本發(fā)明屬于氣體濃度測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于差分式采集的氣體濃度測量裝置。

背景技術(shù)：

氣體濃度測量裝置，通常包括氣體傳感器(探頭)、變換器單元、數(shù)據(jù)采集單元和計算機軟件處理單元四個部分。測量裝置的實現(xiàn)方式是將氣體傳感器輸出經(jīng)過變換器放大后，模擬信號直接送入A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端，而信號端的地與A/D轉(zhuǎn)換器的地連在一起，即通過單端的A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)傳感器信號的采集。數(shù)據(jù)采集單元將A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號進(jìn)行控制和傳輸，送入計算機軟件處理單元，實現(xiàn)氣體濃度數(shù)據(jù)的顯示和處理。

上述傳統(tǒng)技術(shù)中，對于傳統(tǒng)的單端A/D轉(zhuǎn)換器采集氣體傳感器信號的方法，傳感器的信號地和A/D轉(zhuǎn)換器的地線連在一起。當(dāng)探頭與變換器單元間的連線較長時，在氣體傳感器的模擬信號線上容易受到干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集單元輸出端的信號噪聲較大，對于低濃度的氣體測量而言，信號會基本淹沒在噪聲中，信噪比很低，不利于低濃度氣體的精確測量和分辨。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種基于差分式采集的氣體濃度測量裝置。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)上述目的：

基于差分式采集的氣體濃度測量裝置，包括用于監(jiān)測氣體濃度和環(huán)境溫度的探頭、用于將氣體傳感器的信號進(jìn)行調(diào)理和放大，并且同時完成一路溫度補償信號調(diào)理的變換器單元、將氣體濃度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理和顯示的計算機單元，還包括利用差分A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)差分式數(shù)據(jù)采集并傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集及USB通信單元，探頭、變換器單元、數(shù)據(jù)采集及USB通信單元和計算機單元的數(shù)據(jù)信號依次傳輸連接；氣體傳感器的信號進(jìn)行調(diào)理和放大后輸入差分式A/D轉(zhuǎn)換器的(+)輸入端，溫度補償信號調(diào)理后輸入差分式A/D轉(zhuǎn)換器的(-)輸入端，形成差分輸入。

具體地，數(shù)據(jù)采集及USB通信單元還包括FPGA主控芯片、用于將獲取到的氣體傳感器信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的USB格式數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB通信芯片、通過USB電纜實現(xiàn)與計算機單元連接的標(biāo)準(zhǔn)的B型USB插座，F(xiàn)PGA主控芯片的I/O口分別與A/D轉(zhuǎn)換器的控制及數(shù)據(jù)輸出端口和USB通信芯片的控制及數(shù)據(jù)輸入端口連接，USB通信芯片的數(shù)據(jù)輸出端口與標(biāo)準(zhǔn)B型USB插座的數(shù)據(jù)端口連接，USB電纜實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的B型USB插座與計算機的連接。

具體地，探頭包括用于監(jiān)測氣體濃度的氣體傳感器和用于環(huán)境溫度監(jiān)測的溫敏電阻；變換器單元包括傳感器調(diào)理電路和溫敏電阻調(diào)理電路；氣體傳感器的信號輸出端與傳感器調(diào)理電路的信號輸入端連接，溫敏電阻的信號輸出端與溫敏電阻調(diào)理電路的信號輸入端連接，傳感器調(diào)理電路的信號輸出端與差分式A/D轉(zhuǎn)換器的(+)輸入端連接，溫敏電阻調(diào)理電路的信號輸出端與差分式A/D轉(zhuǎn)換器的(-)輸入端連接。

作為優(yōu)選，差分式A/D轉(zhuǎn)換器型號是ADS1118。

作為優(yōu)選，USB通信芯片型號是FT245。

具體地，傳感器調(diào)理電路包括由運算放大器U1A、第一電容、第一電阻和第二電阻組成的同相放大器、由第三電阻和第二電容組成的一階低通濾波器和由運算放大器U1B構(gòu)成的射級跟隨器，氣體傳感器的輸出信號Ui接入運算放大器U1A的正相輸入端，運算放大器U1A的反相輸入端分別與第一電阻的第一端、第二電阻的第一端和第一電容的第一端連接，第一電阻的第二端接地，第一電容的第二端分別與第二電阻的第二端、第三電阻的第一端和運算放大器U1A的輸出端連接，第三電阻的第二端分別與第二電容的第一端和運算放大器U1B的同相輸入端連接，第二電容的第二端接地，運算放大器U1B的反相輸入端和運算放大器U1B的輸出端連接后輸出傳感器信號Um。

