几种气体检测传感器的检测原理 传感器是如何工作的

检测气体的浓度依赖于气体检测变送器，传感器是其核心部分，按照检测原理的不同，主要分为金属氧化物半导体式传感器、催化燃烧式传感器、定电位电解式气体传感器、迦伐尼电池式氧气传感器、红外式传感器、PID光离子化传感器等，以下简单阐述各种传感器的原理及特点。 

金属氧化物半导体式传感器 

金属氧化物半导体式传感器利用被测气体的吸附作用，改变半导体的电导率，通过电流变化的比较，激发报警电路。由于半导体式传感器测量时受环境影响较大，输出线形不稳定。金属氧化物半导体式传感器，因其反应十分灵敏，故目前广泛使用的领域为测量气体的微漏现象。 

催化燃烧式传感器 

催化燃烧式传感器原理是目前广泛使用的检测可燃气体的原理之一，具有输出信号线形好、指数可靠、价格便宜、无与其他非可燃气体的交叉干扰等特点。催化燃烧式传感器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，使之输出稳定的电流信号，再经过后期电路的放大、稳定和处理最终显示可靠的数值。 

定电位电解式气体传感器 

定电位电解式传感器是目前测毒类现场广泛使用的一种技术，在此方面国外技术比较好，因此此类传感器大都依赖进口。定电位电解式气体传感器的结构：在一个塑料制成的筒状池体内，安装工作电极、对电极和参比电极，在电极之间充满电解液，由多孔四氟乙烯做成的隔膜，在顶部封装。前置放大器与传感器电极的连接，在电极之间施加了一定的电位，使传感器处于工作状态。气体与的电解质内的工作电极发生氧化或还原反应，在对电极发生还原或氧化反应，电极的平衡电位发生变化，变化值与气体浓度成正比。 

迦伐尼电池式氧气传感器 

隔膜迦伐尼电池式氧气传感器的结构：在塑料容器的一面装有对氧气透过性良好的、厚10~30μm的聚四氟乙烯透气膜，在其容器内侧紧粘着贵金属（铂、黄金、银等）阴电极，在容器的另一面内侧或容器的空余部分形成阳极（用铅、镉等离子化倾向大的金属）。用氢氧化钾。氧气在通过电解质时在阴阳极发生氧化还原反应，使阳极金属离子化，释放出电子，电流的大小与氧气的多少成正比，由于整个反应中阳极金属有消耗，所以传感器需要定期更换。目前国内技术已日趋成熟，完全可以国产化此类传感器。 

红外式传感器 

红外式传感器利用各种元素对某个特定波长的吸收原理，具有抗中毒性好，反应灵敏，对大多数碳氢化合物都有反应。但结构复杂，成本高。 

PID光离子化气体传感器 

PID由紫外灯光源和离子室等主要部分构成，在离子室有正负电极，形成电场，待测气体在紫外灯的照射下，离子化，生成正负离子，在电极间形成电流，经放大输出信号。PID具有灵敏度高，无中毒问题，安全可靠等优点。 问题提出：

在衡器方案设计时，往往在确定准确度等级等指标后，不知如何选择传感器和称重仪表？有时自认为已正确选择了称重传感器和称重仪表，但是在实际测试中，衡器的计量性能指标还是无法保证，请指教在传感器和仪表的选型中，有何诀窍？

问题解答：

在衡器方案设计时，往往确定衡器准确度等级后，需要掌握以下选择传感器和仪表的选型原则：

1．传感器和仪表的选型中与衡器相关的计量参数

（1）衡器的主要参数：最大秤量、最小秤量、准确度等级、最大检定分度数n、工作温度范围、承载器的静载荷、去皮重量等。

（2）衡器的误差分配系数：p1²+ p2²+ p3²+ p4²+ p5²……≤1

其中：p1、p2、p3、p4、p5…pi——衡器的误差分配因子，0.3≤pi≤0.8。

2．衡器最大秤量修正系数 Q

一般来说，衡器的最大秤量修正系数Q应大于1，主要是针对偏载（载荷的不均匀分布）、承载器的静载荷、初始置零范围及添加皮重可能产生的影响的考虑。

Q = (Max+ DL + ISZR + NUD + T+...) / Max

其中：Max ——衡器的最大秤量；
DL —— 承载器的静载荷，由衡器方案设计时确定；
ISZR ——初始置零范围，一般为20% Max；
NUD ——承载器的载荷不均匀分布值。一般可以按典型结构的衡器进行假设。

