一种加热功率恒定的半导体气体传感器

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，特别是一种加热功率恒定的半导体气体传感器。

背景技术

气体传感器主要有半导体式、接触燃烧方式、化学反应式、光干涉式、热传导式、红外线吸收散式等，而这当中以半导体气体传感器因其自身具备的可选择性使得应用更为广泛。半导体气体传感器由气敏部分、加热丝以及防爆网等构成，它是在气敏部分的SnO

半导体气体传感器的两个关键部分是加热电丝和气体敏感膜(气敏部分)，其以陶瓷管为框架，外覆一层敏感膜的材料，利用膜两端的镀金引脚进行测量。敏感膜的材料常用的有金属氧化物、高分子聚合物材料和胶体敏感膜等，金电极连接气敏材料的两端，使其等效为一个阻值随外部待测气体浓度变化的电阻。由于金属氧化物有很高的热稳定性，而且这种传感器仅在半导体表面层产生可逆氧化还原反应，半导体内部化学结构不变，因此，长期使用也可获得较高的稳定性。原理简介如下：金属氧化物一旦被加热丝加热，空气中的氧就会从金属氧化物半导体结晶粒子的施主能级中夺走电子，而在结晶表面上吸附负电子，使表面电位增高，从而阻碍导电电子的移动，所以，传感器在空气中为恒定的电阻值；这时还原性气体与半导体表面吸附的氧发生氧化反应，由于气体分子的离吸作用使其表面电位高低发生变化，因此，传感器的电阻值会发生变化。对于还原性气体，电阻值减小；对于氧化性气体，则电阻值增大。这样，根据电阻值的变化就能检测气体的浓度。

基于上述半导体气体传感器特性，例如高低温、高低湿环境下运行会对其加热丝加热效率有一定的影响即在常规固定电压下会导致其实际加热功率出现不同情况的浮动，这就导致了传感器气敏部分容易受热忽高忽低，性能衰退，从而导致传感器的稳定性和精度下降，降低传感器的使用寿命，且限制了传感器的应用环境。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种加热功率恒定的半导体气体传感器，使传感器的加热丝保持恒功率加热，提高了传感器的使用寿命、稳定性和精度，可应用于更多环境恶劣的应用场景。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种加热功率恒定的半导体气体传感器，包括传感器模块和加热功率控制系统；所述传感器模块的加热功率检测端和所述加热功率控制系统的输入端电连接，所述加热功率控制系统的控制端和所述传感器模块的加热丝供电端电连接；

所述加热功率控制系统用于检测所述传感器模块的加热丝的加热功率，并根据所述加热功率的变化反向调节所述传感器模块的加热丝的供电功率。

进一步的，所述加热功率控制系统包括控制器模块、加热功率检测模块和恒功率调节模块；所述加热功率检测模块的输入端用作所述加热功率控制系统的输入端，所述恒功率调节模块的输出端用作所述加热功率控制系统的控制端；

所述加热功率检测模块的输出端和所述控制器模块的输入端电连接，所述控制器模块的输出端和所述恒功率调节模块的输入端电连接；

所述加热功率检测模块用于检测所述传感器模块的加热丝的加热功率；

所述控制器模块用于接收所述加热功率，并根据所述加热功率的变化反向调节生成调节信号；

所述恒功率调节模块用于接收并根据所述调节信号调节所述传感器模块的加热丝的供电功率；

所述调节信号为PWM信号。

进一步的，所述控制器模块用于接收所述加热功率与内设的恒定加热功率，然后根据PID算法得出功率控制量，并根据所述功率控制量生成调节信号。

进一步的，所述传感器模块包括半导体气体传感器芯片U5；所述半导体气体传感器芯片U5的VH端和GND端均用作所述传感器模块的加热功率检测端，所述半导体气体传感器芯片U5的VH端用作所述传感器模块的加热丝供电端。

进一步的，所述恒功率调节模块包括电阻R8、电阻R9、电容C9、电容C10、隔离运放芯片U6、电容C11、电阻R13、电阻R14和三极管Q2；所述电阻R8的一端用作所述恒功率调节模块的输入端，所述电阻R13的一端用作所述恒功率调节模块的输出端；

所述电阻R8的另一端、所述电容C9的一端均和所述电阻R9的一端电连接，所述电阻R9的另一端、所述电容C10均和所述隔离运放芯片U6的+IN端电连接，所述电容C9的另一端和所述电容C10的另一端接地，所述电容C11的一端和所述隔离运放芯片U6的+VS端电连接，所述电容C11的另一端和所述隔离运放芯片U6的-VS端电连接，所述电容C11的一端接+5V电源，所述电容C11的另一端接地，所述隔离运放芯片U6的OUT端和所述三极管Q2的基极电连接，所述隔离运放芯片U6的-IN端、所述电阻R14的一端均和所述电阻R13的另一端电连接，所述电阻R14的另一端接地，所述电阻R13的一端和所述三极管Q2的发射极电连接，所述三极管Q2的集电极接+5V电源。

