气体检测传感器简介及其信号调理器件的选择

前言:
目前,工业生产安全,环境污染等问题倍受关注。所发生的事故中,有一类是由于有毒、易燃、易爆气体的泄漏所造成。因此,对于此类气体的检测,预警及其防范有其重要意义。越来越多的企业致力于有毒/有害气体监测。本文将简要介绍气体检测传感器的类型,特点及ADI公司在此应用中所提供给的出色信号调理器件。
一、气体传感器的类型
传感器是气体检测设备的核心元件,按照其检测原理可分为:金属氧化物半导体式传感器、电化学式传感器、催化燃烧式传感器、红外式传感器、PID光离子化传感器等。
1 金属氧化物半导体式传感器
金属氧化物半导体式气体传感器是利用在一定温度下,被测气体的吸附作用,改变半导体的电导率,其变化率与气体成份,浓度相关。通过检测电阻的变化,检测得待测气体。半导体式气体传感器的主要特点:灵敏度高,响应快,寿命长,成本低,对湿度敏感度低,但需要高温加热,气体的选择性差,环境因素影响大,输出稳定性差,功耗高。广泛使用的在气体的微漏现象的测量,如 甲烷(天然气、沼气)、酒精一氧化碳(城市煤气)、硫化氢氨气(包括胺类,肼类)等气体,但不宜用于精密测量气体含量的场合。
2 电化学式传感器
电化学气体传感器是一种微燃料电池元件,利用气体在电化学氧化/还原反应原理,气体在工作电极发生化学反应,在化学试剂电极间产生电流电流随着气体浓度变化而变化,通过检测电流的大小得到气体浓度的值。这种类型传感器包括原电池型、恒定电位电解池型、浓差电池型、极限电流型等。电化学传感器的主要特点是气体的高灵敏度、选择性好,长期稳定性好,相应时间慢,但寿命短,此类传感器可以检测许多有毒气体氧气,例如一氧化碳硫化氢氨气氧气等。
3 催化燃烧式传感器
催化燃烧气体传感器是是气敏材料在通电状态下,可燃气体在催化剂作用下燃烧,由于燃烧使气敏材料温度升高从而电阻发生变化。一般是在铂电阻的表面制备耐高温的催化剂层,在一定的温度下,可燃气体在其表面催化燃烧,铂电阻温度升高,电阻变化,变化值是可燃气体浓度的函数。此类型气体传感器的主要特点是精度高,相应快,寿命长,在可燃气体范围内,选择性差,且容易发生"传感器中毒"(有机物蒸汽会使传感器失效),有引爆气体的危险。
4 红外式传感器
红外式传感器是根据光谱吸收法,气体对某个中红外区的特定波长的吸收原理,检测特征吸收峰位置的吸收强度,确定某气体的浓度及其种类。其特点是,抗中毒性好,灵敏度高,但结构复杂,成本高。对大多数碳氢化合物都有反应,如甲烷乙炔氨气二氧化碳等,可以有效地分辨气体的种类,准确测定气体浓度。
5 PID光离子化气体传感器
PID光离子化传感器由紫外光源和离子室等主要部分构成,通过离子室内的正负电极,形成电场,在紫外灯的照射下,离子化待测气体,生成正负离子,在电极间形成电流,经放大输出信号。PID光离子化气体传感器精度高,灵敏度好,响应快,无中毒问题,安全可靠,但成本高,定期维护。主要用于挥发性有机化物测量,如芳香烃类、酮类、醛类等。
二 、信号调理要求
1 半导体式:
此类通常传感器含有4/6个引脚,如图1所示:H/h 为加热级,A/a与B/b是敏感电阻的两极,器中A/a内部短路,B/b内部短路。VH是加热电压,Vc是激励电压,RL为端接负载电阻。通过两端的电压VRL可得到传感器的阻值,即可得到气体的浓度(根据传感器厂家提供的特征曲线计算)。
测量VRL时,对后端的放大器和数据转换器(ADC)的要求一般不高,一般选取高输入阻抗,带宽小于1Mhz的低成本的放大器。ADC:低成本,一般采用单片机(MCU)集成的ADC 分辨率>=8 bits, 采样率 < 1Kbps,或直接采用比较器,作为报警功能使用。门限值的调整与负载电阻RL相关。
AD8613是低成本,低功耗的放大器,带宽400Khz,失调电压2.2mV,可作为缓冲/放大电路使用。
AD7170是低功耗,分辨率12bit,数据吞吐率为125hz S/D型ADC,适合低功耗,一般精度要求的数据采集系统。
2 电化学式
电化学式传感器通常是电流方式输出,信号的灵敏度从几十nA/ppm到几百nA/ppm,其数值根据气体的种类不同而不同。另外,不同厂家的传感器也略有差异。此类传感器一般3个引脚,分别是工作电极(WE)/参考电极(RE)/对电极(CE)。 工作电极与对电极之间流动的电流气体浓度成比例。参考电极没有电极流动,只是提供一个参考电压。对于不同气体传感器,参考电压会有所不同,设计后端电路时要仔细阅读产品手册。
该传感器需要使用TIA(Trans Impedance Amplifier)将电流信号转成电压信号,再进行模数转换。由于信号的输出电流较小,需要选用Ib(偏置电流<10pA)较小的精密运算放大器。
ADA4505-1/2/4是超低功耗,轨到轨,零交越失真输入输出放大器。Ib为0.5pA,供电范围1.8~5V,每个放大器的功耗为10μA,非常适合此应用。
AD7988-1是16bit分辨率,100Kbps采样率的SAR型超低功耗ADC。功耗在100Kbps采样率时仅0.7mW。
AD7792/3是16/24bit分辨率,低功耗的S/D型ADC。内部集成仪表放大器及其参考源,适于低频高精度的采样系统。
3 催化燃烧式:
催化燃烧式传感器如图5所示。包括探测器端和补偿端。通过配置外围的R1/R2/VR,使电桥平衡。采用惠斯通电桥原理,感应电阻环境中的可燃气体发生无焰燃烧,使温度使感应电阻的阻值发生变化,打破电桥平衡,使之输出稳定的电信号,再经过信号放大电路、稳定和处理最终得到测量数。在此种应用中,需要放大器有较高的共模抑制比,低失调电压,可选用仪表放大器实现。
AD8420是低功耗90μA,宽电压供电范围2.7V~36V,高共模抑制(>100dB)的轨到轨输出的仪表放大器。