·带杠杆及单传感器的衡器，或传感器对称排列的料斗，承载器上没有易造成偏载的装置 NUD = 0 %Max
·其它典型衡器NUD = 20%Max
·对于叉车秤，单轨吊秤及汽车衡NUD = 50％Max
·多秤台衡器，组合数固定 NUD = 50%Max（累计最大秤量）
·多秤台衡器，组合数是可变NUD = 50%Max（单秤台最大秤量）

T —— 衡器方案设计时按添加皮重法设计的重量值。

当然衡器的最大秤量修正系数Q还可以根据不同衡器的实际使用状况，再分别加上冲击系数、超载系数、风压系数等。

3．称重传感器选型

3.1 准确度等级

准确度等级，包括称重传感器（LC）温度范围及湿热稳定和蠕变指标，必须满足衡器的要求。

*) 如果温度范围足够宽，并且湿热的稳定性和蠕变指标只能满足较低准确度等级要求。

3.2 传感器最大允许误差分配系数pLC

如果衡器系统设计时没有规定称重传感器的误差分配系数，那么pLC = 0.7。称重传感器的误差分配系数可以是0.3≤pLC≤0.8。

3.3 工作温度范围

如果衡器系统设计方案中没有规定称重传感器的工作温度范围，那么温度范围下限Tmin = -10℃及温度范围上限Tmax = 40℃。根据衡器系统设计方案，也可以对温度范围做出限定，但工作温度范围不得小于30℃。

3.4 传感器最大秤量

称重传感器的最大秤量Emax应满足下述条件：

Emax≥Q × Max × R / N

其中：Q ——衡器最大秤量修正系数；
Max——衡器的最大秤量；
R —— 衡器载荷传递装置的缩比；
N —— 衡器传感器支撑点的数量。

3.5 传感器最小静载荷

因承载器所产生的最小载荷必须等于或大于称重传感器的最小静载荷Emin (许多称重传感器有Emin = 0)：

Emin≤DL×R / N

其中：Emin—— 传感器的最小静载荷；
DL —— 承载器的静载荷，由衡器方案设计时确定。

3.6 传感器最大分度数nLC

（1）对于每只称重传感器，称重传感器的最大分度数nLC应不小于衡器的检定分度数 n：

nLC≥n

（2）对于多称量范围、多分度值衡器，下述要求适用于任何单独的称量范围或局部称重范围：

nLC≥ni

（3）传感器最小静载荷输出恢复DR

l 对于多称量范围衡器，同一传感器用于多于一个称量范围时，应满足条件：

DR×E / Emax≤ e1 ×R / N

或：DR / Emax ≤ e1 / Max

当DR未知时，应满足条件nLC≥0.4 ×Max r / e1。

·对于多分度值衡器，应满足条件：

DR ×E / Emax≤0.5 ×e1×R / N 即 DR / Emax £ 0.5 ×e1 / Max

其中：E = Max × R / N 是衡器加载至Max时加在单个称重传感器上的部分载荷。

当DR未知时，应满足条件nLC≥Max / e1。

3.7 传感器最小检定分度值

称重传感器最小检定分度值vmin不应大于衡器检定分度值e乘以载荷传递装置的缩比R，再除以称重

传感器数量N的平方根：

vmin ≤ e1 ×R /

对于多称量范围衡器，相同的传感器用于多于一个称量范围时，或多分度值衡器，e用e1代替。

3.8 传感器输入阻抗

传感器的输入电阻RLC 受到称重仪表的限制。RLC / N 必须满足称重仪表输入电阻范围RL min到RL max。

3.9 传感器额定输出

传感器在用Emax加载后，对应输入电压下的输出信号的变化一般采用 mV/V 表示。

为了更方便于计算，OIML R 60 中引入了下面的相对值：

Y = E max / v min
Z = E max / (2·DR)

4．称重仪表的选型

4.1 准确度等级

称重仪表准确度等级，包括温度范围及湿热稳定性指标，必须满足衡器的要求。

*) 如果温度范围足够宽，并且湿热的稳定性指标只能满足较低准确度等级的要求。

4.2 称重仪表的最大允许误差系数

如果衡器系统设计时没有规定称重仪表的最大允许误差系数，那么pind = 0.5。根据衡器系统设计要求，该系数可以为0.3≤pind ≤0.8。

4.3 工作温度范围

如果衡器系统设计时没有规定称重仪表的温度范围，那么温度范围下限值Tmin = -10℃，温度范围上限值Tmax = 40℃。根据衡器系统设计要求，可以对温度范围进行限制, 但工作温度范围不得小于30℃。