进一步的，所述加热功率检测模块包括电压检测电路和电流检测电路；所述电压检测电路的输入端和所述电流检测电路的输入端均用作所述加热功率检测模块的输入端，所述电压检测电路的输出端和所述电流检测电路的输出端均用作所述加热功率检测模块的输出端；

所述电压检测电路的输入端和所述半导体气体传感器芯片U的VH端电连接；所述电流检测电路的输入端和所述半导体气体传感器芯片U的GND端电连接；

所述电压检测电路用于检测所述半导体气体传感器芯片U的加热丝的加热电压；

所述电流检测电路用于检测所述半导体气体传感器芯片U的加热丝的加热电流。

进一步的，所述电压检测电路包括电阻R11和电阻R12；所述电阻R11的一端用作所述电压检测电路的输出端，所述电阻R11的另一端用作所述电压检测电路的输入端；所述电阻R11的一端和所述电阻R12的一端电连接，所述电阻R12的另一端接地。

进一步的，所述电流检测电路包括电阻R7；所述电阻R7的一端用作所述电压检测电路的输入端或输出端；所述电阻R7的另一端接地。

进一步的，所述加热功率控制系统还包括隔离运放模块；所述传感器模块的输出端和所述隔离运放模块的输入端电连接；所述隔离运放模块的输出端和所述控制器模块的探测端电连接；

所述隔离运放模块用于对所述传感器模块探测的气体探测信号隔离放大传输至所述控制器模块。

进一步的，所述传感器模块还包括电阻R4；所述半导体气体传感器芯片U5的VS端用作所述传感器模块的输出端；

所述电阻R4的一端和所述半导体气体传感器芯片U5的VS端电连接，所述电阻R4的另一端接VDD电源；

所述隔离运放模块包括电容C8和隔离运放芯片U4；所述隔离运放芯片U4的+IN端用作所述隔离运放模块的输入端，所述隔离运放芯片U4的OUT端用作所述隔离运放模块的输出端；

所述隔离运放芯片U4的OUT端和-IN端电连接，所述隔离运放芯片U4的+VS端和所述电容C8的一端电连接，所述隔离运放芯片U4的-VS端和所述电容C8的另一端电连接，所述电容C8的一端接VDD电源，所述电容C8的另一端接地。

本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：利用加热功率控制系统实时检测传感器模块的加热丝的加热功率，并根据加热功率的变化反向调节传感器模块的加热丝的供电功率，即当加热丝的加热功率升高时，可通过降低加热丝的供电功率来降低加热功率，从而使加热功率降低保持在一个恒定功率状态，进而使传感器性能不会因实际加热功率的浮动而降低，提高了传感器的使用寿命、稳定性和精度，可应用于更多环境恶劣的应用场景。

附图说明

图1是本发明的其中一个实施例的一种加热功率恒定的半导体气体传感器的原理图。

图2是如图1所示的控制器模块的部分电路图。

图3是如图1所示的加热功率检测模块和传感器模块的电路图。

图4是如图1所示的恒功率调节模块的电路图。

图5是如图1所示的隔离运放模块的电路图。

其中：控制器模块1、传感器模块2、加热功率检测模块3、恒功率调节模块4、加热功率控制系统6、半导体气体传感器芯片U5、电阻R8、电阻R9、电容C9、电容C10、隔离运放芯片U6、电容C11、电阻R13、电阻R14、三极管Q2、电压检测电路31、电流检测电路32、电阻R11、电阻R12、电阻R7、隔离运放模块5、电阻R4、电容C8、隔离运放芯片U4。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的实施方式的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的实施方式的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的实施方式的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的实施方式中的具体含义。

下面结合图1至图5，描述本发明实施例的一种加热功率恒定的半导体气体传感器。

一种加热功率恒定的半导体气体传感器，包括传感器模块2和加热功率控制系统6；传感器模块2的加热功率检测端和加热功率控制系统6的输入端电连接，加热功率控制系统6的控制端和传感器模块2的加热丝供电端电连接；

加热功率控制系统6用于检测传感器模块2的加热丝的加热功率，并根据加热功率的变化反向调节传感器模块2的加热丝的供电功率。

本发明提出一种加热功率恒定的半导体气体传感器优选实施例中，如图1至5所示，利用加热功率控制系统6实时检测传感器模块2的加热丝的加热功率，并根据加热功率的变化反向调节传感器模块2的加热丝的供电功率，即当加热丝的加热功率升高时，可通过降低加热丝的供电功率来降低加热功率，从而使加热功率降低保持在一个恒定功率状态，进而使传感器性能不会因实际加热功率的浮动而降低，提高了传感器的使用寿命、稳定性和精度，可应用于更多环境恶劣的应用场景。

