關鍵字：氣體傳感器 信號調理 單片機 MCU

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。

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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。

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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（R E）/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。