气体检测传感器的类型及信号调理的要求

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

传感器是气体检测装置的芯部件，可分为：金属氧化物半导体传感器，电化学传感器，催化燃烧传感器，红外传感器，PID光学传感器等。

1、 金属复合氧化物作为半导体式传感器

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

电化学气体压力传感器是一种微燃料电池元件，利用这些气体在电化学氧化/还原反应基本原理，气体在工作进行电极之间发生发展化学物质反应，在化学实验试剂、电极间产生影响电流，电流随着我国气体浓度不断变化而变化，通过分析检测电流的大小没有得到提高气体浓度的值。这种数据类型传感器技术包括原电池型、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研究特点是气体的高灵敏度、选择性好，长期存在稳定性好，相应活动时间慢，但寿命短，此类传感器网络可以根据检测到了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

催化燃烧式气体通过传感器是是气敏材料在通电工作状态下，可燃气体在催化剂促进作用下燃烧，由于没有燃烧使气敏材料不同温度不断升高从而导致电阻可以发生发展变化。一般是在铂电阻的表面技术制备具有耐高温的催化剂层，在一定的温度下，可燃性气体在其研究表面催化燃烧，铂电阻温度逐渐升高，电阻产生变化，变化值是可燃性气体质量浓度的函数。此类型气体压力传感器的主要结构特点是精度高，相应快，寿命长，在可燃性气体保护范围内，选择性差，且容易出现发生“传感器中毒”（有机物蒸汽会使一个传感器控制失效），有引爆气体的危险。

4、 红外式传感器

红外式传感器是根据不同光谱进行吸收法，气体对某个中红外区的特定波长的吸收作用原理，检测技术特征学习吸收峰位置的吸收利用强度，确定某气体的浓度变化及其产品种类。其特点是，抗中毒性好，灵敏度高，但结构比较复杂，成本高。对大多数碳氢化合物方面都有一个反应，如甲烷，乙炔，氨气，二氧化碳等，可以通过有效地提高分辨气体的种类，准确分析测定气体质量浓度。

5. PID光电离气体传感器

光电离传感器由紫外光源和离子室组成。通过离子室中的正负电极，形成电场。在紫外灯的照射下，被测气体电离，产生正负离子，电极之间形成电流，放大输出信号。光电离气体传感器具有精度高、灵敏度好、响应快、无中毒问题、安全可靠、但成本高、维护定期等优点。主要用于测定挥发性有机化合物，如芳香烃、酮类、醛类等。

二 、信号调理要求

1、 半导体式：

此类企业通常使用传感器主要含有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内部进行短路，B/b内部出现短路。VH是加热系统电压，Vc是激励工作电压，RL为端接负载电阻。通过网络两端的电压VRL可得到传感器的阻值，即可可以得到提高气体的浓度（根据这些传感器厂家发展提供的特征分析曲线设计计算）。

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，失调导致电压2.2mV，可作为一个缓冲/放大系统电路设计使用。

AD7170是一种低功耗、分辨率12位、数据吞吐量125HzS/DADC的数据采集系统，适用于低功耗和一般精度。

2、 电化学式：

电化学式传感器技术通常是通过电流控制方式进行输出，信号的灵敏度从几十nA/ppm到几百nA/ppm，其数值可以根据这些气体的种类很多不同而不同。另外，不同生产厂家的传感器也略有差异。此类传感器系统一般3个引脚，分别是管理工作作为电极（WE）/参考电极（RE）/对电极（CE）。 工作电极与对电极之间存在流动的电流与气体浓度成比例。参考电极没有电极流动，只是我们提供这样一个重要参考电压。对于企业不同气体压力传感器，参考电压会有所了解不同，设计后端电路时要仔细分析阅读相关产品服务手册。

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是超低摩擦功耗，轨到轨，零交越失真数据输入信号输出一个放大器。Ib为0.5pA，供电企业范围1.8～5V，每个影响放大器的功耗为10μA，非常具有适合此应用。

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

Ad7792/3是16/24位低功耗的 s-d adc。仪表放大器及其参考源的内部集成适用于低频和高精度的采样系统。

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组成部分学生不仅可以包括数据信号的检测系统电路，还包括紫外光的电源驱动，风扇内部控制工作电路等控制。严格的说，它是作为一个具有气体探测器，而非传感器。以下仅讨论起信号的检测以及部分。光离化后，产生的离子流通常在0.1nA的等级，需要我们微弱信号分析检测网络技术。需超低偏流的TIA放大器，处理环境噪声极为企业重要，如图9所示。信号放大之后发展需要实现高精度，低噪声的模数转换器ADC。当然，也有存在一些相关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，用户之间就可以选择通过比较简单的放大电路设计进行有效处理。

图9：微弱信号电流进行检测TIA

AD549L：针对自己微弱影响电流控制信号的检测，它是企业提供了目前我国业界具有出色的超低偏流放大器，Ib仅60fA max。

Ad7190是一个24位的超高分辨率 s/d 转换器，有4.7赫兹的吞吐量和128的增益。噪音水平只有8.5 nv/sqrt hz。广泛应用于超高精度数据采集系统中。

对于这些气体通过传感器后端的信号分析处理，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给出了一种针对学生不同文化类型的气体压力传感器对信号调理器件的主要技术参数设计需求，及其相关推荐器件。

表1： 信号进行调理要求VS气体传感器数据类型

三、综述

有毒气体和其他气体的检测已成为环境监测和化学分析应用的一个重要分支，其传感器的发展正随着应用的需求而变化。同时，信号处理的后端，也是一个挑战。阿迪一直致力于精密信号处理，其领先的技术和信号调理产品(放大器、数据转换器等)在气体测量的可靠性、准确性方面，能带来优异的性能，足以满足这一应用的需要。

责任编辑：gt

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