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作者：ADI技術應用工程師 姜海濤 前言： 目前，工業生產安全，環境污染等問題倍受關注。所發生的事故中，有一類是由于有毒、易燃、易爆氣體的泄漏所造成。因此，對于此類氣體的檢測，預警及其防范有其重要意義。越來越多的企業致力于有毒/有害氣體的監測。本文將簡要介紹氣體檢測傳感器的類型，特點及ADI公司在此應用中所提供給的出色信號調理器件。 一、氣體傳感器的類型 傳感器是氣體檢測設備的核心元件，按照其檢測原理可分為：金屬氧化物半導體式傳感器、電化學式傳感器、催化燃燒式傳感器、紅外式傳感器、PID光離子化傳感器等。 1 金屬氧化物半導體式傳感器 金屬氧化物半導體式氣體傳感器是利用在一定溫度下，被測氣體的吸附作用，改變半導體的電導率，其變化率與氣體成份，濃度相關。通過檢測電阻的變化，檢測得待測氣體。半導體式氣體傳感器的主要特點：靈敏度高，響應快，壽命長，成本低，對濕度敏感度低，但需要高溫加熱，氣體的選擇性差，環境因素影響大，輸出穩定性差，功耗高。廣泛使用的在氣體的微漏現象的測量，如 甲烷(天然氣、沼氣)、酒精、一氧化碳(城市煤氣)、硫化氫、氨氣(包括胺類，肼類)等氣體，但不宜用于精密測量氣體含量的場合。 2 電化學式傳感器 電化學氣體傳感器是一種微燃料電池元件，利用氣體在電化學氧化/還原反應原理，氣體在工作電極發生化學反應，在化學試劑、電極間產生電流，電流隨著氣體濃度變化而變化，通過檢測電流的大小得到氣體濃度的值。這種類型傳感器包括原電池型、恒定電位電解池型、濃差電池型、極限電流型等。電化學傳感器的主要特點是氣體的高靈敏度、選擇性好，長期穩定性好，相應時間慢，但壽命短，此類傳感器可以檢測許多有毒氣體和氧氣，例如一氧化碳、硫化氫、氨氣和氧氣等。 3 催化燃燒式傳感器 催化燃燒式氣體傳感器是是氣敏材料在通電狀態下，可燃氣體在催化劑作用下燃燒，由于燃燒使氣敏材料溫度升高從而電阻發生變化。一般是在鉑電阻的表面制備耐高溫的催化劑層，在一定的溫度下，可燃性氣體在其表面催化燃燒，鉑電阻溫度升高，電阻變化，變化值是可燃性氣體濃度的函數。此類型氣體傳感器的主要特點是精度高，相應快，壽命長，在可燃性氣體范圍內，選擇性差，且容易發生"傳感器中毒"（有機物蒸汽會使傳感器失效），有引爆氣體的危險。 4 紅外式傳感器 紅外式傳感器是根據光譜吸收法，氣體對某個中紅外區的特定波長的吸收原理，檢測特征吸收峰位置的吸收強度，確定某氣體的濃度及其種類。其特點是，抗中毒性好，靈敏度高，但結構復雜，成本高。對大多數碳氫化合物都有反應，如甲烷，乙炔，氨氣，二氧化碳等，可以有效地分辨氣體的種類，準確測定氣體濃度。 5 PID光離子化氣體傳感器 PID光離子化傳感器由紫外燈光源和離子室等主要部分構成，通過離子室內的正負電極，形成電場，在紫外燈的照射下，離子化待測氣體，生成正負離子，在電極間形成電流，經放大輸出信號。PID光離子化氣體傳感器精度高，靈敏度好，響應快，無中毒問題，安全可靠，但成本高，定期維護。主要用于揮發性有機化物測量，如芳香烴類、酮類、醛類等。 二 、信號調理要求 1 半導體式： 此類通常傳感器含有4/6個引腳，如圖1所示：H/h 為加熱級，A/a與B/b是敏感電阻的兩極，器中A/a內部短路，B/b內部短路。VH是加熱電壓，Vc是激勵電壓，RL為端接負載電阻。通過兩端的電壓VRL可得到傳感器的阻值，即可得到氣體的濃度（根據傳感器廠家提供的特征曲線計算）。 在測量VRL時，對后端的放大器和數據轉換器（ADC）的要求一般不高，一般選取高輸入阻抗，帶寬小于1Mhz的低成本的放大器。ADC：低成本，一般采用單片機（MCU）集成的ADC 分辨率>=8 bits, 采樣率 < 1Kbps，或直接采用比較器，作為報警功能使用。門限值的調整與負載電阻RL相關。 AD8613是低成本，低功耗的放大器，帶寬400Khz，失調電壓2.2mV，可作為緩沖/放大電路使用。 AD7170是低功耗，分辨率12bit，數據吞吐率為125hz S/D型ADC，適合低功耗，一般精度要求的數據采集系統。 
