專利名稱：一種半導(dǎo)體臭氧傳感器溫度補(bǔ)償電路及其補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體臭氧傳感器溫度補(bǔ)償電路及其補(bǔ)償方法。
背景技術(shù)：
臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，具有很好的殺菌消毒功能，它可以彌散到空間中的任何一個角落殺毒，且不會有殘留物，避免了二次污染，已廣泛用于空氣凈化、水處理、食品加工、 醫(yī)療、醫(yī)藥、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域。但是臭氧對人體呼吸道粘膜有刺激，空氣中臭氧濃度過高，可引起脈搏加速、疲倦、頭痛，嚴(yán)重時可發(fā)生肺氣腫，以致死亡。因此在使用臭氧進(jìn)行空氣凈化消毒時，要嚴(yán)格檢測和控制其濃度。目前，測量空氣中臭氧濃度的方法有化學(xué)法、紫外吸收法，均可連續(xù)在線檢測。其優(yōu)點(diǎn)是檢測精度高，穩(wěn)定性好，其它氧化劑干擾??；但其缺點(diǎn)為價格較高。半導(dǎo)體傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、體積小、壽命長、成本低、測量電路簡單等特點(diǎn)，廣泛用于空氣臭氧濃度測量，但由于半導(dǎo)體臭氧濃度傳感器受溫度影響比較大，測量精度低，測量重復(fù)性差等缺點(diǎn)，使得該種傳感器一直以來被用作定性測量。半導(dǎo)體臭氧傳感器是一種薄膜型半導(dǎo)體氧化物氣敏元件，由加熱電極和測量電極組成，加熱電極的作用是將附著在敏感元件表面上的塵埃、油霧等燒掉，加速氣體的吸附， 提高器件的靈敏度和響應(yīng)速度。氧化物半導(dǎo)體表面在200-400°C的高溫下接觸臭氧測量電極電阻值會發(fā)生變化，臭氧濃度與測量電極電阻值呈定量關(guān)系，通過測量傳感器的電阻值可以得到臭氧濃度的大小。通用的半導(dǎo)體臭氧傳感器測量電路沒有溫度補(bǔ)償作用，當(dāng)環(huán)境溫度變化時，測量結(jié)果有很大的不確定性，甚至不能反映臭氧濃度的變化，極大地限制了半導(dǎo)體臭氧傳感器的使用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的半導(dǎo)體臭氧傳感器測量電路受環(huán)境溫度的影響，改善測量結(jié)果的穩(wěn)定性和重復(fù)性技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體臭氧傳感器溫度補(bǔ)償電路及其補(bǔ)償方法。本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體臭氧傳感器溫度補(bǔ)償電路；本發(fā)明的另一目的是提供一種半導(dǎo)體臭氧傳感器溫度補(bǔ)償方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下一種半導(dǎo)臭氧體傳感器溫度補(bǔ)償電路，其特征在于該電路由半導(dǎo)體臭氧傳感器、加熱電極電流源電路、加熱電極溫度測量電路、單片機(jī)控制電路組成；所述加熱電極電流源電路的輸入端通過集成運(yùn)算放大器UlA的引腳3與單片機(jī)控制電路的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC電壓控制接口相連接，輸出端與半導(dǎo)體臭氧傳感器的加熱電極引腳b相連；所述加熱電極溫度測量電路3中的集成運(yùn)算放大器UlB的引腳5與半導(dǎo)體臭氧傳感器4的加熱電極如的引腳b相連接，所述加熱電極溫度測量電路中包括一個差動放大電路，所述的差動放大電路一端通過集成運(yùn)算放大器UlC的引腳8與單片機(jī)控制電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC電壓檢測接口相連接，另一端經(jīng)電阻R6與單片機(jī)控制電路的參考電壓Vref接口連接。一種半導(dǎo)臭氧體傳感器溫度補(bǔ)償方法，其特征在于所述加熱電極電流源電路為半導(dǎo)體臭氧傳感器的加熱電極供電，根據(jù)加熱電極電阻的溫度特性，利用加熱電極溫度測量電路來測量加熱電極的電阻變化，確定加熱電極的溫度，單片機(jī)控制電路根據(jù)溫度設(shè)定值，調(diào)整加熱電極電流源電路的電流大小，從而穩(wěn)定加熱電極的溫度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步1、本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體臭氧濃度傳感器加熱電極的溫度檢測，并控制加熱電極電流的大小，達(dá)到加熱電極恒溫控制的目的；2、本發(fā)明中的半導(dǎo)體臭氧傳感器加熱電極溫度測量電路輸出信號是電壓信號，加熱電極電流控制電路也是采用電壓控制，可以直接和ADC、DAC轉(zhuǎn)換芯片接口，便于單片機(jī)控制；3、本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)控制半導(dǎo)體臭氧傳感器工作溫度的恒定，不受環(huán)境溫度和濕度的影響，大大提高臭氧濃度的測量精度和穩(wěn)定度；4、本發(fā)明設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體臭氧濃度傳感器溫度補(bǔ)償電路，體積小，成本低，工作穩(wěn)定，一致性好，適合批量生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明的框架結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的電路示意圖；圖中所示1.