一种电化学气体传感器及其诊断方法与流程

本发明属于电气设备领域，尤其涉及一种电化学气体传感器及其诊断方法。

背景技术：

气体传感器是气体检测系统的核心，通常安装在探测头内。从本质上讲，气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理、样品抽吸，甚至对样品进行化学处理，以便化学传感器进行更快速的测量。

现有的电化学气体传感器的检测结构的控制逻辑和电路较为复杂，传感器故障检测时间长，不能实现对电化学气体传感器故障快速判断。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种电化学气体传感器及其诊断方法，旨在解决现有的电化学气体传感器的检测结构的控制逻辑和电路较为复杂，传感器故障检测时间长，不能实现对电化学气体传感器故障快速判断的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种电化学气体传感器，该电化学气体传感器包括电化学气体传感单元、第一运算放大器和第二运算放大器；

所述电化学气体传感单元的一端与所述第一运算放大器的反向输入端连接，另一端分别与所述第一运算放大器的正向输入端、第二运算放大器的输出端连接；

所述第二运算放大器的正向输入端接恒定电压；

所述第一运算放大器的输出端与用于测量输出电压的单片机连接。

更进一步地，所述第一运算放大器的正向输入端连接用于控制测试信号输入电压的第八电阻.

更进一步的，所述第二运算放大器的正向输入端通过第五电阻接电源电压、通过第九电阻接地；

所述第九电阻的一端还通过第三电容接地，第二运算放大器的反向输入端与输出端短接在一起，组成恒电位电路；

所述恒电位电路包含第二运算放大器、第五电阻、第九电阻和第三电容。

更进一步的，所述第一运算放大器的输出端通过第四电阻与用于测量输出电压的单片机连接；

所述第四电阻的一端还通过第四电容接地。

更进一步的，所述电化学气体传感单元的两端并联有第二电阻；

所述电化学气体传感单元的一端与所述第一运算放大器的反向输入端之间连接有第三电阻；

所述电化学气体传感单元的另一端与所述第一运算放大器的正向输入端连接有第七电阻；

所述电化学气体传感单元的另一端与第二运算放大器的输出端之间连接有第六电阻；

所述电化学气体传感单元的另一端还通过第二电容接地。

更进一步的，所述第一运算放大器的反向输入端和输出端之间连接有跨导第一电阻和第一电容。

本发明实施例还提供一种电化学气体传感器的诊断方法，该方法包括以下步骤：

通过第八电阻向由第一运算放大器和第二运算放大器组成的二级运放电路连续施加一定时间的测试信号，检测若干个时间段内的二级运放电路的输出电压；

计算两相邻时间段内输出电压的差值，根据输出电压的差值，判断电化学气体传感单元是否正常。

更进一步地，所述两相邻时间段内输出电压的差值的计算方法为：

向二级运放电路的正向输入端施加一定时间的测试信号，检测二级运放电路的输出端电压v1，继续施加测试信号，再次检测该二级运放电路的输出端电压v2，计算输出电压的差值为v3＝|v2-v1|。

更进一步地，所述电化学气体传感单元是否正常的判断方法为：

如果在电化学气体传感单元的输出电压的差值大于预设值即：v3>a，则判断气体传感器正常；

如果输出电压差值小于预设值即：v3<a，则会继续进行施加测试信号，检测二级运放电路的输出电压，计算输出电压差值，重复检测n次后，当电化学气体传感单元输出电压的差值均小于预设值，则判定传感器失效。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明向由第一运算放大器和第二运算放大器组成的二级运放电路连续施加一定时间的测试信号，通过单片机连续测量二级运放电路的输出电压，通过测量在气体传感器的输出波形中是否存在预定电压的差值，判断气体传感器正常，电路拓扑简单，仅仅需要1个电阻就可以控制测试信号输入电压，传感器故障检测时间短；

(2)本发明仅占用了单片机的一个i/o口，节约单片机资源；

(3)本发明利用规则的故障波形，易于判断气体传感器的工作状态。

附图说明

图1是本发明提供的电化学气体传感器的原理图；

图2是本发明提供的电化学气体传感器的电路结构图；

图3是本发明提供的一种电化学气体传感器的诊断方法的示意性流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种电化学气体传感器，该电化学气体传感器包括电化学气体传感单元2、第一运算放大器1a和第二运算放大器1b；