作為優(yōu)選，運算放大器U1A和運算放大器U1B的型號均為ADA4077-2。

具體地，溫敏電阻調(diào)理電路包括由運算放大器U1C、第三電容、第八電阻和第九電阻組成的同相放大器、由第十電阻和第四電容組成的一階低通濾波器、由運算放大器U1D構(gòu)成的射級跟隨器、由第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻和溫敏電阻構(gòu)成的恒流源電路，5V電壓接入第四電阻的第一端，第四電阻的第二端與第五電阻的第一端連接，第五電阻的第二端分別與運算放大器U1C的正相輸入端和第六電阻的第一端連接，第六電阻的第二端與溫敏電阻的第一端連接，溫敏電阻的第二端與第七電阻的第一端連接，第七電阻的第二端接地，運算放大器U1C的反相輸入端分別與第八電阻的第一端、第九電阻的第一端和第三電容的第一端連接，第八電阻的第二端接地，第三電容的第二端分別與第九電阻的第二端、第十電阻的第一端和運算放大器U1C的輸出端連接，第十電阻的第二端分別與第四電容的第一端和運算放大器U1D的同相輸入端連接，第四電容的第二端接地，運算放大器U1D的反相輸入端和運算放大器U1D的輸出端連接后輸出溫度信號Ut。

作為優(yōu)選，運算放大器U1C和運算放大器U1D的型號均為ADA4077-2。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明具備以下優(yōu)點：

(1)采用差分采集方式，實現(xiàn)高信噪比下的氣體傳感器信號測量，有效降低系統(tǒng)測量的噪聲值，保證了較高的測試精度要求。

(2)采用硬件溫度補償信號作為差分式A/D轉(zhuǎn)換器的(-)輸入端，有效降低了環(huán)境溫度對傳感器信號的影響，降低了該測量裝置對溫度的敏感性。

(3)采用基于差分采集的方式，完成了溫度補償，又實現(xiàn)了差分放大、采集，抑制共模噪聲，實現(xiàn)了氣體濃度的高精度測量，該方案較普通單端采集模式，減小了硬件實現(xiàn)規(guī)模，具有應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本發(fā)明中數(shù)據(jù)采集及USB通信單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明中傳感器調(diào)理電路的電路圖；

圖4是本發(fā)明中溫敏電阻調(diào)理電路的電路圖。

圖中：101、探頭；102、變換器單元；103、數(shù)據(jù)采集及USB通信單元；104、計算機單元；301、差分式A/D轉(zhuǎn)換器；302、FPGA主控芯片；303、USB通信芯片；304、標(biāo)準(zhǔn)的B型USB插座。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

如圖1、圖2所示，基于差分式采集的氣體濃度測量裝置，包括用于監(jiān)測氣體濃度和環(huán)境溫度的探頭101、用于將氣體傳感器的信號進(jìn)行調(diào)理和放大，并且同時完成一路溫度補償信號調(diào)理的變換器單元102、將氣體濃度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理和顯示的計算機單元104，還包括利用差分A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)差分式數(shù)據(jù)采集并傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集及USB通信單元103，探頭101、變換器單元102、數(shù)據(jù)采集及USB通信單元103和計算機單元104的數(shù)據(jù)信號依次傳輸連接；氣體傳感器的信號進(jìn)行調(diào)理和放大后輸入差分式A/D轉(zhuǎn)換器301的(+)輸入端，溫度補償信號調(diào)理后輸入差分式A/D轉(zhuǎn)換器301的(-)輸入端，形成差分輸入。

本發(fā)明中差分式A/D轉(zhuǎn)換器301具備對差分信號可編程增益放大的功能，可將氣體傳感器輸出信號與溫度補償信號進(jìn)行差分放大、A/D轉(zhuǎn)換，得到對應(yīng)的數(shù)字信號。

數(shù)據(jù)采集及USB通信單元103還包括FPGA主控芯片302、用于將獲取到的氣體傳感器信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的USB格式數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB通信芯片303、通過USB電纜實現(xiàn)與計算機單元104連接的標(biāo)準(zhǔn)的B型USB插座304，F(xiàn)PGA主控芯片302的I/O口分別與A/D轉(zhuǎn)換器301的控制及數(shù)據(jù)輸出端口和USB通信芯片303的控制及數(shù)據(jù)輸入端口連接，USB通信芯片303的數(shù)據(jù)輸出端口與標(biāo)準(zhǔn)B型USB插座304的數(shù)據(jù)端口連接，標(biāo)準(zhǔn)的B型USB插座304與計算機單元104連接。

