中心議題：

• 熱導檢測器精密恒流源的設計與實現
• 熱導檢測器工作原理

解決方案：

• 采用橋流電路
• 采用差壓采集電路

氣相色譜儀作為測量儀器，以其高效、高靈敏度和高選擇性的特點而廣泛用於石油、化工、環保
、臨床
、製(zhi)藥(yao)和(he)食(shi)品(pin)等(deng)領(ling)域(yu)
，可(ke)以(yi)對(dui)物(wu)質(zhi)成(cheng)分(fen)進(jin)行(xing)定(ding)性(xing)和(he)定(ding)量(liang)分(fen)析(xi)，它(ta)可(ke)以(yi)在(zai)很(hen)短(duan)的(de)時(shi)間(jian)內(nei)分(fen)離(li)幾(ji)十(shi)種(zhong)甚(shen)至(zhi)上(shang)百(bai)種(zhong)成(cheng)分(fen)的(de)混(hun)合(he)物(wu)，這(zhe)是(shi)其(qi)他(ta)方(fang)法(fa)無(wu)法(fa)比(bi)擬(ni)的(de)[1]。目前
，由於使用了高靈敏度的檢測器及微處理機，使得氣相色譜法成為一種分析速度快、靈敏度高、應用範圍廣的分析方法[2-4]。
氣相色譜儀有多種檢測器
，其中熱導檢測器由於對所有物質都有響應，結構簡單、性能可靠、定量準確、價格低廉、經久耐用
，而且是非破壞性檢測器
，因此廣泛配置在商用氣相色譜儀中[5]
，安捷倫便攜色譜儀3000係列也配置了基於MEMS工藝的微型熱導檢測器[6]
，但是與其他檢測器相比
，熱導檢測器靈敏度低，這是它的主要缺點，本文試圖通過從恒流源電路上改進，提高其性能。

1 熱導檢測器工作原理

熱導檢測器是利用被測成分和載氣的導熱係數不同而響應的濃度型檢測器，如圖1為熱導檢測器工作原理圖。由圖1可以看出
，隻通入載氣時
，惠斯通電橋處於平衡狀態，M、N兩點電位相等
，電位差VMN為wei零ling。再zai通tong入ru樣yang氣qi後hou，由you於yu參can考kao臂bi上shang通tong入ru的de是shi純chun載zai氣qi，而er測ce量liang臂bi上shang通tong入ru的de是shi載zai氣qi和he樣yang氣qi的de混hun合he氣qi體ti，其qi導dao熱re係xi數shu不bu同tong於yu純chun載zai氣qi，從cong熱re絲si向xiang四si周zhou傳chuan導dao的de熱re量liang也ye就jiu不bu同tong
，從cong而er引yin起qi兩liang臂bi熱re絲si溫wen度du不bu同tong，進jin而er使shi兩liang臂bi熱re絲si阻zu值zhi不bu同tong,電橋平衡破壞。M、N兩點電位不等，即存在電位差VMN不為零，通過對VMN電壓進行檢測、分析，從而定性
、定量地測出被測物質的成分和含量。 redaojianceqizaiceliangyiqizhongbunengdedaoguangfanpujideyigezhongyaoyuanyinshiqilingmindubushihengao，yincitigaojianceqidelingminduduiredaojianceqifeichangbiyao。youshi(1)可知影響熱導檢測器靈敏度的主要因素是熱導電阻、橋路電流、載氣熱導係數、熱導池體積
、熱絲溫度及池體溫度。
熱導檢測器靈敏度可用式(1)表示[7]： 式(１)中K為熱導池常數，取決於幾何參數；I為橋路電流
；R為熱絲電阻；λC為載氣熱導係數；λS為樣氣熱導係數；Tf為熱絲溫度；Tb為池體溫度。
一般情況下，熱導電阻的選擇對提高靈敏度來說很重要，一個性能優異的熱導檢測器

