了解一下幾種常見氣體傳感器的檢測原理

氣體傳感器是用于氣體泄漏檢測的傳感器，常見的氣體傳感器主要有催化燃燒式氣體傳感器、NDIR氣體氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器和半導(dǎo)體氣體傳感器。今天我們就來了解一下幾種常見氣體傳感器的檢測原理。

一、催化燃燒式氣體傳感器

催化燃燒式氣體傳感器由對可燃?xì)怏w進(jìn)行反應(yīng)的檢測片（D）和不與可燃?xì)怏w進(jìn)行反應(yīng)的補(bǔ)償片（C）2個元件構(gòu)成。如果存在可燃?xì)怏w的話，只有檢測片可以燃燒，因此檢測片溫度上升使檢測片的電阻增加。相反，因為補(bǔ)償片不燃燒，其電阻不發(fā)生變化（圖1）。這些元件組成惠斯通電橋回路（圖2），不存在可燃?xì)怏w的氛圍中，可以調(diào)整可變電阻（VR）讓電橋回路處于平衡狀態(tài)。然后，當(dāng)氣體傳感器暴露于可燃?xì)怏w中時，只有檢測片的電阻上升，因此電橋回路的平衡被打破，這個變化表現(xiàn)為不均衡電壓（Vout）而可以被檢測出來。此不均衡電壓與氣體濃度之間存在圖3所示的比例關(guān)系，因此可以通過測定電壓而檢出氣體濃度。

二、NDIR(非色散型紅外線)氣體傳感器的工作原理

NDIR氣體傳感器是通過由入射紅外線引發(fā)對象氣體的分子振動，利用其可吸收特定波長紅外線的現(xiàn)象來進(jìn)行氣體檢測的。紅外線的透射率（透射光強(qiáng)度與源自輻射源的放射光強(qiáng)度之比）取決于對象氣體的濃度。

傳感器由紅外線放射光源、感光素子、光學(xué)濾鏡以及收納它們的檢測匣體、信號處理電路構(gòu)成。在單光源雙波長型傳感器中，在2個感光素子的前部分別設(shè)置了具有不同的透過波長范圍閾值的光學(xué)濾鏡，通過比較可吸收檢測對象氣體波長范圍與不可吸收波長范圍的透射量，就可以換算為相應(yīng)的氣體濃度。因此，雙波長方式可實現(xiàn)長期而又穩(wěn)定的檢測。

檢測原理

用中波段紅外線照射氣體后，由于氣體分子的振動數(shù)與紅外線的能級處于同一個光譜范疇，紅外線與分子的固有振動數(shù)發(fā)生共振后，在分子振動時被氣體分子所吸收。氣體濃度與紅外線透射率的關(guān)系可通過朗伯-比爾定律進(jìn)行說明。

優(yōu)點

因為紅外線是根據(jù)目標(biāo)氣體固有的紅外能量（波長）被吸收的，所以氣體選擇性非常高成為其最大的特長。即使在高濃度的對象氣體中長時間進(jìn)行暴露，也從原理上避免了靈敏度的不可逆變化。

三、電化學(xué)氣體傳感器

電化學(xué)氣體傳感器由來自貴金屬催化劑的檢測極、對極與離子傳導(dǎo)體構(gòu)成。當(dāng)CO等檢測對象氣體存在時，在檢測極催化劑上與空氣中的水蒸氣發(fā)生（1）式所示的反應(yīng)。

CO + H2O → CO2＋ 2H++ 2e-…（1）

檢測極與對極接通電流（短路）后，檢測極產(chǎn)生的質(zhì)子(H+)與同時產(chǎn)生的電子（e-）分別通過離子傳導(dǎo)體與外部電線（引線）各自到達(dá)對極，在對極上與空氣中的氧之間發(fā)生（2）式所示的反應(yīng)。

（1/2）O2+ 2H++ 2e-→ H2O …（2）

也就是說此傳感器構(gòu)成了由（1）（2）反應(yīng)式形成的（3）反應(yīng)式的全電池反應(yīng)，可以認(rèn)為是將氣體作為活性物質(zhì)的電池。

CO + （1/2）O2→ CO2…（3）

當(dāng)做氣體傳感器使用時，接通檢測極與對極的電流，來測定其短路電流。

CO濃度檢測原理公式

對流過外部電路的短路電流與氣體濃度的關(guān)系，通過傳感器進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散控制（控制氣體的流入量），呈現(xiàn)出式子（4）這樣的比例關(guān)系。

I = F × (A/σ) × D × C × n …（4）

這里 I：短路電流；A：擴(kuò)散孔面積；σ：擴(kuò)散層長度；D：氣體擴(kuò)散系數(shù)；C：氣體濃度；ｎ：反應(yīng)的電子數(shù)量

優(yōu)點

反應(yīng)式（1）所示的氧化電位由于比氧化電極電位的基準(zhǔn)值（2H+ + 2e- ? H2)要低（擁有較低電位），因此此反應(yīng)不需要消耗來自外部的電壓、溫度等其他能量，可以有選擇地進(jìn)行，與別的檢測方式相比在干擾性、重復(fù)性、節(jié)電方面要優(yōu)越得多。

四、半導(dǎo)體氣體傳感器

STEP1

在潔凈的空氣中，氧化錫表面吸附的氧會束縛氧化錫中的電子，造成電子難以流動的狀態(tài)。

STEP2

在泄漏的氣體（還原性氣體）環(huán)境中，表面的氧與還原氣體反應(yīng)后消失，氧化錫中的電子重獲自由，受此影響，電子流動通暢。

檢測原理

當(dāng)氧化錫粒子在數(shù)百度的溫度下暴露在氧氣中時，氧氣捕捉粒子中的電子后，吸附于粒子表面。結(jié)果，在氧化錫粒子中形成電子耗盡層。由于氣體傳感器使用的氧化錫粒子一般都很小，因此在空氣中整個粒子都將進(jìn)入電子耗盡層的狀態(tài)。這種狀態(tài)稱為容衰竭（volume depletion）。相反，把粒子中心部位未能達(dá)到耗盡層的狀態(tài)稱為域衰竭（regional depletion）。使氧氣分壓從零（flat band開始按照小（[O-](Ⅰ)）→中（[O-](Ⅱ)）→大（[O-](Ⅲ)））的順序上升時，能帶結(jié)構(gòu)與電子傳導(dǎo)分布的變化。在容衰竭（volume depletion）狀態(tài)下，電子耗盡層的厚度變化結(jié)束，產(chǎn)生費米能級轉(zhuǎn)換pkT，電子耗盡狀態(tài)往前推進(jìn)則pkT增大，后退則pkT縮小。

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