4 红外式:
热势电是红外传感器中重要的一种,其传感器及其典型接口电路如图7和图8所示,框中部分是传感器,内部集成有JFET和CMOS运放两种形式。对外部均需要精密运算放大器对输出的信号进行调理。温度的变化对于此类传感器影响较大,一般有温度校正的环节。

5 PID光离子化式:

PID光电离式传感器的电路部分不仅包括信号的检测电路,还包括紫外光的电源驱动,风扇控制电路等控制。严格的说,它是一个气体探测器,而非传感器。以下仅讨论起信号的检测部分。光离化后,产生的离子流通常在0.1nA的等级,需要微弱信号检测技术。需超低偏流的TIA放大器,处理噪声极为重要,如图9所示。信号放大之后需要高精度,低噪声的模数转换器ADC。当然,也有一些传感器将这些都处理好,提供给用户的直接是mV级灵敏度的电压信号。再此基础上,用户就可以通过简单的放大电路进行处理。
AD549L:针对微弱电流信号的检测,它是提供了目前业界出色的超低偏流放大器,Ib仅60fA max。
AD7190分辨率24bit,超高精度S/D型ADC,在4.7Hz吞吐率,增益128时,噪声水平仅为8.5nV/sqrt Hz.广泛的用于超高精度数据采样系统。
对于气体传感器后端的信号处理,ADI提供了非常有竞争力的信号调理产品,如上所述的运算放大器、仪表放大器、数据转换器等。表1给出了针对不同类型的气体传感器对信号调理器件的主要参数需求,及其推荐器件。

三、综述
有毒有害等气体的检测,已成为环境监测与化学分析应用的一个重要分支,其传感器的发展随着应用的需求也在发生着变化。同时,对后端的信号处理,也提出了挑战。ADI公司一直致力于精密信号处理,其领先的技术及信号调理产品(放大器,数据转换器等)在气体测量的可靠性,精准性方面,带来了出色的性能,很好的满足这一应用的需求。
参考文献:
1 - AD8613/7,ADA4052,AD8420,AD8622,OP2177,AD549,AD7170,AD7792/3,AD7988-1,AD7190/2数据手册。
2 - Luis Orozco - 《Designing a Low-Power Toxic Gas Detector》 Analog Dialog
3 - 潘小青,刘庆成 《气体传感器及其发展》,东华理工学院学报,Vol127,No11 Mar. 2004


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发布人:众宇旺仪器 发布时间:2014年3月13日 已被浏览 1236 次 〖 打印本文