單片機(jī)控制電路；2.加熱電極電流源電路；3.加熱電極溫度測量電路；3a.差動放大電路；4.半導(dǎo)體臭氧傳感器；4a.加熱電極；4b.測量電極；4c.外殼； Ql.三極管；RU R2、R3、R4、R5、R6.電阻；UlA, U1B、UlC.集成運(yùn)算放大器；DAC.數(shù)模轉(zhuǎn)換器；ADC.模數(shù)轉(zhuǎn)換器；Vref.參考電壓。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合本具體的實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述，但不僅僅局限于以下的優(yōu)選實(shí)施例。如圖1所示，改變了傳統(tǒng)半導(dǎo)體臭氧傳感器恒壓加熱方法，增加一個加熱電極電流源電路2和加熱電極溫度測量電路3，加熱電極電流源電路2為半導(dǎo)體臭氧傳感器4的加熱電極如供電，根據(jù)加熱電極電阻的溫度特性，利用加熱電極溫度測量電路3來測量加熱電極的電阻變化確定加熱電極如的溫度，單片機(jī)控制電路1根據(jù)溫度設(shè)定值，控制加熱電極電流源電路1的電流大小，達(dá)到穩(wěn)定加熱電極如溫度的目的。利用加熱電極電阻值隨溫度變化的規(guī)律進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)電阻的溫度變化規(guī)律，加熱電極電阻值將按下列公式隨溫度發(fā)生變化Rt = R0(1+at)式中Rt是t°C的電阻值，RO是0°C時的電阻值，a是常數(shù)。在半導(dǎo)體臭氧傳感器4的加熱電極如上電時，首先單片機(jī)控制電路1利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC電壓輸出控制加熱電極電流源電路2輸出一個恒定的電流進(jìn)行預(yù)熱，同時單片機(jī)控制電路1輸出一個特定的參考電壓Vref，利用加熱電極溫度測量電路3檢測加熱電極如的電壓，過一段時間后，加熱電極如的電壓趨于穩(wěn)定，即加熱電極如溫度趨于穩(wěn)定。根據(jù)歐姆定律，利用當(dāng)前的電流值Vt和電壓值It，可以計(jì)算出加熱電極的電阻值Rt，從而計(jì)算出加熱電極如的溫度值t。預(yù)熱完成后單片機(jī)控制電路1可根據(jù)設(shè)定溫度，控制加熱電極電流源電路2輸出電流大小，使加熱電極如的溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近。如圖2所示，本發(fā)明的電路由半導(dǎo)體臭氧傳感器4、加熱電極電流源電路2、加熱電極溫度測量電路3、單片機(jī)控制電路1組成。所述半導(dǎo)體臭氧傳感器4由加熱電極如、測量電極4b和外殼如組成，引腳b和引腳e是加熱電極如的兩個引腳，引腳a和引腳d是測量電極4b的兩個引腳，在半導(dǎo)體臭氧傳感器4內(nèi)部引腳c和引腳a是相連接的，引腳f和引腳d是相連接的。集成運(yùn)算放大器U1A、三極管Ql和電阻R1、R2組成一個加熱電極電流源電路( ，所述加熱電極電流源電路2的輸入端通過集成運(yùn)算放大器UlA的引腳3與單片機(jī)控制電路1的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC電壓控制接口相連接，輸出端與半導(dǎo)體臭氧傳感器4的加熱電極引腳b相連，用來為半導(dǎo)體臭氧傳感器4的加熱電極如恒流供電，根據(jù)理想運(yùn)放的虛短的特性，集成運(yùn)算放大器UlA的2、3管腳電壓相同，Vl =TZ = V3，因此Rl兩端的電壓為(VCC-V3)。又根據(jù)虛斷的特性，流入集成運(yùn)算放大器UlA第2、3管腳的電流為0，流過Rl 的電流為II，三極管Ql的基極電流相對于集電極電流可以忽略不計(jì)，流過半導(dǎo)臭氧體傳感器4的加熱電極如的電流12 ^ II，12 ^ (VCC-V3)/R1，R1的阻值是一定的，通過單片機(jī)控制電路1的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC電壓控制接口與加熱電極電流源電路2的集成運(yùn)算放大器UlA 的引腳3相連接，控制輸出電壓V3的大小，可以調(diào)節(jié)半導(dǎo)臭氧體傳感器4的加熱電極如電流12的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)加熱溫度的目的。半導(dǎo)臭氧體傳感器⑷的加熱電極Ga)兩端的電壓V4 = Rt · 12，其中Rt為加熱電極的阻值，其大小隨著加熱溫度的變化而變化，12的值是已知的，通過測量V4的大小就可以得到加熱電極的阻值Rt，根據(jù)其溫度特性曲線可以得到當(dāng)前的加熱溫度。