基于非分散红外原理的热电堆传感器原理分析及电路设计

　　然后，对于未知浓度(x)的气体，其中：

　　ACT表示未知气体环境中测量通道传感器的峰峰值输出。

　　REF表示未知气体环境中基准通道传感器的峰峰值输出。

　　T表示未知气体的温度，单位为K。

　　此方程假定 TLOW = TCAL.

　　环境温度的影响

　　热电堆传感器通过吸收辐射来检测温度，但也会对环境温度变化作出响应，导致杂散和干扰信号增加。由于这个原因，很多热电堆传感器都在封装内集成了热敏电阻。

　　辐射吸收与腔室中的目标分子数量有关，而非目标气体的绝对百分比。因此，吸收采用标准大气压力下的理想气体定律表述。

　　有必要同时记录校准状态和测量状态下的温度数据：

　　其中：

　　x 表示无温度补偿时的气体浓度。

　　TLOW 表示校准时的气体温度，单位为K。

　　T 表示采样时的温度，单位为K。

　　xT 表示温度为T时的气体浓度。

　　理想气体定律下除了浓度会随温度而变之外，SPAN和FA也会随温度而产生轻微变化，在进行精度极高的浓度测量时可能需要校正。

　　本文不涉及SPAN和FA温度校正，但可以从SGX Sensor tech的应用笔记1、应用笔记2、应用笔记3、应用笔记4和应用笔记5，以及Alphasense Limi ted的应用笔记A AN-201、A AN-202、A AN-203、AAN-204和AAN-205中获取详情。

　　热电堆驱动器

　　HTS-E21-F3.91/F4.26热电堆(Heimann Sensor, GmbH)的每一个通道都有84 kΩ内阻。单通道等效驱动电路如图7所示。内部84 kΩ热电堆内阻和外部8.2 nF电容组成RC低通噪声滤波器，-3 dB截止频率为：

　　改变不同热电堆的C11和C15也就改变了噪声性能和响应时间。

　　图7. 热电堆驱动器等效电路，G = 214.6

　　84 kΩ/8.2 nF滤波器的阶跃函数 22位建立时间约为：

　　AD8629同相放大器增益设置为214.6，-3 dB截止频率为：

　　22位建立时间约为：

　　NDIR最大斩波频率为5 Hz，因此半周期脉冲宽度最小值为100 ms。22位建立时间约为0.1倍最小斩波脉冲宽度。

　　AD8629的0.1 Hz至10 Hz输入电压噪声为0.5 μV p-p。忽略传感器电压噪声和AD8629电流噪声，则热电堆的1 mV p-p信号输出具有如下信噪比(SNR)：

　　其中一个热电堆以伪差分输入方式连接ADuCM360 ADC1/ADC3输入引脚，另一个个连接ADC2/ADC3输入引脚。ADC3输入引脚连接200 mV共模电压，由低噪声放大器ADA4528-1驱动。ADA4528-1的0.1 Hz至10 Hz输入电压噪声为99 nV p-p。若要使ADC输入引脚保持在0.1 V以上，则需使用200 mV共模电压。

　　AD8629级的增益为214.6，ADuCM360内部PGA增益通过软件自动设定，范围为1至128，确保输入信号匹配ADC输入的满量程范围(即±1.2 V)。来自热电堆的峰峰值信号范围为几百微伏至几毫伏。例如，假设满量程热电堆信号为1 mV p-p，则PGA增益4可产生860 mV p-p的ADC输入信号。

　　不同灵敏度的热电堆可能会要求AD8629级具有不同增益。如需将CN-0338 Arduino扩展板与其它ADC内部没有集成PGA的Arduino平台连接，则可能需要更高的增益。

　　改变AD8629增益的最简单方法是改变R6和R10;这样不会影响由R5/R8和C9/C10决定的主极点频率。

　　软件可以选择热电堆输出数据处理算法。用户可以在峰峰值算法和均值算法之间作出选择。

　　更多有关信号采集、光源脉冲定时以及温度补偿处理算法的详细信息，请参阅CN-0338设计支持包和CN-0338用户指南中的CN-0338 源代码。.

　　NTC热敏电阻驱动器

　　热电堆中的集成式NTC温度传感器特性如下：

　　RTH = 100 kΩ

　　β = 3940

　　热敏电阻驱动器的戴维宁等效电路参见图8。R3和R4分压器电阻提供670.3 mV电压源，并与103.6 kΩ电阻串联。驱动电压为670.3 mV -200 mV = 470.3 mV。

　　图8. NTC热敏电阻驱动器等效电路

　　当RTH = 100 kΩ时(25°C)，热敏电阻上的电压为231 mV，因此测量时，将PGA增益设为4。

　　ADuCM360中的灵活输入多路复用器和双通道ADC支持热电堆信号和温度传感器信号的同时采样，以补偿漂移。