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- 氣體檢測傳感器概述及提供相應(yīng)的信號調(diào)理器件
- 來源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2015/3/19
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,對于此類氣體的檢測,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。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(yīng)用中所提供給的出色信號調(diào)理器件。
一、氣體傳感器的類型
傳感器是氣體檢測設(shè)備的核心元件,按照其檢測原理可分為: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)。通過檢測電阻的變化,檢測得待測氣體。半導(dǎo)體式氣體傳感器的主要特點:靈敏度高,響應(yīng)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(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(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)傳感器的主要特點是氣體的高靈敏度、選擇性好,長期穩(wěn)定性好,相應(yīng)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(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是精度高,相應(yīng)快,壽命長,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(jù)光譜吸收法,氣體對某個中紅外區(qū)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(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高。對大多數(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,在紫外燈的照射下,離子化待測氣體,生成正負(fù)離子,在電極間形成電流,經(jīng)放大輸出信號。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。主要用于揮發(fā)性有機化物測量,如芳香烴類、酮類、醛類等。
二 、信號調(diào)理要求
1 半導(dǎo)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(nèi)部短路,B/b內(nèi)部短路。VH是加熱電壓,Vc是激勵電壓,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算)。
在測量VRL時,對后端的放大器和數(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(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(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(shè)計后端電路時要仔細(xì)閱讀產(chǎn)品手冊。
該傳感器需要使用TIA(Trans Impedance Amplifier)將電流信號轉(zhuǎn)成電壓信號,再進行模數(shù)轉(zhuǎn)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(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(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,再經(jīng)過信號放大電路、穩(wěn)定和處理最終得到測量數(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(diào)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(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的檢測電路,還包括紫外光的電源驅(qū)動,風(fēng)扇控制電路等控制。嚴(yán)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(chǎn)生的離子流通常在0.1nA的等級,需要微弱信號檢測技術(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級靈敏度的電壓信號。再此基礎(chǔ)上,用戶就可以通過簡單的放大電路進行處理。
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(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,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(diào)理產(chǎn)品,如上所述的運算放大器、儀表放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等。表1給出了針對不同類型的氣體傳感器對信號調(diào)理器件的主要參數(shù)需求,及其推薦器件。
表1: 信號調(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,已成為環(huán)境監(jiān)測與化學(xué)分析應(yīng)用的一個重要分支,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,對后端的信號處理,也提出了挑戰(zhàn)。ADI公司一直致力于精密信號處理,其領(lǐng)先的技術(shù)及信號調(diào)理產(chǎn)品(放大器,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等)在氣體測量的可靠性,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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