基于差分式采集的气体浓度测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术基于差分式采集的气体浓度测量装置，包括用于监测气体浓度和环境温度的探头、用于将气体传感器的信号进行调理和放大，并且同时完成一路温度补偿信号调理的变换器单元、将气体浓度测量数据进行实时处理和显示的计算机单元，还包括利用差分A/D转换器实现差分式数据采集并传输的数据采集及USB通信单元，气体传感器的信号进行调理和放大后输入差分式A/D转换器的(+)输入端，温度补偿信号调理后输入差分式A/D转换器的(‑)输入端，形成差分输入。本发明专利技术实现了对气体传感器测量数据的差分采集、放大，抑制共模噪声，又实现了气体传感器的温度补偿，有效减小了测量噪声，降低了测量装置对环境温度的敏感性，提高了气体传感器的测量精度。

Gas concentration measuring device based on differential collection

The gas concentration measurement device based on differential acquisition, including probe for monitoring gas concentration, and temperature for gas sensor signal conditioning and amplification, and at the same time to complete the converter unit, a temperature compensation signal conditioning of the gas concentration measurement of real-time data processing and computer display unit, also including the use of poor implementation of differential data acquisition and transmission of the data acquisition and USB communication unit consists of A/D converter, signal conditioning and amplification of the gas sensor input differential A/D converter (+) input, temperature compensation signal conditioning input differential A/D converter () input form differential input. The invention realizes the data sensor acquisition, differential amplifier, common mode noise suppression, and realize the temperature compensation of gas sensors, effectively reduce the measurement noise, reduce the sensitivity of the measuring device of the environmental temperature, improve the measurement accuracy of gas sensor.

【技术实现步骤摘要】
基于差分式采集的气体浓度测量装置
本专利技术属于气体浓度测量
，具体涉及一种基于差分式采集的气体浓度测量装置。
技术介绍
气体浓度测量装置，通常包括气体传感器(探头)、变换器单元、数据采集单元和计算机软件处理单元四个部分。测量装置的实现方式是将气体传感器输出经过变换器放大后，模拟信号直接送入A/D转换器的模拟输入端，而信号端的地与A/D转换器的地连在一起，即通过单端的A/D转换器实现传感器信号的采集。数据采集单元将A/D转换后得到的数字信号进行控制和传输，送入计算机软件处理单元，实现气体浓度数据的显示和处理。上述传统技术中，对于传统的单端A/D转换器采集气体传感器信号的方法，传感器的信号地和A/D转换器的地线连在一起。当探头与变换器单元间的连线较长时，在气体传感器的模拟信号线上容易受到干扰，导致数据采集单元输出端的信号噪声较大，对于低浓度的气体测量而言，信号会基本淹没在噪声中，信噪比很低，不利于低浓度气体的精确测量和分辨。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于差分式采集的气体浓度测量装置。