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气体传感器的相关历史以及信号调理要求

时间:2020-01-02 16:17来源:互联网 作者:郑州炜盛科技 点击:

一、气体传感器的定义

所谓气体传感器,是指用于探测在一定区域范围内是否存在特定气体和/或能连续测量气体成分浓度的传感器。在煤矿、石油、化工、市政、医疗、交通运输、家庭等安全防护方面,气体传感器常用于探测可燃、易燃、有毒气体的浓度或其存在与否,或氧气的消耗量等。

在电力工业等生产制造领域,也常用气体传感器定量测量烟气中各组分的浓度, 以判断燃烧情况和有害气体的排放量等。在大气环境监测领域,采用气体传感器判定环境污染状况,更是十分普遍。

 

二、气体传感器的相关历史

20世纪初第一只半导体传感器诞生于英国,并一直在欧洲发展和应用,直到20世纪50年代半导体传感技术才流传到日本,费加罗技研的创始人田口尚义在1968年5月率先发明了半导体式气体传感器

它可以用简单的回路检测出低浓度的可燃性气体和还原性气体,同时将这个半导体式气体传感器命名为TGS(Taguchi Gas Sensor)内置在气体泄漏报警器中,日本和海外的许多家庭和工厂都设置了这些报警器,用于检测液化气等气体的泄漏,进而把这项技术推进到了顶峰。

而欧洲人在发现了半导体传感器的种种不足后开始研究催化传感器和电化学传感器。气体传感器的理论直到70年代才传入到我们国家,80年代我国才开始研制气体传感器,整个生产技术主要继承于德国。

 

三、气体传感器的信号调理要求

1、半导体式气体传感器:

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、电化学式气体传感器:

电化学式气体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。

该类气体传感器需要使用 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、催化燃烧式气体传感器:

催化燃烧式气体传感器如图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、红外式气体传感器:

热释电是红外气体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光离子化式气体传感器:

PID光电离式气体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

 

四、综合简述

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。随着科技的不断进步,气体传感器对于精密信号处理,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,都可以带来出色的性能,毫无疑问,这一应用将在很大程度上满足不同的需求。

 

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