本发明涉及弱小信号采集调制的，尤其涉及一种自适应气体传感器的弱信号测量系统。
背景技术：
1、石油化工厂存在许多有害气体，如硫化氢、氨气、甲烷等，这些气体有着较高的毒性、易燃性或爆炸性。通过检测气体浓度可以及时发现有害气体泄漏或超标情况，采取相应的安全措施，保障工作人员和设备的安全。
2、特殊气体的使用在半导体工艺制程中一直扮演着重要的角色，这些气体会通过管路在半导体生产车间输送到工艺制程的机台使用。这些特殊气体很多具有毒性、腐蚀性和可燃性，一旦泄露，就会造成对工作人员身体的损害和工厂生产线的停产，给企业带来严重的经济损失，因此，半导体工厂需要使用气体检测装置来监测工作环境中的气体含量。
3、工业和半导体生产领域需要检测的气体有上百种，每种气体都有相应的传感器，传感器的量程各异，输出电流信号大小不同。如pid(光离子化)传感器输出电流为pa级别，电化学传感器根据气体不同输出电流为na和ua级别，另外同一种传感器在不同气体浓度范围输出电流范围较大，从1na-50ua不等。为了能采集微弱的电流信号就需要设计模拟采集放大电路对信号进行采集。弱信号电流单位换算为：1a＝1*103ma＝1*106ua＝1*109na＝1*1012pa。
4、pid(光离子化)传感器中pid是英文photo ionization detection-即光离子化检测的英文首字母缩写。pid(光离子化)传感器基本组成包括一个紫外光源、一个离子化室和一个电流检测器，紫外光源通常使用低压汞灯，发出波长在10.6ev的紫外光，这种波长的光能量足够高，可以使样品中的分子吸收光子并发生电离。离子化室位于光源的下方，当样品气体通过离子化室时，被紫外光照射后，其中的voc气体(可挥发性有机气体)分子会吸收光子并发生电离。这些电离的分子会被电场吸引，形成离子流。离子流进入电流检测器后，会产生一个电流信号，电流的大小与样品中的voc气体浓度成正比。pid传感器的工作原理基于voc气体分子在紫外光照射下发生电离的特性。不同的voc气体分子具有不同的电离能，因此在相同的光源下，不同的voc气体分子会产生不同大小的电流信号。通过测量电流信号的大小，可以确定样品中的voc气体浓度。待测气体在被检测后，离子可以重新复合为原有气体，光离子化(pid)传感器是一种非破坏性测量传感器，主要用于可挥发性有机voc气体的检测。
5、如图1所示，现有的弱信号电流采集系统包括依次连接的一级跨阻放大电路101、二级放大电路102、模拟滤波电路103和ad转换器104。一级跨阻放大电路101的作用是通过一个采样电阻把弱电流信号转化为电压信号(v1＝iin*r)，采样电阻固定所以放大倍数固定。二级放大电路102通过运算放大器和电阻反馈网络实现信号的放大，放大倍数固定。这样针对不同的传感器，需要调节一级跨阻放大电路101的采样电阻和二级放大电路102的放大电阻，使输出电压范围在ad转换器104的参考电压vref范围内，才能得到较好的灵敏度，得到更高的测量准确性。
6、每种气体都有对应的传感器进行测量，传感器的量程和灵敏度各异，输出电流信号大小不同。如pid(光离子化)传感器输出电流为pa级别，电化学传感器根据气体不同输出电流为na和ua级别。采样电路需要根据不同传感器输出电流的量级，进行更换电路板上一级跨阻放大电路101的采样电阻的大小和二级放大电路102控制放大倍数的电阻大小，使输出电压范围在ad转换器104的参考电压vref范围内，才能得到较好的电路灵敏度，得到更高的测量准确性。这样电路的通用性降低，不能实现同一电路不更改任何器件的条件下适应不同传感器输出弱电流的采集，只能在焊接电路板时人为变更一级跨阻放大电路采样电阻的大小和二级放大电路控制放大倍数的电阻大小，提高了生产组装的复杂性，增加了电路板pcba的种类。