所述电化学气体传感单元2的一端与所述第一运算放大器1a的反向输入端连接，另一端分别与所述第一运算放大器1a的正向输入端、第二运算放大器1b的输出端连接；

所述第二运算放大器1b的正向输入端接恒定电压；

所述第一运算放大器1a的输出端与用于测量输出电压的单片机3连接。

向第一运算放大器1a的正向输入端施加一定时间的测试信号，电化学气体传感单元2的输出电压经第一运算放大器1a运算放大后，通过单片机3可连续检测第一运算放大器1a的输出端的输出电压，计算输出电压差值，如果在电化学气体传感器的输出电压差值大于预设值，则判断电化学气体传感器正常；如果连续检测到在电化学气体传感器的输出电压差值均小于预设值，则判定传感器电化学气体传感器失效。

实施例二

为了使本领域技术人员更好地了解本申请的技术方案，下面列举一个具体的实施例，如图2所示，本实施例提供了一种电化学气体传感器，该电化学气体传感器包括电化学气体传感单元u2、第一运算放大器u1a和第二运算放大器u1b；

电化学气体传感单元u2的一端通过第三电阻r3与第一运算放大器u1a的反向输入端连接，另一端通过第七电阻r7与第一运算放大器u1a的正向输入端连接；

电化学气体传感单元u2的另一端还通过第六电阻r6与第二运算放大器u1b的输出端连接。

第一运算放大器u1a的正向输入端连接有第八电阻r8，通过第八电阻r8施加测试信号。

第一运算放大器u1a的输出端通过第四电阻r4与单片机u3的输入端连接，通过单片机u3检测二级运放电路的输出端电压。

第二运算放大器u1b的反向输入端与输出端连接，第二运算放大器u1b的正向输入端通过第五电阻r5与电源电压相连，通过第九电阻r9与地相连获取恒定电压；第九电阻r9的一端还通过第三电容c3与地相连，共同构成恒电位电路，稳定传感器对极电压。

在本发明中，第一运算放大器u1a的反向输入端和输出端之间连接有跨导第一电阻r1，作用是将传感器电流信号转换成电压信号；并连接有第一电容c1，作用是稳定转换信号。

在本发明中，电化学气体传感单元u2的两端并联有第二电阻r2，其作用是：防止传感器极化，并且在传感器失效后稳定输出电压。

电化学气体传感单元u2的另一端还通过第二电容c2接地，其作用是：稳定传感器对极电压恒定。

在本发明中，第四电阻r4的一端还通过第四电容c4接地。其作用是：滤除对输出电压信号的干扰。

在本发明中，运算放大器采用sgm8040-2型运算放大器。

如图2所示，本发明提出的电化学气体传感器使用时，首先通过第八电阻r8向第一运算放大器u1a的正向输入端施加一定时间的测试信号，电化学气体传感单元u2的输出电压经第一运算放大器u1a运算放大后，通过单片机u3连续检测第一运算放大器u1a的输出端的输出电压，计算输出电压差值，如果在电化学气体传感器的输出电压差值大于预设值，则判断电化学气体传感器正常。

本发明提出的带故障判断装置的电化学气体传感器的电路拓扑简单，仅仅需要1颗电阻就可以控制测试信号输入电压，节约单片机资源。

实施例四

针对上述的如图2所示的实施例二提出的电化学气体传感器，本实施例提供了一种电化学气体传感器的诊断方法，该方法包括以下步骤：

步骤101：通过第八电阻r8向第一运算放大器u1a的正向输入端施加一定时间的测试信号，单片机u3检测第一运算放大器u1a的输出端电压v1，继续施加测试信号，再次检测该第一运算放大器u1a的输出端电压v2，计算输出电压的差值为v3＝|v2-v1|；

步骤102:如果在电化学气体传感单元的输出波形中输出电压的差值大于预设值v3>a，则判断气体传感器正常；如果输出电压差值小于预设值v3<a，则会继续进行施加测试信号，重复步骤102n次，重复检测n次输出电压差值后，当电化学气体传感单元u2的输出波形中输出电压的差值均不大于预设值，则判定传感器失效。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。