4.4 最大检定分度数

对于每台称重仪表，其最大分度数nind应不小于衡器的检定分度数n：

nind ≥ n

对于多称量范围或多分度值衡器，该要求适用于任何单独的称量范围或局部称重范围：

nind ≥ ni

如果可以用于多称量范围或多分度值衡器，这些功能必须包括在受检定的称重仪表中。

4.5 与衡器相关的称重仪表电气参数

Uexc (V) 称重传感器激励电压
Umin (mV) 称重仪表的正常最小输入电压
Δumin (mV) 称重仪表每个检定分度值的最小输入电压
UMRmin (mV) 称重仪表测量范围最低电压
UMRmax (mV) 称重仪表测量范围最高电压
RLmin (W) 连接传感器的最小输出阻抗
RLmax (W) 连接传感器的最大输出阻抗

4.6 称重仪表每个检定分度值的最小输入电压验算

(1) 称重仪表的正常最小输入电压(衡器空载) Umin验算

Umin = C×Uexc×R×DL /(Emax×N )

其中：Uexc—— 传感器的激励电压；
C —— 传感器的额定输出；
R —— 衡器载荷传递装置的缩比；
DL —— 衡器承载器的静载荷，由衡器方案设计时确定；
Emax—— 传感器的最大秤量；
N—— 衡器传感器支撑点的数量。

(2) 称重仪表的每检定分度的最小输入电压Δumin验算

Δumin = C×Uexc×R×e /(Emax×N )

其中：C —— 传感器的额定输出；
Uexc—— 传感器的激励电压；
R —— 衡器载荷传递装置的缩比；
e —— 衡器检定分度值，对于多称量范围或多分度值衡器，e = e1；
Emax—— 传感器的最大秤量；
N—— 衡器传感器支撑点的数量。

5．连接电缆的选型

称重仪表与传感器或传感器接线盒（使用六线制的称重仪表应具有传感器反馈补偿功能）之间的附加电缆必须在称重仪表说明书中进行规定。

较为简单的方法是在称重仪表说明书中规定电缆材料（铜，铝等）的单位横截面(m/mm²)电缆长度的值。否则必须计算电缆长度(m)、截面积(mm2)、导电材料参数和每股芯线最大电阻(W)。

5.1 电缆电阻变化计算

应测量零点与最大载荷之间的量程。首先应计算衡器在最大工作温度范围内所对应的电缆电阻变化：

DRTemp = Rcable ×a × (Tmax – Tmin)

其中：DRTemp—— 最大工作温度范围所对应的电缆电阻变化（单位为Ω）；

Rcable ——单股电缆电阻值，Rcable = (r ×L) / A

其中：ρ ——材料的电阻率（例如铜：ρcopper = 0.0175Ωmm2/m）
L—— 电缆长度（单位为m）
A —— 单股电缆的横截面（单位为mm2）
a —— 电缆材料电阻率的温度系数1/K，例如：铜α=0.0039 1/K
Tmax – Tmin ——最大使用温度范围

5.2 电缆温度影响引起的称量变化

为了确定温度对电缆影响引起的称量变化限值，应考虑对称重仪表温度试验的结果。温度引起的最大称量误差不应大于衡器最大允许误差绝对值乘以pi的三分之一。

Dspan(DT) ≤ pi × mpe - Emax(DT)

其中：Dspan(DT) —— 温度变化对电缆影响引起的称量变化值。Dspan(DT) 必须满足以下条件：

Dspan(DT) ≤ 1/3 (pi ×| mpe|)

如果称重仪表不能满足这些条件，电缆最大电阻即电缆最大长度必须减少，或者必须选择大的横截面电缆。应对称重仪表与称重传感器或称重传感器接线盒之间的附加电缆（只适用于使用六线制系统的称重仪表，例如反馈补偿系统）做下列规定：

材料（铜、铝等）、长度（m）、截面积（mm2）、或材料（铜、铝等）固定后规定的电缆长度(m/mm2)、或每路电缆的最大电阻。

6．称重仪表、称重传感器兼容性设计选型实例——汽车衡

（4）兼容性检查（实例）

1) 称重传感器(LC)、称重仪表(IND) 与衡器(WI)的准确度等级

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