电化学气体传感器偏压与非偏压工作电路及偏压配置电路

摘要

本发明公开了电化学气体传感器偏压与非偏压工作电路及偏压配置电路,涉及气体检测技术，旨在针对现有技术的不足提供一种既能适应偏压工作方式又能适应非偏压工作方式的传感器工作电路。本发明技术要点在于：包括传感器供电电路、偏压配置电路与传感器输出信号提取电路；传感器输出信号提取电路用于接收并放大电化学气体传感器工作电极输出的电流信号；偏压配置电路具有第一电压输出端与第二电压输出端；第一电压供给传感器供电电路；传感器供电电路用于将第一电压传输给电化学气体传感器的对电极；第二电压供给电化学气体传感器的工作电极；所述偏压配置电路可配置其输出的第一电压与第二电压相等或不等。

说明书

技术领域

本发明涉及气体检测技术，特别是一种电化学气体传感器的偏压与非偏压自适应电路。

背景技术

在气体检测行业中，对有毒气体的检测是行业中非常重要的一部份。有毒气体检测主要通过电化学气体传感器来实现，电化学气体传感器具有反映速度快、准确（可用于ppm级），稳定性好、能够定量检测、可重复性好、抗干扰能力强等优点。

电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。典型的电化学传感器由工作电极（或传感电极）和对电极组成，工作电极与对电极之间由一个薄电解层隔开。当目标气体进入传感器后，与工作电极发生氧化还原反应，产生电流，检测所述电流便可测得目标气体浓度。为了将工作电极的电位稳定在一个特定范围内以保证电化学气体传感器正常工作，人们引入了第三电极，即参考电极。

电化学类气体传感器的工作方式可分为偏压工作方式和非偏压工作方式。所谓偏压工作方式，是指电化学气体传感器在工作期间，要求工作电极与对电极之间要保持一定的电压差，这样才能进行目标气体浓度的有效检测；所谓非偏压工作，是指电化学气体传感器的工作电极和对电极不需要电压差（电位相等）。在实际运用中，根据不同的目标气体检测特点，需要设计不同的传感器工作电路，以保证传感器正常可靠的工作，从而有效检测目标气体浓度。

由于现有技术中，据不同的目标气体检测特点，需要设计不同的传感器工作电路，对于用户来说就需要购买至少两套传感器工作电路，并且根据检测的目标气体特点选用不同的传感器电路，这样不仅增加了成本，工作效率也低下。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种能够自适应电化学气体偏压与非偏压工作状态的传感器电路及其偏压配置电路。

本发明中的电化学气体传感器偏压与非偏压工作电路是这样的：包括传感器供电电路、偏压配置电路与传感器输出信号提取电路；传感器供电电路用于给电化学气体传感器供电；所述传感器输出信号提取电路用于接收并放大电化学气体传感器工作电极输出的电流信号；偏压配置电路用于配置电化学气体传感器的方式供电，使其工作在偏压或非偏压工作方式。

优选地，所述偏压配置电路具有第一电压输出端与第二电压输出端；

第一电压输出端用于向传感器供电电路提供第一电压；所述传感器供电电路用于将第一电压传输给电化学气体传感器的对电极；

第二电压输出端用于向电化学气体传感器的工作电极提供第二电压；所述偏压配置电路可配置其输出的第一电压与第二电压相等或不等。

优选地，所述偏压配置电路的第二电压输出端还用于向所述传感器输出信号提取电路提供初始电压。

优选地，所述电化学气体传感器还包括参考电极；所述传感器供电电路包括第一运算放大器、第一电阻及第二电阻；偏压配置电路的第一电压输出端通过第一电阻与第一运算放大器的正相输入端连接；第二电阻的一端与第一运算放大器的反相输入端连接，第二电阻的另一端用于连接电化学气体传感器的参考电极；所述第一运算放大器的输出端用于连接电化学气体传感器的对电极。

优选地，第一运算放大器的输出端与第二电阻中用于连接电化学气体传感器参考电极的一端之间接有滤波电容。

优选地，所述传感器输出信号提取电路包括第二运算放大器、第三电阻、第四电阻及第五电阻；所述偏压配置电路的第二电压输出端通过第三电阻与第二运算放大器的正相输入端连接；所述第四电阻的一端与第二运算放大器的反相输入端连接, 第四电阻另一端用于连接电化学气体传感器的工作电极；第二运算放大器的反相输入端通过第五电阻与第二运算放大器的输出端连接。

优选地，所述偏压配置电路包括第一分压电阻、第二分压电阻与第三分压电阻；第一分压电阻、第二分压电阻与第三分压电阻顺序连接，第一分压电阻的另一端接有直流电压源；第三分压电阻的另一端接地；第一分压电阻与第二分压电阻的公共连接段为偏压配置电路的第一电压输出端；第二分压电阻与第三分压电阻的公共连接段为偏压配置电路的第二电压输出端；所述第二分压电阻的两端并联有一开关。

优选地，所述第二分压电阻为阻值可调的可变电阻。

本发明还提供了电化学气体传感器偏压与非偏压工作电路的偏压配置电路，其包括第一分压电阻、第二分压电阻与第三分压电阻；第一分压电阻、第二分压电阻与第三分压电阻顺序连接，第一分压电阻的另一端接有直流电压源；第三分压电阻的另一端接地；第一分压电阻与第二分压电阻的公共连接段为偏压配置电路的第一电压输出端；第二分压电阻与第三分压电阻的公共连接段为偏压配置电路的第二电压输出端；所述第一电压输出端与第二电压输出端用于向电化学气体传感器的对电极与工作电极供电；所述第二分压电阻的两端并联有一开关。

