气体检测传感器及提供相应的信号调理器件 传感器, 检测

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作者：ADI技术应用工程师 姜海涛

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（RE）/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。




该传感器需要使用TIA（Trans Impedance Amplifier）将电流信号转成电压信号，再进行模数转换。由于信号的输出电流较小，需要选用Ib（偏置电流<10pA）较小的精密运算放大器。

ADA4505-1/2/4是超低功耗，轨到轨，零交越失真输入输出放大器。Ib为0.5pA，供电范围1.8～5V，每个放大器的功耗为10μA，非常适合此应用。

AD7988-1是16bit分辨率，100Kbps采样率的SAR型超低功耗ADC。功耗在100Kbps采样率时仅0.7mW。

AD7792/3是16/24bit分辨率，低功耗的S/D型ADC。内部集成仪表放大器及其参考源，适于低频高精度的采样系统。

3 催化燃烧式：

催化燃烧式传感器如图5所示。包括探测器端和补偿端。通过配置外围的R1/R2/VR，使电桥平衡。采用惠斯通电桥原理，感应电阻与环境中的可燃气体发生无焰燃烧，使温度使感应电阻的阻值发生变化，打破电桥平衡，使之输出稳定的电信号，再经过信号放大电路、稳定和处理最终得到测量数。在此种应用中，需要放大器有较高的共模抑制比，低失调电压，可选用仪表放大器实现。

AD8420是低功耗90μA，宽电压供电范围2.7V～36V，高共模抑制（>100dB）的轨到轨输出的仪表放大器。




4 红外式：

热势电是红外传感器中重要的一种，其传感器及其典型接口电路如图7和图8所示，框中部分是传感器，内部集成有JFET和CMOS运放两种形式。对外部均需要精密运算放大器对输出的信号进行调理。温度的变化对于此类传感器影响较大，一般有温度校正的环节。




5 PID光离子化式：

PID光电离式传感器的电路部分不仅包括信号的检测电路，还包括紫外光的电源驱动，风扇控制电路等控制。严格的说，它是一个气体探测器，而非传感器。以下仅讨论起信号的检测部分。光离化后，产生的离子流通常在0.1nA的等级，需要微弱信号检测技术。需超低偏流的TIA放大器，处理噪声极为重要，如图9所示。信号放大之后需要高精度，低噪声的模数转换器ADC。当然，也有一些传感器将这些都处理好，提供给用户的直接是mV级灵敏度的电压信号。再此基础上，用户就可以通过简单的放大电路进行处理。



图9：微弱电流检测TIA

AD549L：针对微弱电流信号的检测，它是提供了目前业界出色的超低偏流放大器，Ib仅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时，噪声水平仅为8.5nV/sqrt Hz.广泛的用于超高精度数据采样系统。

对于气体传感器后端的信号处理，ADI提供了非常有竞争力的信号调理产品，如上所述的运算放大器、仪表放大器、数据转换器等。表1给出了针对不同类型的气体传感器对信号调理器件的主要参数需求，及其推荐器件。

表1： 信号调理要求VS气体传感器类型



三、综述

有毒有害等气体的检测，已成为环境监测与化学分析应用的一个重要分支，其传感器的发展随着应用的需求也在发生着变化。同时，对后端的信号处理，也提出了挑战。ADI公司一直致力于精密信号处理，其领先的技术及信号调理产品（放大器，数据转换器等）在气体测量的可靠性，精准性方面，带来了出色的性能，很好的满足这一应用的需求。

参考文献：

1 - AD8613/7，ADA4052，AD8420，AD8622，OP2177，AD549，AD7170，AD7792/3，AD7988-1，AD7190/2数据手册。

2 - Luis Orozco - 《Designing a Low-Power Toxic Gas Detector》 Analog Dialog

3 - 潘小青，刘庆成 《气体传感器及其发展》，东华理工学院学报，Vol127，No11 Mar. 2004