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              這四種氣體傳感器的工作原理,您清楚嗎?

              氣體傳感器是一種將某種氣體體積分數轉化成對應電信號的轉換器。探測頭通過氣體傳感器對氣體樣品進行調理,通常包括濾除雜質和干擾氣體、干燥或制冷處理儀表顯示部分。由于氣體傳感器分類體系紛繁龐雜,下面我們就從這四種氣體傳感器的工作原理著手,來簡單了解一下氣體傳感器的相關知識吧!

              一、半導體氣體傳感器工作原理

              簡單的架構

              STEP1

              在潔凈的空氣中,氧化錫表面吸附的氧會束縛氧化錫中的電子,造成電子難以流動的狀態。

              STEP2

              在泄漏的氣體(還原性氣體)環境中,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,電子流動通暢。

              傳感器的檢測原理

              當氧化錫粒子在數百度的溫度下暴露在氧氣中時,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,因此在空氣中整個粒子都將進入電子耗盡層的狀態。這種狀態稱為容衰竭(volume depletion)。相反,把粒子中心部位未能達到耗盡層的狀態稱為域衰竭(regional depletion)。

              使氧氣分壓從零(flat band開始按照?。╗O-](Ⅰ))→中([O-](Ⅱ))→大([O-](Ⅲ)))的順序上升時,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)狀態下,電子耗盡層的厚度變化結束,產生費米能級轉換pkT,電子耗盡狀態往前推進則pkT增大,后退則pkT縮小。

              ■ 隨著吸附的氧氣濃度增加半導體粒子的耗盡狀態在推進

              能帶結構

              傳導電子分布

              容衰竭(volume depletion)狀態下球狀氧化錫粒子表面的電子濃度[e]S可用施子密度Nd、粒子半徑a以及德拜長度LD通過式子(1)表示。如果p增大則[e]S減少,p減少則[e]S增大。

              [e]S=Nd exp{-(1/6)(a/LD)2-p} ... (1)

              由大小、施子密度相同的球狀氧化錫粒子組成的傳感器的電阻值R,可使用flat band時的電阻值R0,通過式子(2)表示。[e]S減少則將增大,[e]S增大則將縮小。

              R/R0= Nd/[e]S ... (2)

              使用了氧化錫的半導體式氣體傳感器,就是這樣通過氧化錫粒子表面的[O-]的變化來體現電阻值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性能對氣體進行檢測。

               

              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行反應的檢測片(D)和不與可燃氣體進行反應的補償片(C)2個元件構成。如果存在可燃氣體的話,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。

              然后,當氣體傳感器暴露于可燃氣體中時,只有檢測片的電阻上升,因此電橋回路的平衡被打破,這個變化表現為不均衡電壓(Vout)而可以被檢測出來。此不均衡電壓與氣體濃度之間存在圖3所示的比例關系,因此可以通過測定電壓而檢出氣體濃度。

              ■ (圖1)測定電路

              ■ (圖2)測試電路

              ■ (圖3)

              三、電化學氣體傳感器工作原理

              傳感器元件構成與電極反應式

              傳感器由來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,在檢測極催化劑上與空氣中的水蒸氣發生(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,檢測極產生的質子(H+)與同時產生的電子(e-)分別通過離子傳導體與外部電線(引線)各自到達對極,在對極上與空氣中的氧之間發生(2)式所示的反應。

              (1/2)O2 + 2H+ + 2e- → H2O …(2)

              也就是說此傳感器構成了由(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的電池。

              CO + (1/2)O2 → CO2 …(3)

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

              CO濃度檢測原理公式

              對流過外部電路的短路電流與氣體濃度的關系,通過傳感器進行適當的擴散控制(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:擴散層長度;D:氣體擴散系數;C:氣體濃度;n:反應的電子數量

              特長

              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自外部的電壓、溫度等其他能量,可以有選擇地進行,與別的檢測方式相比在干擾性、重復性、節電方面要優越得多。

              四、NDIR氣體傳感器工作原理

              NDIR(非色散型紅外線)式氣體傳感器的工作原理

              NDIR(non-dispersive infrared)式氣體傳感器是通過由入射紅外線引發對象氣體的分子振動,利用其可吸收特定波長紅外線的現象來進行氣體檢測的。紅外線的透射率(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。

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

              檢測原理

              用中波段紅外線照射氣體后,由于氣體分子的振動數與紅外線的能級處于同一個光譜范疇,紅外線與分子的固有振動數發生共振后,在分子振動時被氣體分子所吸收。

              氣體濃度與紅外線透射率的關系可通過下述朗伯-比爾定律進行說明。對于NDIR式氣體傳感器來說,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)一致的光譜范疇,通過測定紅外線的透射率T,即可得到對象氣體的濃度c。

              來自放射源的入射光強度I0,是通過使用不吸收紅外線的零點氣體校準后設定的。吸光度ε是利用已知濃度的對象氣體進行校準后進行初始設定的。

              特長

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

               

              Tags: 氣體傳感器

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