(元琛科技)人們的日常生活生產都與周圍的氣體環境有著密切的聯系,氣體傳感器是將目標氣體分子與氣敏材料發生物理或化學反應,產生的物理或化學量變化轉變為可有效測量的電信號、光信號、聲信號等,從而實現對氣體種類和濃度的測量的一種傳感器。按傳感器原理分為:電化學氣體傳感器、半導體氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、光學氣體傳感器等等。
(1)電化學氣體傳感器
電化學氣體傳感器的主要原理是把目標氣體在電極處發生氧化還原反應產生電流,根據電流強度線性變化獲得氣體濃度的氣體傳感器。電解液是電化學傳感器的重要組成部分,目前水基溶液是最常見的電化學傳感器的電解液。比較常見的電化學氣體傳感器應用類型有原電池型、恒定電位電解池型等。
原電池型氣體傳感器(也稱:加伏尼電池型氣體傳感器,也有稱燃料電池型氣體傳感器,也有稱自發電池型氣體傳感器)通過測量電解電流來檢測氣體濃度。但由于傳感器本身就是電池,所以不需要由外界施加電壓。
恒定電位電解池型氣體傳感器是測毒類現場最廣泛使用的一種技術,其結構是在一個塑料制成的筒狀池體內,安裝工作電極、對電極和參比電極,在電極之間充滿電解液,由多孔四氟乙烯做成的隔膜,在頂部封裝。前置放大器與傳感器電極的連接,在電極之間施加了一定的電位,使傳感器處于工作狀態。氣體與的電解質內的工作電極發生氧化或還原反應,在對電極發生還原或氧化反應,電極的平衡電位發生變化,變化值與氣體濃度成正比。
現階段,使用電解液作為關健元件之一的電化學傳感器是檢測有毒有害氣體常用的傳感器,具有響應范圍寬、穩定性高、成本低廉等優點。
(2)半導體氣體傳感器
半導體氣體傳感器是利用半導體作為氣敏材料,特點為靈敏度高、反應速度快,因此被廣泛應用。并且在現階段中,半導體氣體傳感器成為產量最多的傳感器。半導體氣體傳感器利用氣體在半導體表面的氧化還原反應以導致敏感元件組織發生變化而制成。按照半導體與氣體的相互作用是在其表面還是在內部,可分為表面控制型和體控制型兩種;按照半導體變化的物理性質,又可分為電阻型和非電阻型兩種。電阻型半導體氣體傳感器利用半導體接觸氣體時阻值的改變檢測氣體的成分或濃度;非電阻型半導體氣體傳感器根據對氣體的吸附反應,使半導體的某些特性發生變化實現氣體直接或間接檢測。
(3)催化燃燒式氣體傳感器
催化燃燒型氣體傳感器主要的作用是檢測可燃氣體,主要原理是催化燃燒的熱效應。檢測元件和補償元件進行配對而構成測量電橋,并在其外包裹載體催化劑。滿足反應溫度的條件時,可燃氣體會在檢測元件表面,通過催化劑的作用產生化學燃燒反應,釋放出來的熱量會使金屬線圈溫度增高,相應內部電阻也會有所升高,最終導致平衡電橋產生電信號變化,該信號與可燃氣體濃度成線性相關。可燃氣體報警器的原理基本上都是催化燃燒式。
(4)光學氣體傳感器
光學類氣體傳感器就是利用特征光譜檢測氣體成分和濃度的傳感器。由不同原子構成的分子會有獨特的振動、轉動頻率,當其受到相同頻率的光線照射時,就會發生吸收,從而引起光強的變化,通過測量吸光度的變化就可以測得氣體濃度。光學類氣體傳感器就是利用特征光譜檢測氣體成分和濃度的傳感器。根據光學原理將其分為紅外吸收式、可見光吸收光度式、光干涉式、化學發光式等。一般情況下,一種氣體分子會有多個特征吸收峰,一般通過濾光片單色器選擇最佳目標波長。
如常見的紅外吸收型二氧化碳氣體傳感器是基于氣體的吸收光譜隨物質的不同而存在差異的原理制成的。二氧化碳傳感元件通過驅動電路控制內部紅外燈發出固定波段的紅外光,經待測氣體的吸收,紅外光幅值發生變化,再通過檢測變化量計算待測氣體的濃度,即傳感元件輸出的信號分別經過濾波、放大處理和ADC采集轉換、輸入到微處理器,微處理器系統根據采集到的溫度、壓力進行相應的溫度、壓力補償處理,最終計算出待測的二氧化碳濃度值輸出到顯示設備。