加熱電極溫度測量電路3中的集成運(yùn)算放大器UlB的引腳5與半導(dǎo)體臭氧傳感器4的加熱電極如的引腳b相連接，根據(jù)集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)，V5 = V4。集成運(yùn)算放大器UlC和電阻 R3、R4、R5、R6組成一個差動放大電路3a，所述差動放大電路3a —端通過集成運(yùn)算放大器 UlC的引腳8與單片機(jī)控制電路1的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC電壓檢測接口相連接，輸出電壓V7 = (V5-Vref) · (R3+R6)/R6，作用是將V5的變化靈敏度放大并調(diào)整到單片機(jī)控制電路1的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC輸入電壓范圍內(nèi)，使加熱溫度測量靈敏度大大提高；所述差動放大電路3a另一端經(jīng)電阻R6與單片機(jī)控制電路1的參考電壓Vref接口連接，所述參考電壓Vref接口是單片機(jī)控制電路1的另外一路數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出引腳，與R6相連，作為差動放大器3的其中一個輸入，用來調(diào)節(jié)加熱電極溫度測量電路3的輸出電壓范圍，使其符合單片機(jī)控制電路1的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC輸入電壓要求。單片機(jī)控制電路1通過檢測V7的大小判斷加熱電極如的溫度，調(diào)整數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC電壓輸出控制加熱電極如的電流大小，實(shí)現(xiàn)加熱溫度的閉環(huán)控制，半導(dǎo)體臭氧傳感器4的測量不受環(huán)境溫度的影響，達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?。以上所揭露的僅為本發(fā)明的實(shí)施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明利要求所作的等同變化，仍屬于本發(fā)明所涵蓋的范圍。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)臭氧體傳感器溫度補(bǔ)償電路，其特征在于該電路由半導(dǎo)體臭氧傳感器 (4)、加熱電極電流源電路( 、加熱電極溫度測量電路C3)、單片機(jī)控制電路(1)組成；所述加熱電極電流源電路⑵的輸入端通過集成運(yùn)算放大器(UlA)的引腳3與單片機(jī)控制電路 (1)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)電壓控制接口相連接，輸出端與半導(dǎo)體臭氧傳感器(4)的加熱電極引腳b相連；所述加熱電極溫度測量電路3中的集成運(yùn)算放大器UlB的引腳5與半導(dǎo)體臭氧傳感器4的加熱電極如的引腳b相連接，所述加熱電極溫度測量電路C3)中包括一個差動放大電路(3a)，所述的差動放大電路(3a) —端通過集成運(yùn)算放大器(UlC)的引腳8與單片機(jī)控制電路(1)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)電壓檢測接口相連接，另一端經(jīng)電阻R6與單片機(jī)控制電路⑴的參考電壓(Vref)接口連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)臭氧體傳感器溫度補(bǔ)償方法，其特征在于所述加熱電極電流源電路⑵為半導(dǎo)體臭氧傳感器⑷的加熱電極Ga)供電，根據(jù)加熱電極Ga)電阻的溫度特性，利用加熱電極溫度測量電路(3)來測量加熱電極Ga)的電阻變化，確定加熱電極Ga)的溫度，單片機(jī)控制電路⑴根據(jù)溫度設(shè)定值，調(diào)整加熱電極電流源電路(2) 的電流大小，從而穩(wěn)定加熱電極Ga)的溫度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體臭氧傳感器溫度補(bǔ)償電路及其補(bǔ)償方法，其特征在于所述補(bǔ)償電路由半導(dǎo)體臭氧傳感器(4)、加熱電極電流源電路(2)、加熱電極溫度測量電路(3)、單片機(jī)控制電路(1)組成；所述補(bǔ)償方法為加熱電極電流源電路(2)為半導(dǎo)體臭氧傳感器(4)的加熱電極(4a)供電，根據(jù)加熱電極(4a)電阻的溫度特性，利用加熱電極溫度測量電路(3)來測量加熱電極(4a)的電阻變化，確定加熱電極(4a)的溫度，單片機(jī)控制電路(1)根據(jù)溫度設(shè)定值，調(diào)整加熱電極電流源電路(2)的電流大小，從而穩(wěn)定加熱電極(4a)的溫度。本發(fā)明的有益效果是實(shí)現(xiàn)控制半導(dǎo)體臭氧傳感器工作溫度的恒定，不受環(huán)境溫度和濕度的影響，大大提高臭氧濃度的測量精度和穩(wěn)定度。
文檔編號G01N27/14GK102297882SQ20111012844
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者張永輝 申請人:海南大學(xué)