7、对于大量程传感器，如pid(光离子化)传感器量程范围为0-20000ppm，检测低浓度10ppm以内的voc气体时输出电流只有几个pa，检测高浓度10000ppm的voc气体时输出电流会有几十ua，所以输出电流大小在几个pa到几十ua范围变化。调节一级跨阻放大电路101采样电阻和二级放大电路102控制放大倍数的电阻大小，使整个电路放大倍数固定，这样能保证全量程范围内(0-20000ppm)输出电流经放大后不超过ad转换器104的参考电压vref，使得电路满足全量程0-20000ppm浓度范围内的采样。但是在低浓度10ppm时，由于电流值为pa级别，数值太小，经放大后输出给ad转换器104的电压为2mv左右，远小于参考电压vref(一般为3.3v)，无法充分利用ad转换器104的位数，不能保证在小量程时测量的精度和分辨率，性能不能达到最优。
8、模拟滤波电路103的精度受到电路元件参数的影响，如电阻、电容和电感的精度。这些元件的参数可能会受到温度、老化和制造工艺等因素的影响，导致滤波器的性能不稳定或精度下降。模拟滤波电路103在滤波过程中可能会受到噪声的影响，包括来自电源、电路元件和环境的各种噪声。这些噪声可能会降低滤波器的性能和信号质量，所以输出到ad转换器104的电压信号会叠加噪声信号，造成ad测量不准确，影响气体浓度测量的精度。
技术实现思路
1、针对现有弱信号电流采集系统不能保证在小量程时测量的精度和分辨率，且影响气体浓度测量的精度的技术问题，本发明提出一种自适应气体传感器的弱信号测量系统，能根据弱信号的大小，自动调节二级放大电路的放大倍数，实现输出到ad转换器信号的自适应调整，使输出信号最大限度的接近ad转换器的参考电压vref，以自适应不同气体、不同量程的气体传感器的测量，提高检测的分辨率、精度和灵敏度，在模拟滤波电路的基础上添加差分ad转换器能提高抗干扰能力和消除噪声，提高气体检测的精度、灵敏度和分辨率。
2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种自适应气体传感器的弱信号测量系统，包括依次连接的气体传感器、一级跨阻放大电路、二级放大电路和模拟滤波电路，所述模拟滤波电路与差分ad转换器相连接，差分ad转换器与mcu单元相连接，mcu单元与模拟切换开关相连接，模拟切换开关与电阻放大网络相连接，电阻放大网络与二级放大电路相连接；
3、所述mcu单元读取差分ad转换器转换的数字信号，并和内部阈值进行比较，同时控制模拟切换开关切换开关，控制接入二级放大电路的电阻放大网络的电阻，实现对二级放大电路的放大倍数的调整。
4、优选地，还包括高精度电压基准电路i和高精度电压基准电路ii，高精度电压基准电路i分别与高精度电压基准电路ii和差分ad转换器相连接，高精度电压基准电路ii分别与一级跨阻放大电路、二级放大电路和差分ad转换器相连接。
5、优选地，所述高精度电压基准电路i产生高精度的电压基准源2v5_ref＝2.5v，电压基准源2v5_ref作为差分ad转换器的参考电压vref；所述高精度电压基准电路i产生高精度的电压基准源1v25_ref＝1.25v，电压基准源1v25_ref分别为一级跨阻放大电路提供抬升电压、二级放大电路提供滤波参考电压、差分ad转换器提供差分比较电压、模拟切换开关提供放大抬升电压。
6、优选地，所述电阻放大网络包括至少2个阻值不等的电阻，模拟切换开关包括至少两个独立的开关，一个开关通过电阻放大网络的一个电阻与二级放大电路的输入端相连接。
7、优选地，所述mcu单元控制模拟切换开关切换接入二级放大电路的电阻放大网络的电阻的判断方法的步骤为：
8、1)mcu单元控制模拟切换开关改变电阻放大网络接入的电阻，使二级放大电路放大倍数为最高档位；
