摘要：本文介绍了桥路法信号测量电路的构成，提出了用桥路法减小干扰信号、提高测量精度的理论。在该理论的基础上，采用8335数据采集卡分别采集桥路测量电路和传统测量电路的信号，验证了桥路法在气敏传感器信号采集上的优越性。
关键字：桥路法；信号采集；数据采集卡；信号测量电路；气敏传感器
一、引言
在大规模集成电路的设计中，对于干扰的补偿方法的研究发展的最快，传感器自补偿法就是其中之一。它是利用某些与待测传感器特性相似的同类传感器作为干扰补偿的一种测试方法，而传感器自补偿桥路法信号测试法则是基于惠斯通电桥原理而提出的对低信噪比的传感元件信号的测试方法[1,2]。以干扰信号较大的气敏传感器为例，测试其电阻的变化值是整个测试的关键，但由于气敏传感器的气体敏感膜对外界因素反应较大，尤其是广普型气敏传感器，因此如何克服干扰，使传感器有效地测量变得尤为必要。桥路法信号测试可以降低传感器的误测或者不测现象，能为数据的处理提供更为有效的使用信号。
二、 气敏传感器的工作原理
1、气敏传感器的工作原理
气敏传感器以陶瓷管为框架，外覆一层敏感膜的材料，利用膜两端的镀金引脚进行测量。敏感膜的材料最常用的有金属氧化物、高分子聚合物材料和胶体敏感膜等。它的两个关键部分是加热电阻和气体敏感膜，其结构原理如图1所示。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。当待测气体的浓度发生变化时，电阻阻值也相应发生变化，由此可间接得到气体的浓度值。在常温下施加5V的加热电压，传感器便可以得到约250℃的温度，此时传感器对气体敏感性较好[9]。但外界温度若发生变化，将导致敏感膜的温度在250℃为基准的温度上变化，那么传感器所给出的信号将是一个带着温度干扰的信号。为了减小包括温度干扰信号在内的诸 多干扰信号，作者提出桥路法信号测量电路的方法，下面对这种方法进行理论分析。
三、桥路法气敏感器信号采集原理
1、传统的传感器信号获取方法
传统的传感器采样电路图如图2所示，通过施加采集电压Vi，采集信号电压Vo，从而计算得到传感器的敏感膜的电阻值，
图2中，Rx为传感器a的敏感膜的电阻值； -DRxg是传感器a正常工作时待测气体浓度导致敏感膜的电阻值的变化值，-DRb是传感器a受干扰影响导致的电阻值的变化值；Rc是采样电阻，它受到的干扰很小，另外，由于电路中电流很小，发热量也小，采样电阻本身所产生的温度影响也可以忽略。
根据欧姆定律，图2中输出电压Vo为： 
（1）
式中，Vo—输出电压；Vi—输入电压。
当采样电阻为普通电阻时，-DRb为零，可得： 
（2）
因此，传感器a引入干扰信号带来的输出误差为：
（3）
式中，Vo′—理想情况下传感器a无干扰影响的电压输出值； Vo—实测值。 简化公式（3）可得：
（4）
2、传感器自补偿法信号获取分析
气敏传感器的敏感膜易受外界干扰，而其受到的干扰会叠加到采样电阻Rc上，当干扰信号大的时候就可能使得采集信号失真。因此，我们选择一个对干扰的反应与气敏传感器a相接近的补偿传感器b作为采样电阻，对补偿传感器b的膜进行气体隔绝，使之不随着待测气体变化而变化，只与传感器a有着相同的干扰变化[3,4]。
图2中，Rc选择一个补偿传感器b，-DRb是传感器a与传感器b受干扰影响导致的电阻值的变化值。补偿传感器受待测气体影响有可能产生电阻值的变化，通过使补偿传感器b的敏感膜与待测气体隔绝可使该值为零。则根据公式（1），传感器a引入干扰信号带来的输出误差为： 
（5）
式中，Vo′—理想情况下传感器a、补偿传感器b无干扰影响的电压输出值；Vo—实测值。
简化公式（5）可得：
（6）
当气敏传感器a测试的是低浓度的气体时，DRxg<<Rx，取Rc＝Rx，比较式（4）和式（6），可知(Rc-Rx＋DRxg)<<Rc，所以式（6）结果小于（4）。在此条件下用补偿传感器b代替普通电阻提高了测量的精度，提高了抗干扰信号的能力。
3、桥路法采集信号分析
由于Rx与Rc的值大，以致于DRxg变化对电路的贡献变小[5-7]，采用桥路法可以克服这种影响，图3为桥路法传感器信号测量原理图， 桥臂的Vo＋和Vo－的电压差即是输出电压。
（7）
（8）
取Rc＝Rx ，则输出信号Vo为：
（9）
采用桥路法输出误差为：
（10）
式中，Vo′—理想情况下传感器a无干扰影响的电压输出值；Vo—实测值。
比较式（10）与式（4）可知，采用桥路法进行测量，极大地减小了干扰信号对传感器的影响。
四、信号采集试验
在试验中使用PCI-8335数据采集卡，它具有以下特性：32bit PCI总线，即插即用；2倍、10倍、100倍硬件增益选择；4K字节FIFO；分辨率为12bit；通道数：32（单）/16（双）；输入阻抗：10MW；输入范围：0 V～10V、-5 V～＋5V。PCI-8335数据采集卡以上性能满足对多路信号采集的要求，同时采集失真较小。
PCI-8335数据采集卡的动态链接库所提供的库函数为：
function OpenDeviceAmcc(pZTPCI: pZT_PCIBOARD): Longint; stdcall;external 'PCI8KA.dll';
function CloseDeviceAmcc(pZTPCI: pZT_PCIBOARD): ongint; stdcall;external 'PCI8KA.dll';
function ZT8335AI(pZTPCI: pZT_PCIBOARD): Longint; stdcall;external 'PCI8KA.dll';
function ZT8335Init(pZTPCI: pZT_PCIBOARD): Longint; stdcall;external 'PCI8KA.dll';
function ZT8335AIFifo(pZTPCI: pZT_PCIBOARD): Longint; stdcall;external 'PCI8KA.dll';
采用delphi编程实现对PCI-8335数据采集卡的动态链接库的调用，可完成对气敏传感器信号的采集。
为了验证理论计算与实际测量的一致性，作者做了以下对比试验：
首先，采用传统方法测量信号，取Rc＝4kW，Rx=4kW，10ppm的乙醇使得气敏传感器的阻值减小0.5kW，输入电压Vi有少量的波动。当传感器在待测气体中稳定时，保持所有条件都不变，利用计算机和8335数据采集卡对Vo进行信号采集[8]，从计算机采集到的信号（如图4所示）中可以看到Vo是一个在2600mV左右跳跃的值，它的公差为250mV。
其次，采用桥路方法信号测量，取Rc＝4kW的补偿传感器b，Rx=4kW，10ppm的乙醇使得气敏传感器的阻值减小0.5kW。当传感器在待测气体中稳定时，利用计算机采集输出信号，从计算机采集到的信号（如图5所示）中可以看到Vo是一个在300mV的跳跃值，它的公差为36mV。
五、结论
从图4、图5两种方法所测量的信号的比较可以得出以下结论：使用桥路法测试气敏传感器的信号可以降低干扰信号对气敏传感器的影响，提高传感器的测试精度。补偿传感器b应与工作传感器a有相同的对干扰的反应能力，为避免待测气体在补偿传感器b上发生反应，可尝试在传感器b的敏感膜上镀一层隔绝气体膜，此方法有待于做进一步研究。
参考文献：
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