进一步的，加热功率控制系统6包括控制器模块1、加热功率检测模块3和恒功率调节模块4；加热功率检测模块3的输入端用作加热功率控制系统6的输入端，恒功率调节模块4的输出端用作加热功率控制系统6的控制端；

加热功率检测模块3的输出端和控制器模块1的输入端电连接，控制器模块1的输出端和恒功率调节模块4的输入端电连接；

加热功率检测模块3用于检测传感器模块2的加热丝的加热功率；

控制器模块1用于接收加热功率，并根据加热功率的变化反向调节生成调节信号；

恒功率调节模块4用于接收并根据调节信号调节传感器模块2的加热丝的供电功率；

调节信号为PWM信号。

本实施例中，加热功率控制系统6要实现传感器模块2的负反馈调节，由控制器模块1、加热功率检测模块3和恒功率调节模块4组成反馈回路，其中加热功率检测模块3实时检测传感器模块2的加热丝的加热功率反馈给控制器模块1，使控制器模块1(如图2的MCU)可以根据加热功率的变化反向调节生成调节信号，使恒功率调节模块4可通过调节信号反向调节传感器模块2的加热丝的供电功率，即当加热丝的加热功率升高时，可通过降低加热丝的供电功率来降低加热功率，从而使加热功率降低保持在一个恒定功率状态。

具体的，因为调节信号主要用于反向调节加热丝的加热功率，使之保持在一个恒定值，所以调节信号可以是与检测到的加热功率相对应的一个固定值，但是若采用互相对应的方式形成调节关系会存在调节过程不够连续，出现两个对应值之间出现跳变的情况，也会影响传感器的性能且反向调节精度不够；因此调节信号采用PWM信号可使加热功率调低或调低过程连续顺畅，且精度更高。

进一步的，控制器模块1用于接收加热功率与内设的恒定加热功率，然后根据PID算法得出功率控制量，并根据功率控制量生成调节信号。

本实施例中，控制器模块1根据加热功率的变化反向调节生成调节信号的过程中，为了进一步使加热功率和供电功率之间的匹配度更高，避免出现超调现象，优选采用PID算法生成功率偏差值来调节PWM信号的占空比，最终形成调节信号。

因为PID算法是一种反馈控制算法，用于调节系统的输出以使其接近预期的目标值。在控制供电功率时，PID控制算法可以根据实时测量的加热功率值与恒定加热功率(目标设定保持恒定的加热功率)之间的差异，计算出一个功率控制量；这个控制量可以被映射到PWM信号的占空比，从而调节加热丝的供电功率。如果实际加热功率低于目标加热功率，功率控制量会增加占空比，增加加热丝的供电功率；反之，如果实际功率高于目标功率，功率控制量会减小占空比，减小加热丝的供电功率。通过不断测量实际功率和调整PWM信号的占空比，PID算法可以使加热丝的供电功率保持在恒定加热功率附近。

需要说明的是，PID控制算法中：比例控制器，用于根据功率偏差调整PWM占空比；积分控制器，用于消除静态误差和提高稳定性；微分控制器，用于减小系统的超调量和提高响应速度；所以PID算法的性能很大程度上取决于三个增益参数(Kp、Ki和Kd)的选择和调整。这些参数的选择需要根据具体的系统特性和控制要求进行实验和调试。

进一步的，传感器模块2包括半导体气体传感器芯片U5；半导体气体传感器芯片U5的VH端和GND端均用作传感器模块2的加热功率检测端，半导体气体传感器芯片U5的VH端用作传感器模块2的加热丝供电端。

本实施例中，传感器模块2核心为半导体气体传感器芯片U5，因此想要实时检测传感器模块2中加热丝的加热功率，可从半导体气体传感器芯片U5的VH端和GND端分别测得加热丝的加热电压和加热电流，传输至控制器模块1后可由控制器模块1计算出加热功率；而在反馈调节的时候，保持加热丝电流不变的情况下，只要调节加热丝的加热电压即可实现加热丝的供电功率调节，即恒功率调节模块4调节半导体气体传感器芯片U5的VH端的电压即可。

进一步的，恒功率调节模块4包括电阻R8、电阻R9、电容C9、电容C10、隔离运放芯片U6、电容C11、电阻R13、电阻R14和三极管Q2；电阻R8的一端用作恒功率调节模块4的输入端，电阻R13的一端用作恒功率调节模块4的输出端；

