阶低通滤波器、由运算放大器U1D构成的射级跟随器、由第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和温敏电阻RT构成的恒流源电路，5V电压接入第四电阻R4的第一端，第四电阻R4的第二端与第五电阻R5的第一端连接，第五电阻R5的第二端分别与运算放大器U1C的正相输入端和第六电阻R6的第一端连接，第六电阻R6的第二端与温敏电阻RT的第一端连接，温敏电阻RT的第二端与第七电阻R7的第一端连接，第七电阻R7的第二端接地，运算放大器U1C的反相输入端分别与第八电阻R8的第一端、第九电阻R9的第一端和第三电容C3的第一端连接，第八电阻R8的第二端接地，第三电容C3的第二端分别与第九电阻R9的第二端、第十电阻R10的第一端和运算放大器U1C的输出端连接，第十电阻R10的第二端分别与第四电容C4的第一端和运算放大器U1D的同相输入端连接，第四电容C4的第二端接地，运算放大器U1D的反相输入端和运算放大器U1D的输出端连接后输出温度信号Ut。5V电压接入为恒流源电路供电；第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和第七电阻R7构成电阻网络给温敏电阻RT提供合适的工作电流并获得一定偏置的、包含温度信息的电压信号，该信号送入运算放大器U1C的(+)端，经过第八电阻R8和第九电阻R9构成的同相放大器，将温度信号进行放大，再经过第十电阻R10和第四电容C4构成的一阶低通滤波器，得到信噪比较高的温度信号，信号经过运算放大器U1D构成的射级跟随器后，即得到最终输出的温度信号Ut，该信号送入A/D转换器301的(-)输入端即可。

作为优选，运算放大器U1C和运算放大器U1D的型号均为ADA4077-2。

本专利采用基于差分式采集的气体浓度测量方法，设计了一种测量装置，即实现了对气体传感器测量数据的差分采集、放大，抑制共模噪声，又实现了气体传感器的温度补偿。该差分式采集方式有效减小了测量噪声，降低了测量装置对环境温度的敏感性，提高了气体传感器的测量精度。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。