2 電化學式： 電化學式傳感器通常是電流方式輸出，信號的靈敏度從幾十nA/ppm到幾百nA/ppm，其數值根據氣體的種類不同而不同。另外，不同廠家的傳感器也略有差異。此類傳感器一般3個引腳，分別是工作電極（WE）/參考電極（RE）/對電極（CE）。 工作電極與對電極之間流動的電流與氣體濃度成比例。參考電極沒有電極流動，只是提供一個參考電壓。對于不同氣體傳感器，參考電壓會有所不同，設計后端電路時要仔細閱讀產品手冊。
該傳感器需要使用TIA（Trans Impedance Amplifier）將電流信號轉成電壓信號，再進行模數轉換。由于信號的輸出電流較小，需要選用Ib（偏置電流<10pA）較小的精密運算放大器。 ADA4505-1/2/4是超低功耗，軌到軌，零交越失真輸入輸出放大器。Ib為0.5pA，供電范圍1.8～5V，每個放大器的功耗為10μA，非常適合此應用。 AD7988-1是16bit分辨率，100Kbps采樣率的SAR型超低功耗ADC。功耗在100Kbps采樣率時僅0.7mW。 AD7792/3是16/24bit分辨率，低功耗的S/D型ADC。內部集成儀表放大器及其參考源，適于低頻高精度的采樣系統。 3 催化燃燒式： 催化燃燒式傳感器如圖5所示。包括探測器端和補償端。通過配置外圍的R1/R2/VR，使電橋平衡。采用惠斯通電橋原理，感應電阻與環境中的可燃氣體發生無焰燃燒，使溫度使感應電阻的阻值發生變化，打破電橋平衡，使之輸出穩定的電信號，再經過信號放大電路、穩定和處理最終得到測量數。在此種應用中，需要放大器有較高的共模抑制比，低失調電壓，可選用儀表放大器實現。 AD8420是低功耗90μA，寬電壓供電范圍2.7V～36V，高共模抑制（>100dB）的軌到軌輸出的儀表放大器。
4 紅外式： 熱勢電是紅外傳感器中重要的一種，其傳感器及其典型接口電路如圖7和圖8所示，框中部分是傳感器，內部集成有JFET和CMOS運放兩種形式。對外部均需要精密運算放大器對輸出的信號進行調理。溫度的變化對于此類傳感器影響較大，一般有溫度校正的環節。
5 PID光離子化式： PID光電離式傳感器的電路部分不僅包括信號的檢測電路，還包括紫外光的電源驅動，風扇控制電路等控制。嚴格的說，它是一個氣體探測器，而非傳感器。以下僅討論起信號的檢測部分。光離化后，產生的離子流通常在0.1nA的等級，需要微弱信號檢測技術。需超低偏流的TIA放大器，處理噪聲極為重要，如圖9所示。信號放大之后需要高精度，低噪聲的模數轉換器ADC。當然，也有一些傳感器將這些都處理好，提供給用戶的直接是mV級靈敏度的電壓信號。再此基礎上，用戶就可以通過簡單的放大電路進行處理。
圖9：微弱電流檢測TIA AD549L：針對微弱電流信號的檢測，它是提供了目前業界出色的超低偏流放大器，Ib僅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時，噪聲水平僅為8.5nV/sqrt Hz.廣泛的用于超高精度數據采樣系統。 對于氣體傳感器后端的信號處理，ADI提供了非常有競爭力的信號調理產品，如上所述的運算放大器、儀表放大器、數據轉換器等。表1給出了針對不同類型的氣體傳感器對信號調理器件的主要參數需求，及其推薦器件。 表1： 信號調理要求VS氣體傳感器類型
三、綜述 有毒有害等氣體的檢測，已成為環境監測與化學分析應用的一個重要分支，其傳感器的發展隨著應用的需求也在發生著變化。同時，對后端的信號處理，也提出了挑戰。ADI公司一直致力于精密信號處理，其領先的技術及信號調理產品（放大器，數據轉換器等）在氣體測量的可靠性，精準性方面，帶來了出色的性能，很好的滿足這一應用的需求。 參考文獻： 1 - AD8613/7，ADA4052，AD8420，AD8622，OP2177，AD549，AD7170，AD7792/3，AD7988-1，AD7190/2數據手冊。 2 - Luis Orozco - 《Designing a Low-Power Toxic Gas Detector》 Analog Dialog 3 - 潘小青，劉慶成 《氣體傳感器及其發展》，東華理工學院學報，Vol127，No11 Mar. 2004 |
