氣體檢測(cè)傳感器的類型及信號(hào)調(diào)理的要求

前言

目前，工業(yè)生產(chǎn)安全，環(huán)境污染等問題倍受關(guān)注。所發(fā)生的事故中，有一類是由于有毒、易燃、易爆氣體的泄漏所造成。因此，對(duì)于此類氣體的檢測(cè)，預(yù)警及其防范有其重要意義。越來越多的企業(yè)致力于有毒/有害氣體的監(jiān)測(cè)。本文將簡(jiǎn)要介紹氣體檢測(cè)傳感器的類型，特點(diǎn)及ADI公司在此應(yīng)用中所提供給的出色信號(hào)調(diào)理器件。

一、氣體傳感器的類型

傳感器是氣體檢測(cè)設(shè)備的核心元件，按照其檢測(cè)原理可分為：金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器、電化學(xué)式傳感器、催化燃燒式傳感器、紅外式傳感器、PID光離子化傳感器等。

1、 金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器

金屬氧化物半導(dǎo)體式氣體傳感器是利用在一定溫度下，被測(cè)氣體的吸附作用，改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，其變化率與氣體成份，濃度相關(guān)。通過檢測(cè)電阻的變化，檢測(cè)得待測(cè)氣體。半導(dǎo)體式氣體傳感器的主要特點(diǎn)：靈敏度高，響應(yīng)快，壽命長(zhǎng)，成本低，對(duì)濕度敏感度低，但需要高溫加熱，氣體的選擇性差，環(huán)境因素影響大，輸出穩(wěn)定性差，功耗高。廣泛使用的在氣體的微漏現(xiàn)象的測(cè)量，如 甲烷（天然氣、沼氣）、酒精、一氧化碳（城市煤氣）、硫化氫、氨氣（包括胺類，肼類）等氣體，但不宜用于精密測(cè)量氣體含量的場(chǎng)合。

2、 電化學(xué)式傳感器

電化學(xué)氣體傳感器是一種微燃料電池元件，利用氣體在電化學(xué)氧化/還原反應(yīng)原理，氣體在工作電極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在化學(xué)試劑、電極間產(chǎn)生電流，電流隨著氣體濃度變化而變化，通過檢測(cè)電流的大小得到氣體濃度的值。這種類型傳感器包括原電池型、恒定電位電解池型、濃差電池型、極限電流型等。電化學(xué)傳感器的主要特點(diǎn)是氣體的高靈敏度、選擇性好，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，相應(yīng)時(shí)間慢，但壽命短，此類傳感器可以檢測(cè)許多有毒氣體和氧氣，例如一氧化碳、硫化氫、氨氣和氧氣等。

3、催化燃燒式傳感器

催化燃燒式氣體傳感器是是氣敏材料在通電狀態(tài)下，可燃?xì)怏w在催化劑作用下燃燒，由于燃燒使氣敏材料溫度升高從而電阻發(fā)生變化。一般是在鉑電阻的表面制備耐高溫的催化劑層，在一定的溫度下，可燃性氣體在其表面催化燃燒，鉑電阻溫度升高，電阻變化，變化值是可燃性氣體濃度的函數(shù)。此類型氣體傳感器的主要特點(diǎn)是精度高，相應(yīng)快，壽命長(zhǎng)，在可燃性氣體范圍內(nèi)，選擇性差，且容易發(fā)生“傳感器中毒”（有機(jī)物蒸汽會(huì)使傳感器失效），有引爆氣體的危險(xiǎn)。

4、 紅外式傳感器

紅外式傳感器是根據(jù)光譜吸收法，氣體對(duì)某個(gè)中紅外區(qū)的特定波長(zhǎng)的吸收原理，檢測(cè)特征吸收峰位置的吸收強(qiáng)度，確定某氣體的濃度及其種類。其特點(diǎn)是，抗中毒性好，靈敏度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。對(duì)大多數(shù)碳?xì)浠衔锒加蟹磻?yīng)，如甲烷，乙炔，氨氣，二氧化碳等，可以有效地分辨氣體的種類，準(zhǔn)確測(cè)定氣體濃度。

5、 PID光離子化氣體傳感器

PID光離子化傳感器由紫外燈光源和離子室等主要部分構(gòu)成，通過離子室內(nèi)的正負(fù)電極，形成電場(chǎng)，在紫外燈的照射下，離子化待測(cè)氣體，生成正負(fù)離子，在電極間形成電流，經(jīng)放大輸出信號(hào)。PID光離子化氣體傳感器精度高，靈敏度好，響應(yīng)快，無中毒問題，安全可靠，但成本高，定期維護(hù)。主要用于揮發(fā)性有機(jī)化物測(cè)量，如芳香烴類、酮類、醛類等。

二 、信號(hào)調(diào)理要求

1、 半導(dǎo)體式：

此類通常傳感器含有4/6個(gè)引腳，如圖1所示：H/h 為加熱級(jí)，A/a與B/b是敏感電阻的兩極，器中A/a內(nèi)部短路，B/b內(nèi)部短路。VH是加熱電壓，Vc是激勵(lì)電壓，RL為端接負(fù)載電阻。通過兩端的電壓VRL可得到傳感器的阻值，即可得到氣體的濃度（根據(jù)傳感器廠家提供的特征曲線計(jì)算）。

在測(cè)量VRL時(shí)，對(duì)后端的放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的要求一般不高，一般選取高輸入阻抗，帶寬小于1Mhz的低成本的放大器。ADC：低成本，一般采用單片機(jī)（MCU）集成的ADC 分辨率》=8 bits， 采樣率 《 1Kbps，或直接采用比較器，作為報(bào)警功能使用。門限值的調(diào)整與負(fù)載電阻RL相關(guān)。

