高精密热导传感器检测精度的改善方法研究∗

黄 俊

（湖南铁道职业技术学院 株洲 412001）

1 引言

区别于热电堆探测器，在检测氢气、氮气、氩气等双原子分析气体时，热导传感器得到了越来越广泛的应用。但是当前热导传感器的热导池还存在诸多问题：灵敏度低、环境温度补偿困难、温漂和取样误差大等［1～3］。中国矿业大学黄为勇等提出了恒温检测方法，并通过实验表明有了一定的改善；东南大学的曾庆喜等设计了超温恒定电路来改善测量精度，取得了较好的效果，但是在改善过程中仅考虑环境温度补偿以及零点漂移问题，对热导池的精度以及取样误差并没有做进一步的改进，基于此，本文针对热导传感器设计过程中存在的这些问题进行了分析研究，并提出了具体的改善方法并完成了相应的设计［4］。

2 系统整体设计与热导池

整个系统主要由热导池、信号放大与调理电路、MCU控制中心等构成。恒流源为热导池提供稳定的电流，设计初衷是减小因为电流源的波动带来的误差；而信号放大与调理电路主要包括放大与滤波以及信号的选频处理；MCU控制处理中心主要是通过软件算法对信号进行滤波处理等。整个信号采集与处理的过程均在高精密恒温密封箱体中进行。系统的整体设计框图如图1所示。热导池结构示意图如图2所示。

图1 系统整体框图

图2 热导池示意图

3 气路的改进设计

中国矿业大学黄为勇和东南大学的曾庆喜等设计的热导池检测电路中，对于进气与排气的设计部分没有做出具体的说明，只采用文字的方式描述为同等气体样品，但是在实际测量过程中，如何实现同等气体样品是一个非常困难的问题，如果气体样品本身就存在较大差异，测量的结果必然误差大。同时还存在同等体积下，如果气体混合不均匀，检测的结果具有随机性，给检测设备带来随机误差。

根据以上分析，本设计创新性的采用平面六通阀和定量阀以及长管气路设计的方式。进气、检测和排气设计在同一个平面六通阀中，定量阀确定被测样品气体体积，确保每次测量的体积保证高度一致，此外，被测气体在长管中能充分的混合均匀，避免了由于浓度具有随机性而带来的误差，从源头解决了人为确定被测样体积与浓度不均带来的精度误差。

气路设计如图3所示。

图3 气路连接图

4 热导池改进设计

热导池中的热敏元件选用铼钨丝。其改进设计示意图如图2所示。

测量原理是测量臂根据样品的浓度变化，测量臂的铼钨丝的阻值会发生对应的变化，从而测量出与气体浓度对应的电压信号，浓度不同，对应的电压信号不同，从而实现浓度测量。

在本设计中参照原来的设计，进行了以下两处改进：

1）设计了参考臂。参考臂的设计是将其密封在氢气中，氢气的热导率和空气一致，且可以防止氧化，参考臂的存在主要是为测量臂提供一个测量标准，根据已知测未知，在测量中找到参照点，使测到的数据更有说服力，更加精确。

2）池体材料选用不锈钢316L管，而且内部采用高精度镀金工艺。主要解决两个问题，其一是不锈钢316L管热传导性能好、热容小且表面形成氧化膜后防腐性能好，受气流的波动影响更小；其二是采用高精度镀金工艺，大幅度降低了由于金属管中平滑度不够带来的漫反射而造成的误差。这个问题甚至具有决定性的作用，如果选择的金属管平滑度不够，可能造成无法挽回的误差干扰。

5 高精密压控恒流源的改进设计

热导池恒流源的设计至关重要，可以从源头减小电压波动带来的误差。本设计中采用压控恒流源，它的功能是用电压来控制电流的变化。电路如图4所示。

图4 压控恒流源原理图

电路中调整管采用大功率场效应管IRF640。采用场效应管，更易于实现电压线性控制电流，当场效应管工作于饱和区时，漏电流Id近似为电压Ugs控制的电流。即当Ud为常数时，满足：Id=f(Ugs)，只要Ugs不变，Id就保持不变。R2为取样电阻，运放采用OP-07作为电压跟随器，因此UI=UP=Un，场效应管 Id=Is（栅极电流相对很小，可忽略不计）所以正因为电路输入电压U控制电流I，即I不随IooRL的变化而变化，从而实现压控恒流。

6 高精密恒温系统改进设计

本系统的热导池和信号检测均处在一个恒温密封箱体中，温度的控制非常重要，检测桥臂本身就是通过温度的改变来达到改变铼钨丝阻值而实现检测的。中国矿业大学黄为勇和东南大学的曾庆喜等人设计的热导池检测方法中，就采用了恒温检测的方法，但其中存在两个较大的缺陷，其一是恒温控制的控温点几乎与室温相同，热导池周围遇到较大温度改变时，容易受到干扰，容易造成随机误差。其二是控温精度在±1℃左右，精度不高。