計算機單元104將傳輸來的數(shù)字信號進(jìn)行實時解析，通過屏幕顯示測量的濃度值。

探頭101包括用于監(jiān)測氣體濃度的氣體傳感器和用于環(huán)境溫度監(jiān)測的溫敏電阻；變換器單元102包括傳感器調(diào)理電路和溫敏電阻調(diào)理電路；氣體傳感器的信號輸出端與傳感器調(diào)理電路的信號輸入端連接，溫敏電阻的信號輸出端與溫敏電阻調(diào)理電路的信號輸入端連接，傳感器調(diào)理電路的信號輸出端與差分式A/D轉(zhuǎn)換器301的(+)輸入端連接，溫敏電阻調(diào)理電路的信號輸出端與差分式A/D轉(zhuǎn)換器301的(-)輸入端連接。

作為優(yōu)選，差分式A/D轉(zhuǎn)換器301型號是ADS1118。

作為優(yōu)選，USB通信芯片303型號是FT245。

如圖3所示，具體地，感器調(diào)理電路包括由運算放大器U1A、第一電容C1、第一電阻R1和第二電阻R2組成的同相放大器、由第三電阻R3和第二電容C2組成的一階低通濾波器和由運算放大器U1B構(gòu)成的射級跟隨器，氣體傳感器的輸出信號Ui接入運算放大器U1A的正相輸入端，運算放大器U1A的反相輸入端分別與第一電阻R1的第一端、第二電阻R2的第一端和第一電容C1的第一端連接，第一電阻R1的第二端接地，第一電容C1的第二端分別與第二電阻R2的第二端、第三電阻R3的第一端和運算放大器U1A的輸出端連接，第三電阻R3的第二端分別與第二電容C2的第一端和運算放大器U1B的同相輸入端連接，第二電容C2的第二端接地，運算放大器U1B的反相輸入端和運算放大器U1B的輸出端連接后輸出傳感器信號Um。第一電阻R1和第二電阻R2組成的同相放大器將氣體傳感器的微弱信號進(jìn)行放大；由第三電阻R3和第二電容C2組成的一階低通濾波器可濾除高頻噪聲，得到信噪比較高的傳感器信號。

作為優(yōu)選，運算放大器U1A和運算放大器U1B的型號均為ADA4077-2。

如圖4所示，具體地，溫敏電阻調(diào)理電路包括由運算放大器U1C、第三電容C3、第八電阻R8和第九電阻R9組成的同相放大器、由第十電阻R10和第四電容C4組成的一階低通濾波器、由運算放大器U1D構(gòu)成的射級跟隨器、由第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7和溫敏電阻RT構(gòu)成的恒流源電路，5V電壓接入第四電阻R4的第一端，第四電阻R4的第二端與第五電阻R5的第一端連接，第五電阻R5的第二端分別與運算放大器U1C的正相輸入端和第六電阻R6的第一端連接，第六電阻R6的第二端與溫敏電阻RT的第一端連接，溫敏電阻RT的第二端與第七電阻R7的第一端連接，第七電阻R7的第二端接地，運算放大器U1C的反相輸入端分別與第八電阻R8的第一端、第九電阻R9的第一端和第三電容C3的第一端連接，第八電阻R8的第二端接地，第三電容C3的第二端分別與第九電阻R9的第二端、第十電阻R10的第一端和運算放大器U1C的輸出端連接，第十電阻R10的第二端分別與第四電容C4的第一端和運算放大器U1D的同相輸入端連接，第四電容C4的第二端接地，運算放大器U1D的反相輸入端和運算放大器U1D的輸出端連接后輸出溫度信號Ut。5V電壓接入為恒流源電路供電；第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6和第七電阻R7構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)給溫敏電阻RT提供合適的工作電流并獲得一定偏置的、包含溫度信息的電壓信號，該信號送入運算放大器U1C的(+)端，經(jīng)過第八電阻R8和第九電阻R9構(gòu)成的同相放大器，將溫度信號進(jìn)行放大，再經(jīng)過第十電阻R10和第四電容C4構(gòu)成的一階低通濾波器，得到信噪比較高的溫度信號，信號經(jīng)過運算放大器U1D構(gòu)成的射級跟隨器后，即得到最終輸出的溫度信號Ut，該信號送入A/D轉(zhuǎn)換器301的(-)輸入端即可。

作為優(yōu)選，運算放大器U1C和運算放大器U1D的型號均為ADA4077-2。

本專利采用基于差分式采集的氣體濃度測量方法，設(shè)計了一種測量裝置，即實現(xiàn)了對氣體傳感器測量數(shù)據(jù)的差分采集、放大，抑制共模噪聲，又實現(xiàn)了氣體傳感器的溫度補償。該差分式采集方式有效減小了測量噪聲，降低了測量裝置對環(huán)境溫度的敏感性，提高了氣體傳感器的測量精度。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其效物界定。