气体传感器简述及有毒有害气体监测

关键字：气体传感器 信号调理 单片机 MCU

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/有害气体的监测。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和氧气，例如一氧化碳、硫化氢、氨气和氧气等。

3 催化燃烧式传感器

催化燃烧式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，可燃性气体在其表面催化燃烧，铂电阻温度升高，电阻变化，变化值是可燃性气体浓度的函数。此类型气体传感器的主要特点是精度高，相应快，寿命长，在可燃性气体范围内，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灯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）。

在测量 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（R E）/对电极（CE）。 工作电极与对电极之间流动的电流与气体浓度成比例。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。