AD8613是低成本，低功耗的放大器，帶寬400Khz，失調(diào)電壓2.2mV，可作為緩沖/放大電路使用。

AD7170是低功耗，分辨率12bit，數(shù)據(jù)吞吐率為125hz S/D型ADC，適合低功耗，一般精度要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2、 電化學(xué)式：

電化學(xué)式傳感器通常是電流方式輸出，信號(hào)的靈敏度從幾十nA/ppm到幾百nA/ppm，其數(shù)值根據(jù)氣體的種類不同而不同。另外，不同廠家的傳感器也略有差異。此類傳感器一般3個(gè)引腳，分別是工作電極（WE）/參考電極（RE）/對(duì)電極（CE）。 工作電極與對(duì)電極之間流動(dòng)的電流與氣體濃度成比例。參考電極沒有電極流動(dòng)，只是提供一個(gè)參考電壓。對(duì)于不同氣體傳感器，參考電壓會(huì)有所不同，設(shè)計(jì)后端電路時(shí)要仔細(xì)閱讀產(chǎn)品手冊(cè)。

該傳感器需要使用TIA（Trans Impedance Amplifier）將電流信號(hào)轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)，再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于信號(hào)的輸出電流較小，需要選用Ib（偏置電流《10pA）較小的精密運(yùn)算放大器。

ADA4505-1/2/4是超低功耗，軌到軌，零交越失真輸入輸出放大器。Ib為0.5pA，供電范圍1.8～5V，每個(gè)放大器的功耗為10μA，非常適合此應(yīng)用。

AD7988-1是16bit分辨率，100Kbps采樣率的SAR型超低功耗ADC。功耗在100Kbps采樣率時(shí)僅0.7mW。

AD7792/3是16/24bit分辨率，低功耗的S/D型ADC。內(nèi)部集成儀表放大器及其參考源，適于低頻高精度的采樣系統(tǒng)。

3 、催化燃燒式：

催化燃燒式傳感器如圖5所示。包括探測(cè)器端和補(bǔ)償端。通過配置外圍的R1/R2/VR，使電橋平衡。采用惠斯通電橋原理，感應(yīng)電阻與環(huán)境中的可燃?xì)怏w發(fā)生無焰燃燒，使溫度使感應(yīng)電阻的阻值發(fā)生變化，打破電橋平衡，使之輸出穩(wěn)定的電信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)放大電路、穩(wěn)定和處理最終得到測(cè)量數(shù)。在此種應(yīng)用中，需要放大器有較高的共模抑制比，低失調(diào)電壓，可選用儀表放大器實(shí)現(xiàn)。

AD8420是低功耗90μA，寬電壓供電范圍2.7V～36V，高共模抑制（》100dB）的軌到軌輸出的儀表放大器。

4、 紅外式：

熱勢(shì)電是紅外傳感器中重要的一種，其傳感器及其典型接口電路如圖7和圖8所示，框中部分是傳感器，內(nèi)部集成有JFET和CMOS運(yùn)放兩種形式。對(duì)外部均需要精密運(yùn)算放大器對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。溫度的變化對(duì)于此類傳感器影響較大，一般有溫度校正的環(huán)節(jié)。

5 、PID光離子化式：

PID光電離式傳感器的電路部分不僅包括信號(hào)的檢測(cè)電路，還包括紫外光的電源驅(qū)動(dòng)，風(fēng)扇控制電路等控制。嚴(yán)格的說，它是一個(gè)氣體探測(cè)器，而非傳感器。以下僅討論起信號(hào)的檢測(cè)部分。光離化后，產(chǎn)生的離子流通常在0.1nA的等級(jí)，需要微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)。需超低偏流的TIA放大器，處理噪聲極為重要，如圖9所示。信號(hào)放大之后需要高精度，低噪聲的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC。當(dāng)然，也有一些傳感器將這些都處理好，提供給用戶的直接是mV級(jí)靈敏度的電壓信號(hào)。再此基礎(chǔ)上，用戶就可以通過簡(jiǎn)單的放大電路進(jìn)行處理。

圖9：微弱電流檢測(cè)TIA

AD549L：針對(duì)微弱電流信號(hào)的檢測(cè)，它是提供了目前業(yè)界出色的超低偏流放大器，Ib僅60fA max。

AD7190是分辨率24bit，超高精度S/D型ADC，在4.7Hz吞吐率，增益128時(shí)，噪聲水平僅為8.5nV/sqrt Hz.廣泛的用于超高精度數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)。

對(duì)于氣體傳感器后端的信號(hào)處理，ADI提供了非常有競(jìng)爭(zhēng)力的信號(hào)調(diào)理產(chǎn)品，如上所述的運(yùn)算放大器、儀表放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等。表1給出了針對(duì)不同類型的氣體傳感器對(duì)信號(hào)調(diào)理器件的主要參數(shù)需求，及其推薦器件。

表1： 信號(hào)調(diào)理要求VS氣體傳感器類型

三、綜述

有毒有害等氣體的檢測(cè)，已成為環(huán)境監(jiān)測(cè)與化學(xué)分析應(yīng)用的一個(gè)重要分支，其傳感器的發(fā)展隨著應(yīng)用的需求也在發(fā)生著變化。同時(shí)，對(duì)后端的信號(hào)處理，也提出了挑戰(zhàn)。ADI公司一直致力于精密信號(hào)處理，其領(lǐng)先的技術(shù)及信號(hào)調(diào)理產(chǎn)品（放大器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等）在氣體測(cè)量的可靠性，精準(zhǔn)性方面，帶來了出色的性能，很好的滿足這一應(yīng)用的需求。

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