电阻R8的另一端、电容C9的一端均和电阻R9的一端电连接，电阻R9的另一端、电容C10均和隔离运放芯片U6的+IN端电连接，电容C9的另一端和电容C10的另一端接地，电容C11的一端和隔离运放芯片U6的+VS端电连接，电容C11的另一端和隔离运放芯片U6的-VS端电连接，电容C11的一端接+5V电源，电容C11的另一端接地，隔离运放芯片U6的OUT端和三极管Q2的基极电连接，隔离运放芯片U6的-IN端、电阻R14的一端均和电阻R13的另一端电连接，电阻R14的另一端接地，电阻R13的一端和三极管Q2的发射极电连接，三极管Q2的集电极接+5V电源。

本实施例中，由电阻R8、电阻R9、电容C9和电容C10组成二阶RC低通滤波电路，将调节信号(PWM信号)转换为直流电压，然后经隔离运放芯片U6放大的同时将两侧电路隔开减少干扰，接着由三极管Q2进行功率输出至半导体气体传感器芯片U5的VH端，从而调节加热丝的加热电压，实现加热功率保持恒定。

进一步的，加热功率检测模块3包括电压检测电路31和电流检测电路32；电压检测电路31的输入端和电流检测电路32的输入端均用作加热功率检测模块3的输入端，电压检测电路31的输出端和电流检测电路32的输出端均用作加热功率检测模块3的输出端；

电压检测电路31的输入端和半导体气体传感器芯片U5的VH端电连接；电流检测电路32的输入端和半导体气体传感器芯片U5的GND端电连接；

电压检测电路31用于检测半导体气体传感器芯片U5的加热丝的加热电压；

电流检测电路32用于检测半导体气体传感器芯片U5的加热丝的加热电流。

本实施例中，因为加热丝的加热功率是检测半导体气体传感器芯片U5的加热电压和加热电流计算得出，所以控制器模块1需通过电压检测电路31和电流检测电路32分别检测半导体气体传感器芯片U5的加热丝的加热电压和加热电流。

进一步的，电压检测电路31包括电阻R11和电阻R12；电阻R11的一端用作电压检测电路31的输出端，电阻R11的另一端用作电压检测电路31的输入端；电阻R11的一端和电阻R12的一端电连接，电阻R12的另一端接地。

本实施例中，电压检测电路31由电阻R11和电阻R12组成分压电路检测半导体气体传感器芯片U5的VH端电压(加热电压)。

进一步的，电流检测电路32包括电阻R7；电阻R7的一端用作电压检测电路31的输入端或输出端；电阻R7的另一端接地。

本实施例中，电流检测电路32由电阻R7作为采样电阻，检测半导体气体传感器芯片U5的GND端电流(加热电流)。

进一步的，加热功率控制系统6还包括隔离运放模块5；传感器模块2的输出端和隔离运放模块5的输入端电连接；隔离运放模块5的输出端和控制器模块1的探测端电连接；

隔离运放模块5用于对传感器模块2探测的气体探测信号隔离放大传输至控制器模块1。

传感器模块2在正常工作中会将探测到代表气体浓度的气体探测信号反馈给控制器模块1，在本实施例中，加热功率控制系统6可以利用隔离运放模块5接收传感器模块2的气体探测信号放大传输至控制器模块1的同时隔离两侧电路减少干扰，且控制器模块1可通过气体探测信号传输的稳定性来验证加热丝是否处于恒功率加热状态。

进一步的，传感器模块2还包括电阻R4；半导体气体传感器芯片U5的VS端用作传感器模块2的输出端；

电阻R4的一端和半导体气体传感器芯片U5的VS端电连接，电阻R4的另一端接VDD电源；

隔离运放模块5包括电容C8和隔离运放芯片U4；隔离运放芯片U4的+IN端用作隔离运放模块5的输入端，隔离运放芯片U4的OUT端用作隔离运放模块5的输出端；

隔离运放芯片U4的OUT端和-IN端电连接，隔离运放芯片U4的+VS端和电容C8的一端电连接，隔离运放芯片U4的-VS端和电容C8的另一端电连接，电容C8的一端接VDD电源，电容C8的另一端接地。

本实施例中，传感器模块2和控制器模块1之间的隔离和气体探测信号的传输都由隔离运放芯片U4及其外围电路实现。具体的，因为半导体气体传感器探测的气体浓度实际上是由探测时传感器电阻变化转换得出的气体探测信号，而隔离运放芯片U4可从半导体气体传感器芯片U5的VS端分压测得电压，根据电压可以获知传感器的电阻变化，所以半导体气体传感器芯片U5的VS端通过隔离运放芯片U4的运放阻抗匹配后可输出控制器模块1(如MCU)能够识别的气体探测信号并实现输入信号和输出信号的隔离。

根据本发明实施例的一种加热功率恒定的半导体气体传感器的其他构成等以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。