本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：基于差分式采集的气体浓度测量装置，包括用于监测气体浓度和环境温度的探头、用于将气体传感器的信号进行调理和放大，并且同时完成一路温度补偿信号调理的变换器单元、将气体浓度测量数据进行实时处理和显示的计算机单元，还包括利用差分A/D转换器实现差分式数据采集并传输的数据采集及USB通信单元，探头、变换器单元、数据采集及USB通信单元和计算机单元的数据信号依次传输连接；气体传感器的信号进行调理和放大后输入差分式A/D转换器的(+)输入端，温度补偿信号调理后输入差分式A/D转换器的(-)输入端，形成差分输入。具体地，数据采集及USB通信单元还包括FPGA主控芯片、用于将获取到的气体传感器信号转换为标准的USB格式数据并进行数据传输的USB通信芯片、通过USB电缆实现与计算机单元连接的标准的B型USB插座，FPGA主控芯片的I/O口分别与A/D转换器的控制及数据输出端口和USB通信芯片的控制及数据输入端口连接，USB通信芯片的数据输出端口与标准B型USB插座的数据端口连接，USB电缆实现标准的B型USB插座与计算机的连接。具体地，探头包括用于监测气体浓度的气体传感器和用于环境温度监测的温敏电阻；变换器单元包括传感器调理电路和温敏电阻调理电路；气体传感器的信号输出端与传感器调理电路的信号输入端连接，温敏电阻的信号输出端与温敏电阻调理电路的信号输入端连接，传感器调理电路的信号输出端与差分式A/D转换器的(+)输入端连接，温敏电阻调理电路的信号输出端与差分式A/D转换器的(-)输入端连接。作为优选，差分式A/D转换器型号是ADS1118。作为优选，USB通信芯片型号是FT245。具体地，传感器调理电路包括由运算放大器U1A、第一电容、第一电阻和第二电阻组成的同相放大器、由第三电阻和第二电容组成的一阶低通滤波器和由运算放大器U1B构成的射级跟随器，气体传感器的输出信号Ui接入运算放大器U1A的正相输入端，运算放大器U1A的反相输入端分别与第一电阻的第一端、第二电阻的第一端和第一电容的第一端连接，第一电阻的第二端接地，第一电容的第二端分别与第二电阻的第二端、第三电阻的第一端和运算放大器U1A的输出端连接，第三电阻的第二端分别与第二电容的第一端和运算放大器U1B的同相输入端连接，第二电容的第二端接地，运算放大器U1B的反相输入端和运算放大器U1B的输出端连接后输出传感器信号Um。作为优选，运算放大器U1A和运算放大器U1B的型号均为ADA4077-2。具体地，温敏电阻调理电路包括由运算放大器U1C、第三电容、第八电阻和第九电阻组成的同相放大器、由第十电阻和第四电容组成的一阶低通滤波器、由运算放大器U1D构成的射级跟随器、由第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻和温敏电阻构成的恒流源电路，5V电压接入第四电阻的第一端，第四电阻的第二端与第五电阻的第一端连接，第五电阻的第二端分别与运算放大器U1C的正相输入端和第六电阻的第一端连接，第六电阻的第二端与温敏电阻的第一端连接，温敏电阻的第二端与第七电阻的第一端连接，第七电阻的第二端接地，运算放大器U1C的反相输入端分别与第八电阻的第一端、第九电阻的第一端和第三电容的第一端连接，第八电阻的第二端接地，第三电容的第二端分别与第九电阻的第二端、第十电阻的第一端和运算放大器U1C的输出端连接，第十电阻的第二端分别与第四电容的第一端和运算放大器U1D的同相输入端连接，第四电容的第二端接地，运算放大器U1D的反相输入端和运算放大器U1D的输出端连接后输出温度信号Ut。作为优选，运算放大器U1C和运算放大器U1D的型号均为ADA4077-2。本专利技术的有益效果在于：本专利技术具备以下优点：(1)采用差分采集方式，实现高信噪比下的气体传感器信号测量，有效降低系统测量的噪声值，保证了较高的测试精度要求。(2)采用硬件温度补偿信号作为差分式A/D转换器的(-)输入端，有效降低了环境温度对传感器信号的影响，降低了该测量装置对温度的敏感性。(3)采用基于差分采集的方式，完成了温度补偿，又实现了差分放大、采集，抑制共模噪声，实现了气体浓度的高精度测量，该方案较普通单端采集模式，减小了硬件实现规模，具有应用前景。附图说明图1是本专利技术的结构框图；图2是本专利技术中数据采集及USB通信单元结构示意图；图3是本专利技术中传感器调理电路的电路图；图4是本专利技术中温敏电阻调理电路的电路图。图中：101、探头；102、变换器单元；103、数据采集及USB通信单元；104、计算机单元；301、差分式A/D转换器；302、FPGA主控芯片；303、USB通信芯片；304、标准的B型USB插座。