气体检测传感器有哪些类型？特点是什么？

　　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》=8bits，采样率100dB）的轨到轨输出的仪表放大器。
　　
　　图5：催化燃烧式传感器
　　
　　图6：催化燃烧式传感器接口电路
　　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。
　　AD8622/OP2177是双极性精密运算放大器，噪声水平极低，非常适用于精密系统的信号调理。
　　
　　图7：热势电红外传感器（集成JFET）的典型接口电路
　　
　　图8：热势电红外传感器（集成COMS）的典型接口电路
　　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。
　　
　　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
　　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，其领先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。