9、2)mcu单元读取差分ad转换器的数字信号，经滤波、数据分析处理后，利用公式推导出ad转换前的差分电压v差，差分电压v差的绝对值与差分ad转换的参考电压vref比较，当|v差|≥vref*3/4时，进入步骤3)，当|v差|＜vref*3/4时，mcu单元处理数字信号转换为气体的浓度值；
10、3)mcu单元判断是否为最低档位，若为最低档位，mcu单元进行报错，提示气体传感器故障；若非最低档位，mcu单元控制模拟切换开关改变电阻放大网络接入的电阻，降低二级放大电路放大倍数的档位，进入步骤2)。
11、优选地，所述高精度电压基准电路i包括电压基准芯片，电压基准芯片的输入端通过第一滤波耦合电路与输入电源相连接，电压基准芯片的输出端通过第二滤波耦合电路得到电压基准源2v5_ref；所述高精度电压基准电路ii包括精密的运算放大器u2a，运算放大器u2a的正向输入端分别与电阻r1和电阻r2的一端相连接，电阻r1的另一端连接电压基准芯片的输出端，电阻r2的另一端接地；所述运算放大器u2a的反向输入端与输出端连接，运算放大器u2a的输出端输出电压基准源1v25_ref；
12、所述一级跨阻放大电路包括精密的运算放大器u2b，运算放大器u2b的正向输入端与电阻r14的一端相连接，电阻r14的另一端与高精度电压基准电路ii的运算放大器u2a的输出端相连接；所述运算放大器u2b的反向输入端分别与电阻r5的一端、电阻r6的一端和电容c5的一端相连接，电阻r5的另一端与气体传感器采集的弱电流信号iin相连接，电阻r6的另一端与采样电阻r7的一端相连接，采样电阻r7和电容c5的另一端均与运算放大器u2b的输出端相连接，运算放大器u2b的输出端与二级放大电路的输入端相连接。
13、优选地，所述二级放大电路包括运算放大器u4a，运算放大器u4a的反向输入端和输出端均与电阻放大网络相连接，运算放大器u4a的正向输入端通过第一rc低通滤波电路分别与一级跨阻放大电路的输出端和高精度电压基准电路ii的输出端相连接，运算放大器u4a的输出端分别与低通滤波电路、模拟滤波电路的输入端相连接。
14、优选地，所述电阻放大网络由电阻r9、电阻r11、电阻r12、电阻r13和电阻r8组成，所述电阻r9、电阻r11、电阻r12、电阻r13的一端连接一起并分别连接电阻r8的一端和运算放大器u4a的反向输入端，电阻r9、r11、r12、r13的另一端分别连接模拟切换开关，电阻r8的另一端连接运算放大器u4a的输出端，电阻r8的两端并联有低通滤波电路；所述模拟切换开关为多路复用器，多路复用器内部共有4路独立的开关s1、s2、s3、s4，开关s1、s2、s3、s4的一端并联通过多路复用器的引脚连接高精度电压基准电路ii的输出端，开关s1、s2、s3、s4的另一端分别连接电阻放大网络的电阻r13、r12、r11、r9的另一端，多路复用器的a0和a1引脚均连接mcu单元。
15、优选地，所述模拟滤波电路包括为第二低通rc滤波电路，第二低通rc滤波电路的输入端分别与高精度电压基准电路ii和二级放大电路的输出端相连接，第二低通rc滤波电路的输出端与差分ad转换器的输入端相连接；所述差分ad转换器为24位ad芯片，24位ad芯片的ain3引脚连接高精度电压基准电路i的输出端；
16、所述一级跨阻放大电路的输出电压v1＝1.25+iin×r7，iin为气体传感器采集的弱电流信号；设电阻r9、r11、r12和r13接通电压基准源1v25_ref的电阻为r′，则二级放大电路的输出电压且输出电压：二级放大电路的输出电压v2的范围为0v≤v2≤3.75v；则
17、弱电流信号iin的可采集范围为：
