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            文章詳情

            氣體檢測傳感器簡介及其信號調理器件的選擇

            日期:2021-11-29 23:44
            瀏覽次數:894
            摘要:
            前言: 

            目前,工業生產安全,環境污染等問題倍受關注。所發生的事故中,有一類是由于有毒、易燃、易爆氣體的泄漏所造成。因此,對于此類氣體的檢測,預警及其防范有其重要意義。越來越多的企業致力于有毒/有害氣體的監測。本文將簡要介紹氣體檢測傳感器的類型,特點及ADI公司在此應用中所提供給的**信號調理器件。 

            一、氣體傳感器的類型 

            傳感器是氣體檢測設備的核心元件,按照其檢測原理可分為:金屬氧化物半導體式傳感器、電化學式傳感器、催化燃燒式傳感器、紅外式傳感器、PID光離子化傳感器等。 

            1 金屬氧化物半導體式傳感器 

            金屬氧化物半導體式氣體傳感器是利用在一定溫度下,被測氣體的吸附作用,改變半導體的電導率,其變化率與氣體成份,濃度相關。通過檢測電阻的變化,檢測得待測氣體。半導體式氣體傳感器的主要特點:靈敏度高,響應快,壽命長,成本低,對濕度敏感度低,但需要高溫加熱,氣體的選擇性差,環境因素影響大,輸出穩定性差,功耗高。廣泛使用的在氣體的微漏現象的測量,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,但不宜用于精密測量氣體含量的場合。 

            2 電化學式傳感器 

            電化學氣體傳感器是一種微燃料電池元件,利用氣體在電化學氧化/還原反應原理,氣體在工作電極發生化學反應,在化學試劑、電極間產生電流,電流隨著氣體濃度變化而變化,通過檢測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。電化學傳感器的主要特點是氣體的高靈敏度、選擇性好,長期穩定性好,相應時間慢,但壽命短,此類傳感器可以檢測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下,可燃氣體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。此類型氣體傳感器的主要特點是精度高,相應快,壽命長,在可燃性氣體范圍內,選擇性差,且容易發生"傳感器中毒"(有機物蒸汽會使傳感器失效),有引爆氣體的危險。 

            4 紅外式傳感器 

            紅外式傳感器是根據光譜吸收法,氣體對某個中紅外區的特定波長的吸收原理,檢測特征吸收峰位置的吸收強度,確定某氣體的濃度及其種類。其特點是,抗中毒性好,靈敏度高,但結構復雜,成本高。對大多數碳氫化合物都有反應,如甲烷,乙炔,氨氣,二氧化碳等,可以有效地分辨氣體的種類,準確測定氣體濃度。 

            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成,通過離子室內的正負電極,形成電場,在紫外燈的照射下,離子化待測氣體,生成正負離子,在電極間形成電流,經放大輸出信號。PID光離子化氣體傳感器精度高,靈敏度好,響應快,無中毒問題,安全可靠,但成本高,定期維護。主要用于揮發性有機化物測量,如芳香烴類、酮類、醛類等。 

            二 、信號調理要求 

            1 半導體式: 

            此類通常傳感器含有4/6個引腳,如圖1所示:H/h 為加熱級,A/a與B/b是敏感電阻的兩極,器中A/a內部短路,B/b內部短路。VH是加熱電壓,Vc是激勵電壓,RL為端接負載電阻。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(根據傳感器廠家提供的特征曲線計算)。 

            在測量VRL時,對后端的放大器和數據轉換器(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(MCU)集成的ADC 分辨率>=8 bits, 采樣率 < 1Kbps,或直接采用比較器,作為報警功能使用。門限值的調整與負載電阻RL相關。 

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

            AD7170是低功耗,分辨率12bit,數據吞吐率為125hz S/D型ADC,適合低功耗,一般精度要求的數據采集系統。

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            2 電化學式: 

            電化學式傳感器通常是電流方式輸出,信號的靈敏度從幾十nA/ppm到幾百nA/ppm,其數值根據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個引腳,分別是工作電極(WE)/參考電極(RE)/對電極(CE)。 工作電極與對電極之間流動的電流與氣體濃度成比例。參考電極沒有電極流動,只是提供一個參考電壓。對于不同氣體傳感器,參考電壓會有所不同,設計后端電路時要仔細閱讀產品手冊。

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            該傳感器需要使用TIA(Trans Impedance Amplifier)將電流信號轉成電壓信號,再進行模數轉換。由于信號的輸出電流較小,需要選用Ib(偏置電流<10pA)較小的精密運算放大器。 

            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,每個放大器的功耗為10μA,非常適合此應用。 

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

            AD7792/3是16/24bit分辨率,低功耗的S/D型ADC。內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。 

            3 催化燃燒式: 

            催化燃燒式傳感器如圖5所示。包括探測器端和補償端。通過配置外圍的R1/R2/VR,使電橋平衡。采用惠斯通電橋原理,感應電阻與環境中的可燃氣體發生無焰燃燒,使溫度使感應電阻的阻值發生變化,打破電橋平衡,使之輸出穩定的電信號,再經過信號放大電路、穩定和處理*終得到測量數。在此種應用中,需要放大器有較高的共模抑制比,低失調電壓,可選用儀表放大器實現。 

            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。

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            4 紅外式: 

            熱勢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,內部集成有JFET和CMOS運放兩種形式。對外部均需要精密運算放大器對輸出的信號進行調理。溫度的變化對于此類傳感器影響較大,一般有溫度校正的環節。

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            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的檢測電路,還包括紫外光的電源驅動,風扇控制電路等控制。嚴格的說,它是一個氣體探測器,而非傳感器。以下僅討論起信號的檢測部分。光離化后,產生的離子流通常在0.1nA的等級,需要微弱信號檢測技術。需超低偏流的TIA放大器,處理噪聲極為重要,如圖9所示。信號放大之后需要高精度,低噪聲的模數轉換器ADC。當然,也有一些傳感器將這些都處理好,提供給用戶的直接是mV級靈敏度的電壓信號。再此基礎上,用戶就可以通過簡單的放大電路進行處理。

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            圖9:微弱電流檢測TIA

            AD549L:針對微弱電流信號的檢測,它是提供了目前業界**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,噪聲水平僅為8.5nV/sqrt Hz.廣泛的用于超高精度數據采樣系統。 

            對于氣體傳感器后端的信號處理,ADI提供了非常有競爭力的信號調理產品,如上所述的運算放大器、儀表放大器、數據轉換器等。表1給出了針對不同類型的氣體傳感器對信號調理器件的主要參數需求,及其推薦器件。

            表1: 信號調理要求VS氣體傳感器類型 
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            三、綜述 

            有毒有害等氣體的檢測,已成為環境監測與化學分析應用的一個重要分支,其傳感器的發展隨著應用的需求也在發生著變化。同時,對后端的信號處理,也提出了挑戰。ADI公司一直致力于精密信號處理,其優越的技術及信號調理產品(放大器,數據轉換器等)在氣體測量的可靠性,精準性方面,帶來了**的性能,很好的滿足這一應用的需求。

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