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    了解一下幾種常見(jiàn)氣體傳感器的檢測原理

    精訊暢通    2022-10-21

    氣體傳感器是用于氣體泄漏檢測的傳感器,常見(jiàn)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)氣體傳感器和半導體氣體傳感器。今天我們就來(lái)了解一下幾種常見(jiàn)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(圖1)。這些元件組成惠斯通電橋回路(圖2),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。

    氣體傳感器

    二、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。

    優(yōu)點(diǎn)

    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。

    三、電化學(xué)氣體傳感器

    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)

    也就是說(shuō)此傳感器構成了由(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。

    CO濃度檢測原理公式

    對流過(guò)外部電路的短路電流與氣體濃度的關(guān)系,通過(guò)傳感器進(jìn)行適當的擴散控制(控制氣體的流入量),呈現出式子(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:擴散孔面積;σ:擴散層長(cháng)度;D:氣體擴散系數;C:氣體濃度;n:反應的電子數量

    優(yōu)點(diǎn)

    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、半導體氣體傳感器

    STEP1

    在潔凈的空氣中,氧化錫表面吸附的氧會(huì )束縛氧化錫中的電子,造成電子難以流動(dòng)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后消失,氧化錫中的電子重獲自由,受此影響,電子流動(dòng)通暢。

    檢測原理

    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。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。

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