，對電阻的要求主要考慮四點：①電阻率高，以便可以在相同長度內得到高阻值
；②電阻溫度係數大，以便有微小的散熱就有大的阻值變化；③強度好
；④耐氧化或腐蝕。
除了電阻的選擇
，由式(1)可以看出靈敏度和橋流3次方成正比，橋流對靈敏度和基線噪音影響很大，實踐證明：橋流每增加10%
，靈敏度增加1倍
，基線噪音也增加1倍[7]，因此本文通過研製高穩定性的熱導恒流源來提高熱導檢測器的靈敏度。
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2 恒流源設計方案

2.1橋流電路

如圖2所示為恒流源的電路圖。輸出信號為M、N，即通過測量M
、N兩點間的電位差，就能測出物質的成分和含量。圖2中R5是采樣電阻

，阻值10 Ω，當電流為上限250 mA時，采樣電壓為2.5 V,采樣電壓輸入到AD8662的2腳，AD8662的3腳接電位器RW
，RW的一端接地
，另一端接+2.5 V電壓基準
，此+2.5 V是通過穩壓芯片ADR431輸出，溫度穩定1 ppm/℃。設定好電位器的電壓後，當AD8662的2腳、3腳電壓不相等時,其差壓經運放AD8662開環放大(開環放大倍數2.2×105)驅動AD8662的5腳
，U1B和線性光耦HCNR201構成光耦隔離的放大電路,放大比為500 K/75 K=6.7倍。AD8662和HCNR201構成放大比1.47×106的差壓放大電路，並且起到穩流作用。當橋流有0.1 μA的波動時
，施加到IRF640柵極的電壓變化達1.47 V
，使IRF640增加或減小電流，從而消除電流波動。 場效應管IRF640放在電橋的上方有利於減小M、N點的共模電壓從而保護差壓檢測電路。如果將IRF640放在電橋的下方，如圖3所示，當場效應管IRF640截止，則電源電壓60 V全部加到了M、N上麵，則差壓檢測電路的共模電壓過高。
如果隻是單純地將IRF640放在電橋的上方，而不加線性光耦HCNR201。如圖4所示，當場效應管IRF640截止，則M
、N上的共模電壓為零，這樣雖然可以避免圖3方案的問題
，但是當橋流較大時(200 mA，橋電阻為100Ω)，則場效應管IRF640的柵極電壓達到20多伏
，超過了AD8661的電源電壓範圍(±18 V)。因此圖3、圖4方案都不可行。
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2.2差壓采集電路

圖5為電壓輸出采集電路
，M、N兩點間的電壓接運放AD8220

，再經運放OP1177處理後,得到輸出電壓VoutA、VoutB，此電壓最後接色譜工作站或接AD轉換器和單片機進行處理，可檢測物質的成分和含量。
空載，RG阻值為無窮大)，此運放的作用主要用來抑製M、N點高達20多伏的共模電壓，AD轉換器一般承受不了如此大的共模電壓；而電路不放大的原因是：信號放大的同時，噪聲也隨之放大，信噪比並不能提高。電路如果不接OP1177，則VoutB直接接地，VoutA為輸出信號接AD轉換器，似乎也可以，但是輸入信號VMN本身是?滋V級信號，而地信號也有μV級的噪聲,會影響AD轉換的結果，由於OP1177的PSRR(電源噪聲抑製比)為130 dB
，其輸出端可以抑製電源和地的噪聲
，因此加上OP1177後，將使AD的共模電壓信號轉變為差模電壓信號，避免了地線的噪聲，可提高測量精度。

3 實驗結果

從上麵三種方案的分析中可以得出方案一為最佳方案
，製作三種熱導檢測器板，安裝在SC6000氣相色譜儀中，用SC3000色譜工作站進行測量
，測試條件為氫氣純度99.999%、氫氣流量40 mL/min
、熱導檢測器溫度150℃、熱導橋流180 mA，檢測熱導檢測器的基線噪聲
，如圖7所示,基線噪音為3 μV～4 μV

，60 min漂移為7 μV
，優於現有色譜儀熱導檢測器的指標。
本文對三套恒流源進行分析、比較
、實驗，表明方案一的基線噪聲、溫度漂移小
，優於現有色譜儀熱導檢測器的指標，而且電橋檢測電路承受的共模電壓小，有利於保護檢測電路。