优选地，所述第二分压电阻为阻值可调的可变电阻。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明可以兼容电化学气体传感器的偏压与非偏压工作方式，仅需要一套传感器电路便可满足不同目标气体的检测要求，大大简化产品设计和生产，节省了成本。

2、通过所述开关可以将传感器电路配置为偏压或非偏压工作方式，在偏压工作方式下通过调整第二分压电阻阻值以提供与电化学气体传感器相适应的偏压，相对于现有技术更换传感器电路的做法本发明有效提高了工作效率。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的电路原理框图。

图2是本发明一个具体实施例的电路原理图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，本发明中的电化学气体传感器偏压与非偏压工作电路,包括传感器供电电路、传感器输出信号提取电路以及偏压配置电路。其中传感器输出信号提取电路用于接收并放大电化学气体传感器工作电极输出的电流信号，偏压配置电路，用于控制电化学气体传感器的供电，使其工作在偏压或非偏压工作方式。

如图2，本发明的一个具体实施例是：本实施例包括传感器供电电路、传感器输出信号提取电路以及偏压配置电路。所述电化学气体传感器为三电极结构，包括工作电极2、对电极1及参考电极3。

传感器输出信号提取电路用于接收工作电极2输出的电流信号并将其放大后输出。

所述偏压配置电路具有第一电压VS1输出端与第二电压VS2输出端。第一电压VS1输出端用于向传感器供电电路提供第一电压VS1；所述传感器供电电路用于将第一电压VS1传输给电化学气体传感器的对电极1，为电化学气体传感器提供恒定的工作电压。第二电压VS2输出端用于向电化学气体传感器的工作电极2提供第二电压VS2。所述偏压配置电路的第二电压VS2输出端还用于向所述传感器输出信号提取电路提供初始电压，当电化学气体传感器无输出信号时，传感器输出信号提取电路输出一初始值。

所述偏压配置电路可配置其输出的第一电压VS1与第二电压VS2相等或不等。

具体的，所述传感器供电电路包括运算放大器U3A、电阻R13及电阻R12；偏压配置电路的第一电压VS1输出端通过电阻R13与运算放大器U3A的正相输入端连接；电阻R12的一端与运算放大器U3A的反相输入端连接，电阻R12的另一端用于连接电化学气体传感器的参考电极3；所述运算放大器U3A的输出端用于连接电化学气体传感器的对电极1。

为了稳定电化学气体传感器对电极上的电位，可以在运算放大器U3A的输出端与电阻R12中用于连接电化学气体传感器的参考电极3的一端之间接入滤波电容C3，也即是在运算放大器U3A的输出端与电化学气体传感器的参考电极3之间接入滤波电容C3。

所述传感器输出信号提取电路包括运算放大器U3B、电阻R14、电阻R16及电阻R18；所述偏压配置电路的第二电压VS2输出端通过电阻R18与运算放大器U3B的正相输入端连接；所述电阻R16的一端与运算放大器U3B的反相输入端连接,电阻R16另一端用于连接电化学气体传感器的工作电极2；运算放大器U3B的反相输入端通过电阻R14与运算放大器U3B的输出端连接。电化学气体传感器的气体响应电流，即目标气体在工作电极上发生氧化还原反应后输出的电流，流经电阻R16、电阻R14，从而在电阻R14上得到与电流成正比的电压信号，作为气体响应信号输出。

所述偏压配置电路包括分压电阻R15、分压电阻R17与分压电阻R19；分压电阻R15、分压电阻R17与分压电阻R19顺序连接，其中，分压电阻R15未连接分压电阻R17的一端接有直流电压源；分压电阻R19未连接分压电阻R17的一端接地；分压电阻R15与分压电阻R17的公共连接段为偏压配置电路的第一电压VS1输出端；分压电阻R17与分压电阻R19的公共连接段为偏压配置电路的第二电压VS2输出端。

在本实施例中，电阻R17又可称为偏压电阻，其两端的电位差（VS1-VS2）为电化学气体传感器提供偏置电压。

当电化学气体传感器工作在偏压模式时，电阻R15、电阻R17及电阻R19共同组成分压电路，得到电压VS1>VS2，其中VS2为电化学气体传感器的工作电极2提供工作电压，同时为传感器输出信号提取电路提供初始电压，即环境中目标气体为零时，传感器输出信号提取电路的输出电压为VS2。VS1为电化学气体传感器对电极提供工作电压，即传感器供电电压，在本实施例中通过传感器供电电路输出给电化学传感器的对电极1。由于电阻R17的分压作用，使得VS1>VS2，使得传感器对电极电压高于工作电极电压，形成偏置电压（VS1-VS2），其中VS1/VS2的值，根据传感器自身参数，由分压电阻R15、电阻R17及电阻R19配置得到。具体的可以将电阻R17设计为阻值可调的可变电阻或电位计，通过调整R17的阻值改变（VS1-VS2）的值，从而为电化学气体传感器提供合适的偏置电压。

当电化学气体传感器工作在非偏压模式时，VS1=VS2，电化学传感器的工作电极和对电极电压值相等。要使VS1=VS2，可以使用一根导线将电阻R17短接，即将导线并联在电阻R17两端，或者将一开关并联在电阻R17的两端，开关闭合时，VS1=VS2，电化学气体传感器工作在非偏压工作方式下；当开关断开时，电化学气体传感器工作在偏压工作方式下。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。