详解：几种常见气体传感器的检测原理

21iC电子网 20220611

  • 电化学式气体传感器
  • 催化燃烧式气体传感器
  • NDIR式气体传感器

一、催化燃烧式气体传感器

催化燃烧式气体传感器由对可燃气体进行反应的检测片（D）和不与可燃气体进行反应的补偿片（C）2个元件构成。如果存在可燃气体的话，只有检测片可以燃烧，因此检测片温度上升使检测片的电阻增加。
相反，因为补偿片不燃烧，其电阻不发生变化（图1）。这些元件组成惠斯通电桥回路（图2），不存在可燃气体的氛围中，可以调整可变电阻（VR）让电桥回路处于平衡状态。
然后，当气体传感器暴露于可燃气体中时，只有检测片的电阻上升，因此电桥回路的平衡被打破，这个变化表现为不均衡电压（Vout）而可以被检测出来。此不均衡电压与气体浓度之间存在图3所示的比例关系，因此可以通过测定电压而检出气体浓度。

图1. 测定电路

图2. 惠斯通电桥回路

图3. 气体浓度与不平衡电压的关系


二、NDIR(非色散型红外线)式传感器的工作原理
NDIR(non-dispersive infrared)式气体传感器是通过由入射红外线引发对象气体的分子振动，利用其可吸收特定波长红外线的现象来进行气体检测的。红外线的透射率（透射光强度与源自辐射源的放射光强度之比）取决于对象气体的浓度。
传感器由红外线放射光源、感光素子、光学滤镜以及收纳它们的检测匣体、信号处理电路构成。在单光源双波长型传感器中，在2个感光素子的前部分别设置了具有不同的透过波长范围阈值的光学滤镜，通过比较可吸收检测对象气体波长范围与不可吸收波长范围的透射量，就可以换算为相应的气体浓度。因此，双波长方式可实现长期而又稳定的检测。
检测原理
用中波段红外线照射气体后，由于气体分子的振动数与红外线的能级处于同一个光谱范畴，红外线与分子的固有振动数发生共振后，在分子振动时被气体分子所吸收。
气体浓度与红外线透射率的关系可通过下述朗伯-比尔定律进行说明。对于NDIR式气体传感器来说，对象气体的吸光度ε与光程d是不变的，在与成为对象的气体吸收能（波长）一致的光谱范畴，通过测定红外线的透射率T，即可得到对象气体的浓度c。

来自放射源的入射光强度I0，是通过使用不吸收红外线的零点气体校准后设定的。吸光度ε是利用已知浓度的对象气体进行校准后进行初始设定的。
优点
因为红外线是根据目标气体固有的红外能量（波长）被吸收的，所以气体选择性非常高成为其最大的特长。即使在高浓度的对象气体中长时间进行暴露，也从原理上避免了灵敏度的不可逆变化。
三、电化学式气体传感器
传感器由来自贵金属催化剂的检测极、对极与离子传导体构成。当CO等检测对象气体存在时，在检测极催化剂上与空气中的水蒸气发生（1）式所示的反应。

CO + H2O → CO2＋ 2H+ + 2e- …（1）
检测极与对极接通电流（短路）后，检测极产生的质子(H+)与同时产生的电子（e-）分别通过离子传导体与外部电线（引线）各自到达对极，在对极上与空气中的氧之间发生（2）式所示的反应。
（1/2）O2 + 2H+ + 2e- → H2O …（2）
也就是说此传感器构成了由（1）（2）反应式形成的（3）反应式的全电池反应，可以认为是将气体作为活性物质的电池。
CO + （1/2）O2 → CO2 …（3）
当做气体传感器使用时，接通检测极与对极的电流，来测定其短路电流。
CO浓度检测原理公式
对流过外部电路的短路电流与气体浓度的关系，通过传感器进行适当的扩散控制（控制气体的流入量），呈现出式子（4）这样的比例关系（右图）。
I = F × (A/σ) × D × C × n …（4）
这里 I：短路电流；A：扩散孔面积；σ：扩散层长度；D：气体扩散系数；C：气体浓度；ｎ：反应的电子数量
优点
反应式（1）所示的氧化电位由于比氧化电极电位的基准值（2H+ + 2e- ⇔ H2)要低（拥有较低电位），因此此反应不需要消耗来自外部的电压、温度等其他能量，可以有选择地进行，与别的检测方式相比在干扰性、重复性、节电方面要优越得多。
四、半导体式气体传感器

STEP1

在洁净的空气中，氧化锡表面吸附的氧会束缚氧化锡中的电子，造成电子难以流动的状态。

STEP2

在泄漏的气体（还原性气体）环境中，表面的氧与还原气体反应后消失，氧化锡中的电子重获自由，受此影响，电子流动通畅。
检测原理
当氧化锡粒子在数百度的温度下暴露在氧气中时，氧气捕捉粒子中的电子后，吸附于粒子表面。结果，在氧化锡粒子中形成电子耗尽层。由于气体传感器使用的氧化锡粒子一般都很小，因此在空气中整个粒子都将进入电子耗尽层的状态。这种状态称为容衰竭（volume depletion）。相反，把粒子中心部位未能达到耗尽层的状态称为域衰竭（regional depletion）。
使氧气分压从零（flat band开始按照小（[O-](Ⅰ)）→中（[O-](Ⅱ)）→大（[O-](Ⅲ)））的顺序上升时，能带结构与电子传导分布的变化如下图所示（[O-]：吸附的氧气浓度）。在容衰竭（volume depletion）状态下，电子耗尽层的厚度变化结束，产生费米能级转换pkT，电子耗尽状态往前推进则pkT增大，后退则pkT缩小。

■ 随着吸附的氧气浓度增加半导体粒子的耗尽状态在推进

容衰竭（volume depletion）状态下球状氧化锡粒子表面的电子浓度[e]S可用施子密度Nd、粒子半径a以及德拜长度LD通过式子（1）表示。如果p增大则[e]S减少，p减少则[e]S增大。
[e]S=Nd exp{-(1/6)(a/LD)2-p} ... (1)
由大小、施子密度相同的球状氧化锡粒子组成的传感器的电阻值R，可使用flat band时的电阻值R0，通过式子（2）表示。[e]S减少则将增大，[e]S增大则将缩小。
R/R0= Nd/[e]S ... (2)
使用了氧化锡的半导体式气体传感器，就是这样通过氧化锡粒子表面的[O-]的变化来体现电阻值R的变化。
置于空气中被加热到数百度的氧化锡粒子，一旦暴露于一氧化碳这样的还原性气体中，其表面吸附的氧气与气体之间发生反应后，使[O-]减少，结果是[e]S增大，R缩小。消除还原性气体后，[O-]增大到暴露于气体前的浓度，R也将恢复到暴露于气体前的大小。使用氧化锡的半导体式气体传感器就是利用这个性能对气体进行检测。


作者：盲僧

来源：南山扫地僧

版权归原作者所有，如有侵权，请联系删除。


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