气体检测传感器简介及其信号调理器件的选择 传感器是如何工作的

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
传感器是气体检测设备的核心元件，按照其检测原理可分为：金属氧化物半导体式传感器、电化学式传感器、催化燃烧式传感器、红外式传感器、PID光离子化传感器等。
1 金属氧化物半导体式传感器
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
电化学气体传感器是一种微燃料电池元件，利用气体在电化学氧化/还原反应原理，气体在工作电极发生化学反应，在化学试剂、电极间产生电流，电流随着气体浓度变化而变化，通过检测电流的大小得到气体浓度的值。这种类型传感器包括原电池型、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特点是气体的高灵敏度、选择性好，长期稳定性好，相应时间慢，但寿命短，此类传感器可以检测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
催化燃烧式气体传感器是是气敏材料在通电状态下，可燃气体在催化剂作用下燃烧，由于燃烧使气敏材料温度升高从而电阻发生变化。一般是在铂电阻的表面制备耐高温的催化剂层，在一定的温度下，可燃性气体在其表面催化燃烧，铂电阻温度升高，电阻变化，变化值是可燃性气体浓度的函数。此类型气体传感器的主要特点是精度高，相应快，寿命长，在可燃性气体范围内，选择性差，且容易发生"传感器中毒"（有机物蒸汽会使传感器失效），有引爆气体的危险。
4 红外式传感器
红外式传感器是根据光谱吸收法，气体对某个中红外区的特定波长的吸收原理，检测特征吸收峰位置的吸收强度，确定某气体的浓度及其种类。其特点是，抗中毒性好，灵敏度高，但结构复杂，成本高。对大多数碳氢化合物都有反应，如甲烷，乙炔，氨气，二氧化碳等，可以有效地分辨气体的种类，准确测定气体浓度。
5 PID光离子化气体传感器
PID光离子化传感器由紫外灯光源和离子室等主要部分构成，通过离子室内的正负电极，形成电场，在紫外灯的照射下，离子化待测气体，生成正负离子，在电极间形成电流，经放大输出信号。PID光离子化气体传感器精度高，灵敏度好，响应快，无中毒问题，安全可靠，但成本高，定期维护。主要用于挥发性有机化物测量，如芳香烃类、酮类、醛类等。
二 、信号调理要求
1 半导体式：
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：电化学式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：
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。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。

三、综述
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。ADI公司一直致力于精密信号处理，其比较好的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，带来了出色的性能，很好的满足这一应用的需求。
参考文献：
1 - AD8613/7，ADA4052，AD8420，AD8622，OP2177，AD549，AD7170，AD7792/3，AD7988-1，AD7190/2数据手册。
2 - Luis Orozco - 《Designing a Low-Power Toxic Gas Detector》 Analog Dialog
3 - 潘小青，刘庆成 《气体传感器及其发展》，东华理工学院学报，Vol127，No11 Mar. 2004

本仪器为降水量测量一次仪表，其性能符合国家标准GB/T11832-2002《翻斗式雨量计》要求。

本仪器的核心部件翻斗采用了三维流线型设计，使翻斗翻水更加流畅，且容易清洗。

本仪器为精密型双翻斗式雨量计，使用过程中要定期维护、清洗翻斗和引水漏斗出水口。

本仪器出厂时已将翻斗倾角调整、锁定在倾角位置上，安装仪器时只需按照本说明书要求安装翻斗和调整底座水平即可投入使用，且不可现场再调整翻斗倾角调整螺钉。

安装和调整

3.1  开箱检查    

（1）认真阅读产品使用说明书，对照装箱单清点设备附件是否齐全。

（2）检查仪器外观是否损伤，尤其注意防止碰伤翻斗轴的轴尖及翻斗两端的引水尖，并且不要用手指触摸翻斗的内壁污损翻斗。

3.2     制作安装水泥台   

室外地面或屋顶安装时，应先制作水泥台。水泥台露出地平面高度为22cm，尺寸为：长40cm×宽40cm，其上平面为水平面。地面安装时，承雨口高度距地平面的距离应为70cm。

3.3  安装固定仪器、调整承雨口水平

先在水泥台上打3个直径φ12mm深8～10cm的安装孔，安装孔位于Φ240mm的圆周上呈120^o均分，将膨胀螺栓置于安装孔内，将仪器底座安装在3个膨胀螺栓上，用水平尺检查承雨口水平后，用锁紧螺母锁紧三个支脚，然后取下仪器外筒备用。

3.4  安装传输信号线

将信号传输电缆从机房引出穿过防护管引至水泥台，再穿过底座过线孔与输出端子相连接。

3.5  安装翻斗

   （1）拆下一个翻斗轴尖支承备用    对照附图辨认翻斗轴尖支承，用手轻提一个轴尖支承的手柄旋转90度从支架安装孔中将轴尖支承轻轻拉出备用。

（2）安装翻斗    用一只手拿翻斗，使翻斗置于支架的中心部位，翻斗上2个磁钢面对干簧管，将翻斗轴尖轻轻地插入宝石轴承孔内，用另一只手将已取下的轴尖支承装入支架安装孔内，直至轴尖进入到宝石轴承孔中，再将轴尖支承的手柄向下旋转90度翻斗即告安装完毕。安装好的翻斗应能灵活自如地转动。

注意：进行本项操作时一定要使翻斗轴始终保持在水平状态，以免折弯轴尖！

3.6  安装排水漏斗

对照附图辨认排水漏斗，将两个排水漏斗安装在底座的安装孔中，并稍用力向下压紧。

3.7  调整支架水平、安装外筒

    在3个穹顶螺母N1、N2、N3均保持在未锁紧状态下，分别调整调高螺母M1、M2、M3的高度，使水平泡中的气泡居于中心位置，然后锁紧穹顶螺母N1、N2、N3，再次观测水平泡居中即可。然后安装仪器不锈钢外筒、并锁紧外筒锁紧螺钉，仪器即可投入使用。

3         故障现象及排除

本表列出了仪器可能发生的一般故障现象、原因及故障排除方法。、