18、优选地，所述第一滤波耦合电路包括电容c1和电容c2，电容c1和电容c2并联连接，电容c1和电容c2的一端均连接电压基准芯片u1的电源输入引脚vin，电容c1和电容c2的另一端均接地；所述第二滤波耦合电路包括电容c3和电容c4，电容c3和电容c4并联连接，电容c3和电容c4的一端均连接电压基准芯片u1的电源输出引脚out，电容c3和电容c4的另一端均接地；
19、所述电阻r1和电阻r2为两个阻值相等的电阻；
20、所述第一rc低通滤波电路包括电阻r3和电容c6，一级跨阻放大电路的输出电压v1连接电阻r3的一端，电阻r3的另一端分别连接电容c6的一端和运算放大器u4a的正向输入端，电容c6的另一端连接高精度电压基准电路ii的输出端；
21、所述低通滤波电路包括电容c7、电阻r4和电容c8，电容c7并联在电阻r8的两端，电阻r4的一端与运算放大器u4a的输出端相连接，电阻r4的另一端通过电容c8接地；电阻r4和电容c8的中点为二级放大电路(102)的输出端；
22、所述第二低通rc滤波电路包括电阻r15、电阻r16和电容c9、电容c10、电容c11，电阻r15的一端与高精度电压基准电路ii的输出端相连接，电阻r16的一端与二级放大电路的输出端相连接，电阻r15的另一端分别与电容c9的一端和电容c10的一端相连接，电阻r16的另一端分别与电容c10的另一端和电容c11的一端相连接，电容c9的另一端和电容c11的另一端均接地；电容c9的一端和电容c10的一端均与差分ad转换器的一输入端相连接，电容c10的另一端和电容c11的一端均与差分ad转换器的另一输入端相连接。
23、与现有技术相比，本发明的有益效果：mcu单元控制模拟切换开关切换接入二级放大电路的电阻，使得二级放大电路放大倍数可自动编程实现多级放大倍数的调整，以自动适应不同气体、不同量程的气体传感器弱信号的测量；能根据弱信号的大小，自动调节二级放大电路的放大倍数，实现输出到差分ad转换器信号的自适应调整，自适应不同气体、不同量程的气体传感器的测量，提高检测的分辨率、精度和灵敏度；在模拟滤波电路的基础上添加差分ad转换器的功能能提高抗干扰能力和消除噪声，提高气体检测的精度；降低了生产组装的复杂性，同一电路板pcba满足不同场景下的气体测量。
1.一种自适应气体传感器的弱信号测量系统，包括依次连接的气体传感器(100)、一级跨阻放大电路(101)、二级放大电路(102)和模拟滤波电路(103)，其特征在于，所述模拟滤波电路(103)与差分ad转换器(204)相连接，差分ad转换器(204)与mcu单元(205)相连接，mcu单元(205)与模拟切换开关(206)相连接，模拟切换开关(206)与电阻放大网络(207)相连接，电阻放大网络(207)与二级放大电路(102)相连接；
2.根据权利要求1所述的自适应气体传感器的弱信号测量系统，其特征在于，还包括高精度电压基准电路i(208)和高精度电压基准电路ii(209)，高精度电压基准电路i(208)分别与高精度电压基准电路ii(209)和差分ad转换器(204)相连接，高精度电压基准电路ii(209)分别与一级跨阻放大电路(101)、二级放大电路(102)和差分ad转换器(204)相连接。
3.根据权利要求2所述的自适应气体传感器的弱信号测量系统，其特征在于，所述高精度电压基准电路i(208)产生高精度的电压基准源2v5_ref＝2.5v，电压基准源2v5_ref作为差分ad转换器(204)的参考电压vref；所述高精度电压基准电路i(209)产生高精度的电压基准源1v25_ref＝1.25v，电压基准源1v25_ref分别为一级跨阻放大电路(101)提供抬升电压、二级放大电路(102)提供滤波参考电压、差分ad转换器(204)提供差分比较电压、模拟切换开关(206)提供放大抬升电压。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的自适应气体传感器的弱信号测量系统，其特征在于，所述电阻放大网络(207)包括至少2个阻值不等的电阻，模拟切换开关(206)包括至少两个独立的开关，一个开关通过电阻放大网络(207)的一个电阻与二级放大电路(102)的输入端相连接。