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明：如图1、图2所示，基于差分式采集的气体浓度测量装置，包括用于监测气体浓度和环境温度的探头101、用于将气体传感器的信号进行调理和放大，并且同时完成一路温度补偿信号调理的变换器单元102、将气体浓度测量数据进行实时处理和显示的计算机单元104，还包括利用差分A/D转换器实现差分式数据采集并传输的数据采集及USB通信单元103，探头101、变换器单元102、数据采集及USB通信单元103和计算机单元104的数据信号依次传输连接；气体传感器的信号进行调理和放大后输入差分式A/D转换器301的(+)输入端，温度补偿信号调理后输入差分式A/D转换器301的(-)输入端，形成差分输入。本专利技术中差分式A/D转换器301具备对差分信号可编程增益放大的功能，可将气体传感器输出信号与温度补偿信号进行差分放大、A/D转换，得到对应的数字信号。数据采集及USB通信单元103还包括FPGA主控芯片302、用于将获取到的气体传感器信号转换为标准的USB格式数据并进行数据传输的USB通信芯片303、通过USB电缆实现与计算机单元104连接的标准的B型USB插座304，FPGA主控芯片302的I/O口分别与A/D转换器301的控制及数据输出端口和USB通信芯片303的控制及数据输入端口连接，USB通信芯片303的数据输出端口与标准B型USB插座304的数据端口连接，标准的B型USB插本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于差分式采集的气体浓度测量装置，包括用于监测气体浓度和环境温度的探头、用于将气体传感器的信号进行调理和放大，并且同时完成一路温度补偿信号调理的变换器单元、将气体浓度测量数据进行实时处理和显示的计算机单元，其特征在于：还包括利用差分A/D转换器实现差分式数据采集并传输的数据采集及USB通信单元，探头、变换器单元、数据采集及USB通信单元和计算机单元的数据信号依次传输连接；气体传感器的信号进行调理和放大后输入差分式A/D转换器的(+)输入端，温度补偿信号调理后输入差分式A/D转换器的(‑)输入端，形成差分输入。

【技术特征摘要】
1.基于差分式采集的气体浓度测量装置，包括用于监测气体浓度和环境温度的探头、用于将气体传感器的信号进行调理和放大，并且同时完成一路温度补偿信号调理的变换器单元、将气体浓度测量数据进行实时处理和显示的计算机单元，其特征在于：还包括利用差分A/D转换器实现差分式数据采集并传输的数据采集及USB通信单元，探头、变换器单元、数据采集及USB通信单元和计算机单元的数据信号依次传输连接；气体传感器的信号进行调理和放大后输入差分式A/D转换器的(+)输入端，温度补偿信号调理后输入差分式A/D转换器的(-)输入端，形成差分输入。2.根据权利要求1的基于差分式采集的气体浓度测量装置，其特征在于：数据采集及USB通信单元还包括FPGA主控芯片、用于将获取到的气体传感器信号转换为标准的USB格式数据并进行数据传输的USB通信芯片、通过USB电缆实现与计算机单元连接的标准的B型USB插座，FPGA主控芯片的I/O口分别与A/D转换器的控制及数据输出端口和USB通信芯片的控制及数据输入端口连接，USB通信芯片的数据输出端口与标准B型USB插座的数据端口连接，USB电缆实现标准的B型USB插座与计算机的连接。3.根据权利要求1的基于差分式采集的气体浓度测量装置，其特征在于：探头包括用于监测气体浓度的气体传感器和用于环境温度监测的温敏电阻；变换器单元包括传感器调理电路和温敏电阻调理电路；气体传感器的信号输出端与传感器调理电路的信号输入端连接，温敏电阻的信号输出端与温敏电阻调理电路的信号输入端连接，传感器调理电路的信号输出端与差分式A/D转换器的(+)输入端连接，温敏电阻调理电路的信号输出端与差分式A/D转换器的(-)输入端连接。4.根据权利要求1的基于差分式采集的气体浓度测量装置，其特征在于：差分式A/D转换器型号是ADS1118。5.根据权利要求2的基于差分式采集的气体浓度测量装置，其特征在于：USB通信芯片型号是FT245。6.根据权利要求3的基于差分式采集的气体浓度测量装置，其特征在于：传感器调理电路包括由运算放大器U1A、第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：张奇，聂飞，陈练，罗承刚，宁菲，乔刚，季锡林，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院总体工程研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51