因此，本系统设计时，将恒温控温点设置在高于室温的48℃。一是在这个温度下，对于腔体内的器件不存在较大影响，二是在这个温度下，热导池周围一般的温度变化在此温度下的影响会根据比例下降。在热导池腔体中，设计有加热片和风扇，风路采用迂回形式，使得整个系统中的温度更加均匀。最终的控制结果如图5所示。控温精度达到±0.1℃，比之前提高近10倍。

图5 温度采集与A/D转换模块

7 系统软件设计

7.1 系统整体软件流程

系统的整体软件设计流程主要讲下位机的设计流程。上位机主要负责数据的显示与流程操作。下位机软件主要完成传感器信号检测、AD转换、以及浓度换算等。其流程图如图6所示。

图6 软件流程图

7.2 系统整体软件流程

在完成传感器信号检测后，为了提高信噪比，在信号处理中加入了递推平均滤波法。该算法将连续采样的N个值做成一个队列，其长度固定为N，数据采用先进先出原则，每次采样到一个新数据后放入队尾，并删除队首的数据，把队列中的N个数据进行算术平均运算，最后获得新的滤波结果。其具体设计算法如下：

#define N 12

char value_buf［N］；

char i=0；

char filter（）

｛char count；

int sum=0；

value_buf［i++］=get_ad（）；

if（i==N）i=0；

for（count=0；count＜N，count++）

sum=value_buf［count］；

return（char）（sum/N）；

｝

8 结语

经过对热导传感器影响信噪比的各个部分进行了分析，在此基础上，提出了优化改进的方案，改进前后探测器测到的信号整体波动从原来的140μV减小到50μV左右，改进效果明显。取得了较高的应用效果。该研究成果将应用在测氮仪设备上。

［1］龚江涛.电调制NDIR传感器信噪比改善方法研究［J］.传感器与微系统，2014，33（8）：34-36.GONG Jiangtao.Study on the improvement of signal to noise ratio of NDIR sensor［J］.Sensors and Microsystems，2014，33（8）：34-36.

［2］黄有为，童敏明，任子晖.采用热导传感器检测气体浓度的新方法研究［J］.传感技术学报，2006，19（4）：973-975.HUANG Youwei，TONG Minming，REN Zihui.Study on a new method of gas concentration detection using thermal conductivity sensor［J］.Journal of sensor technology，2006，19（4）：973-975.

［3］魏丽君.热导传感器的信噪比改善方法研究［J］.计算机测量与控制，2015，23（12）：4256-4258.WEI Lijun.Study on the improvement of signal to noise ratio of thermal conductivity sensor［J］.Computer measurement and control，2015，23（12）：4256-4258.

［4］谢永超.高精密恒温系统在NDIR气体分析仪中的应用［J］.传感器与微系统，2014，33（11）：156-158.XIE Yongchao.Application of high precision constant temperature system in NDIR gas analyzer［J］.Sensors and Microsystems，2014，33（11）：156-158.

［5］苏垒，勒斌，毛秀芬.热导检测器精密恒流源的设计与实现［J］.微型机与应用，2011，14（30）：16-19.SU Lei，LE bin，MAO Xiufen.Design and implementation of a precise constant current source for thermal conductivity detector［J］.Microcomputer and Application，2011，14（30）：16-19.

［6］陈静，熊继军，沈三民.基于高精度运算放大器的隧道式硅微加速度计信号处理电路［J］.仪表技术与传感器，2008（2）：58-61.CHEN Jing，XIONG Jijun，SHEN Sanmin.Signal processing circuit of tunnel type silicon micro accelerometer based on High Precision Operational Amplifier［J］.Instrument technique and sensor，2008（2）：58-61.

［7］郭宗平，王厚军，戴志坚.信号采集中峰值检测电路的设计与实现［J］.中国测试，2011，37（3）：63-65.GUO Zongping，WANG Houjun，DAI Zhijian.Design and implementation of peak detection circuit in signal acquisition［J］.China Measurement ＆ Testing，2011，37（3）：63-65.

［8］李勇.煤质检测常见误差的类型和特点分析［J］.科技风，2009（2）：216-217.LI Yong.Types and characteristics of common errors in coal quality testing［J］.Technology Wind，2009（2）：216-217.

［9］朱金涞，毛翔，朱高剑.峰值检测电路中过峰时刻判断方法研究［J］.电子元器件应用，2012，12（5）：50-53.ZHU Jinlai，MAO Xiang，ZHU Gaojian.Study on the method of judging the peak time in the peak detection circuit［J］.Application of electronic components，2012，12（5）：50-53.

［10］章若冰，魏丽君.红外碳硫传感器信噪比改善方法研究［J］.计算机测量与控制，2016，24（2）：314-316.ZHANG Ruobing，WEI Lijun.Study on the improvement of signal to noise ratio of infrared carbon sulfur sensor［J］.Computer measurement and control，2016，24（2）：314-316.