5.根据权利要求4所述的自适应气体传感器的弱信号测量系统，其特征在于，所述mcu单元(205)控制模拟切换开关(206)切换接入二级放大电路(102)的电阻放大网络(207)的电阻的判断方法的步骤为：
6.根据权利要求1-3或5中任意一项所述的自适应气体传感器的弱信号测量系统，其特征在于，所述高精度电压基准电路i(208)包括电压基准芯片，电压基准芯片的输入端通过第一滤波耦合电路与输入电源相连接，电压基准芯片的输出端通过第二滤波耦合电路得到电压基准源2v5_ref；所述高精度电压基准电路ii(209)包括精密的运算放大器u2a，运算放大器u2a的正向输入端分别与电阻r1和电阻r2的一端相连接，电阻r1的另一端连接电压基准芯片的输出端，电阻r2的另一端接地；所述运算放大器u2a的反向输入端与输出端连接，运算放大器u2a的输出端输出电压基准源1v25_ref；
7.根据权利要求6所述的自适应气体传感器的弱信号测量系统，其特征在于，所述二级放大电路(102)包括运算放大器u4a，运算放大器u4a的反向输入端和输出端均与电阻放大网络(207)相连接，运算放大器u4a的正向输入端通过第一rc低通滤波电路分别与一级跨阻放大电路(101)的输出端和高精度电压基准电路ii(209)的输出端相连接，运算放大器u4a的输出端分别与低通滤波电路、模拟滤波电路(103)的输入端相连接。
8.根据权利要求7所述的自适应气体传感器的弱信号测量系统，其特征在于，所述电阻放大网络(207)由电阻r9、电阻r11、电阻r12、电阻r13和电阻r8组成，所述电阻r9、电阻r11、电阻r12、电阻r13的一端连接一起并分别连接电阻r8的一端和运算放大器u4a的反向输入端，电阻r9、r11、r12、r13的另一端分别连接模拟切换开关(206)，电阻r8的另一端连接运算放大器u4a的输出端，电阻r8的两端并联有低通滤波电路；所述模拟切换开关(206)为多路复用器，多路复用器内部共有4路独立的开关s1、s2、s3、s4，开关s1、s2、s3、s4的一端并联通过多路复用器的引脚连接高精度电压基准电路ii(209)的输出端，开关s1、s2、s3、s4的另一端分别连接电阻放大网络(207)的电阻r13、r12、r11、r9的另一端，多路复用器的a0和a1引脚均连接mcu单元。
9.根据权利要求7或8所述的自适应气体传感器的弱信号测量系统，其特征在于，所述模拟滤波电路(103)包括为第二低通rc滤波电路，第二低通rc滤波电路的输入端分别与高精度电压基准电路ii(209)和二级放大电路(102)的输出端相连接，第二低通rc滤波电路的输出端与差分ad转换器(204)的输入端相连接；所述差分ad转换器(204)为24位ad芯片，24位ad芯片的ain3引脚连接高精度电压基准电路i(208)的输出端；
10.根据权利要求9所述的自适应气体传感器的弱信号测量系统，其特征在于，所述第一滤波耦合电路包括电容c1和电容c2，电容c1和电容c2并联连接，电容c1和电容c2的一端均连接电压基准芯片u1的电源输入引脚vin，电容c1和电容c2的另一端均接地；所述第二滤波耦合电路包括电容c3和电容c4，电容c3和电容c4并联连接，电容c3和电容c4的一端均连接电压基准芯片u1的电源输出引脚out，电容c3和电容c4的另一端均接地；
