氣體檢測(cè)傳感器概述及提供相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理器件

目前，工業(yè)生產(chǎn)安全，環(huán)境污染等問(wèn)題倍受關(guān)注。所發(fā)生的事故中，有一類(lèi)是由于有毒、易燃、易爆氣體的泄漏所造成。因此，對(duì)于此類(lèi)氣體的檢測(cè)，預(yù)警及其防范有其重要意義。越來(lái)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(lèi)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(lèi)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(guò)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(lèi)，肼類(lèi))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(guò)檢測(cè)電流的大小得到氣體濃度的值。這種類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)。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(lèi)，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(guò)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(wú)中毒問(wèn)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(lèi)、酮類(lèi)、醛類(lèi)等。

二 、信號(hào)調(diào)理要求

1 半導(dǎo)體式：

此類(lèi)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(guò)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(mén)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(lèi)不同而不同。另外，不同廠家的傳感器也略有差異。此類(lèi)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(méi)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)。