何謂氣體傳感器，四種常見(jiàn)氣體傳感器的檢測原理

氣體傳感器就是一種可以檢查出存在于空氣中的人眼看不到的氣體及其濃度的傳感設備，在家用氣體報警器、空調、空氣潔凈器、汽車(chē)等領(lǐng)域廣泛得到應用?，F在精訊暢通小編將與大家分享一下四種常見(jiàn)的氣體傳感器的檢測原理。

一、半導體氣體傳感器工作原理

當氧化錫粒子在數百度的溫度下暴露在氧氣中時(shí)，氧氣捕捉粒子中的電子后，吸附于粒子表面。結果，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(gè)粒子都將進(jìn)入電子耗盡層的狀態(tài)。這種狀態(tài)稱(chēng)為容衰竭（volume depletion）。相反，把粒子中心部位未能達到耗盡層的狀態(tài)稱(chēng)為域衰竭（regional depletion）。使氧氣分壓從零（flat band開(kāi)始按照?。╗O-](Ⅰ)）→中（[O-](Ⅱ)）→大（[O-](Ⅲ)））的順序上升時(shí)，能帶結構與電子傳導分布的變化如下圖所示（[O-]：吸附的氧氣濃度）。在容衰竭（volume depletion）狀態(tài)下，電子耗盡層的厚度變化結束，產(chǎn)生費米能級轉換pkT，電子耗盡狀態(tài)往前推進(jìn)則pkT增大，后退則pkT縮小。

使用了氧化錫的半導體氣體傳感器，就是通過(guò)氧化錫粒子表面的[O-]的變化來(lái)體現電阻值R的變化。
置于空氣中被加熱到數百度的氧化錫粒子，一旦暴露于一氧化碳這樣的還原性氣體中，其表面吸附的氧氣與氣體之間發(fā)生反應后，使[O-]減少，結果是[e]S增大，R縮小。消除還原性氣體后，[O-]增大到暴露于氣體前的濃度，R也將恢復到暴露于氣體前的大小。使用氧化錫的半導體式氣體傳感器就是利用這個(gè)性能對氣體進(jìn)行檢測。

二、催化燃燒式氣體傳感器工作原理

催化燃燒式氣體傳感器由對可燃氣體進(jìn)行反應的檢測片（D）和不與可燃氣體進(jìn)行反應的補償片（C）2個(gè)元件構成。如果存在可燃氣體的話(huà)，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，因為補償片不燃燒，其電阻不發(fā)生變化。這些元件組成惠斯通電橋回路，不存在可燃氣體的氛圍中，可以調整可變電阻（VR）讓電橋回路處于平衡狀態(tài)。然后，當氣體傳感器暴露于可燃氣體中時(shí)，只有檢測片的電阻上升，因此電橋回路的平衡被打破，這個(gè)變化表現為不均衡電壓（Vout）而可以被檢測出來(lái)。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(guò)測定電壓而檢出氣體濃度。

三、電化學(xué)氣體傳感器工作原理

電化學(xué)氣體傳感器由來(lái)自貴金屬催化劑的檢測極、對極與離子傳導體構成。當CO等檢測對象氣體存在時(shí)，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。

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(shí)產(chǎn)生的電子（e-）分別通過(guò)離子傳導體與外部電線(xiàn)（引線(xiàn)）各自到達對極，在對極上與空氣中的氧之間發(fā)生（2）式所示的反應。

（1/2）O2 + 2H+ + 2e- → H2O …（2）

也就是電化學(xué)氣體傳感器構成了由（1）（2）反應式形成的（3）反應式的全電池反應，可以認為是將氣體作為活性物質(zhì)的電池。

CO + （1/2）O2 → CO2 …（3）

當做氣體傳感器使用時(shí)，接通檢測極與對極的電流，來(lái)測定其短路電流。

特長(cháng)

反應式（1）所示的氧化電位由于比氧化電極電位的基準值（2H+ + 2e- ? H2)要低（擁有較低電位），因此此反應不需要消耗來(lái)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、重復性、節電方面要優(yōu)越得多。

四、NDIR氣體傳感器工作原理

NDIR（非色散型紅外線(xiàn)）氣體傳感器的工作原理

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

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

檢測原理

用中波段紅外線(xiàn)照射氣體后，由于氣體分子的振動(dòng)數與紅外線(xiàn)的能級處于同一個(gè)光譜范疇，紅外線(xiàn)與分子的固有振動(dòng)數發(fā)生共振后，在分子振動(dòng)時(shí)被氣體分子所吸收。

氣體濃度與紅外線(xiàn)透射率的關(guān)系可通過(guò)朗伯-比爾定律進(jìn)行說(shuō)明。對于NDIR氣體傳感器來(lái)說(shuō)，對象氣體的吸光度ε與光程d是不變的，在與成為對象的氣體吸收能（波長(cháng)）一致的光譜范疇，通過(guò)測定紅外線(xiàn)的透射率T，即可得到對象氣體的濃度c。

來(lái)自放射源的入射光強度I0，是通過(guò)使用不吸收紅外線(xiàn)的零點(diǎn)氣體校準后設定的。吸光度ε是利用已知濃度的對象氣體進(jìn)行校準后進(jìn)行初始設定的。

特長(cháng)

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

文章來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )，若有侵權，請聯(lián)系我們刪除。