使用反对数转换器线性化二氧化碳传感器

2015-03-08

尽管大多数二氧化碳传感器采用红外(IR)技术，但电化学传感器因其灵敏度高、测量范围广且价格低廉等优势成为不可小觑的竞争对手之一。一般情况下，电化学传感器通过一个偏置电流极低(<1pA)的缓冲放大器连接到微控制器。这时需要微控制器将传感器的对数响应线性化。该方案的一个较好例子就是SandboxElectronics公司的SEN-000007模块，该模块使用的是汉威电子公司生产的MG-811二氧化碳传感器。参考文献1中给出了电路和代码，但没有说明具体精确度。

本设计实例针对该线性化问题给出了一种纯硬件的解决方案，该解决方案电路简单、成本低廉，并且便于调整、精确度高。输出信号可以直接抵达面板表或微控制器，无需对数或反对数计算等复杂的数据操作。

MG-811传感器可以测量400～10,000 ppm(0.04%～1%)范围内的二氧化碳浓度。图1显示了传感器的传递函数。图中数据点来源于MG-811数据手册，线条和方程式由微软Excel的曲线拟合工具生成。

图2为所设计的电路，它使用了一个四运算放大器和一对匹配晶体管。IC2A和IC2B形成一个调理电路，为传感器提供高输入电阻，去除来自传感器响应的265mV偏置，并放大产生的信号。其目标是将传感器响应调整为VS=lnC(C为二氧化碳浓度)的形式，使反对数转换器(由IC2C、IC2D和匹配晶体管构建，详见参考文献2)能够实现elnC=C的恒等式，由此得出VOUT与二氧化碳浓度间的线性关系。IC1电压参考为2.5V，因而电路可与其他需要5V而非6V电源的气体传感器共同使用，例如Figaro公司的TGS4161。请注意，传感器会吸收大量电流。