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气体传感器研究开发空气质量监测系统创造了有利条件 提供了一条简单而实用的途径

2018年05月15日 10:17 次阅读

气体传感器研究开发空气质量监测系统创造了有利条件 提供了一条简单而实用的途径

0 引言

近年来,空气质量监测越来越受到人们的重视,国内外的众多企业与研究机构在气体传感器研发领域取得了长足进步,目前气体传感器正向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展。日本FIGARO公司开发生产的系列半导体气体传感器代表了目前气体传感器领域最新的水平,为研究开发空气质量监测系统创造了有利条件,提供了一条简单而实用的途径。

1 半导体气敏传感器及其特性

半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时,产生的电导率等物性变化来检测气体。半导体气敏器件被加热到稳定状态下,当气体接触器件表面而被吸附时,吸附分子首先在表面自由地扩散(物理吸附),失去其运动能量,其间的一部分分子蒸发,残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附)。这时,如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力,则吸附分子将从器件夺取电子而变成负离子吸附。具有负离子吸附倾向的气体最典型的是O2,称为氧化型气体或电子接收性气体。如果器件的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放电子,而成为正离子吸附。具有这种正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和酒类等,称为还原型气体或电子供给性气体。

目前可用于检测气体的敏感元件有很多种,如 SnO2,ZnO,Fe2O3和气敏元件等。它们共同的特点是可以检测多种不同的气体,但对气体的选择性较差。这种非单一选择性是由其敏感机理所决定的,虽然可以采用添加适量的贵重金属Pt、Pd等方法改善其选择性,但仍然会对其它气体有一定的敏感度。

2 半导体空气质量传感器TGS2600

2.1 TGS2600 构成和工作原理

空气传感器是半导体气敏传感器中的一种,它构造简单,由传感器基板,气敏元件和传感器盖帽组成。气敏元件由一个以金属铝做衬底的金属氧化物敏感芯片和一个完整的加热器组成。利用加热器加热,以侦测气体附着于金属氧化物表面而产生的电阻值的变化。在检测气体时,传感器的传导率依赖于空气中气体浓度的变化。在目标气体不存在的状态下,大量附着的空气中的O2会捕捉电子,而呈现出高阻状态;相反的,若有目标气体存在,则因为会与氧产生一种燃烧反映,自由电子的量增加,而电阻值则降低。用一个测量电路能将该传导率的变化转化成对应于气体浓度变化的输出信号。

TGS2600是日本FIGARO公司开发生产的一种新型半导体气体传感器,能够灵敏地感知空气中的低浓度污染物的异味,如空气中的低浓度香烟污染物和其它异味,对H2、CO等有较高的敏感度。该传感器能检测到几个ppm级H2含量。TGS2600具有成本低、体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特性,可广泛用于空气质量监测、自动通风换气系统、空气清新机和气流控制设备中。该器件比较适合于在室温下长时间通电连续工作。由于采用小型化芯片,TGS2602传感器的加热器所需电流仅为42mA,并且安置于标准TO-5封装中。

2.2 TGS2600传感器基本测量电路

传感器基本测量电路如图1所示。此传感器要求有两个电压输入:加热器电压VH和电路电压VC。加热器电压VH加于集成加热器上以保持传感器在一个特定的最佳感应温度。电路电压VC被加载以便于测量与气敏元件串联的负载电阻电压Vout。此传感器有极性所以电路电压VC必须是直流。可以用一个公共的电源来同时供给VH和VC以满足传感器的电气需求。合理选择负载电阻RL使报警门限电压最优化,并使半导体传感器功耗小于15mw。当目标气体存在时,传感器功耗在RS与RL相等时最大。

气体传感器研究开发空气质量监测系统创造了有利条件 提供了一条简单而实用的途径
图1 传感器基本测量电路

2.3 TGS2600传感器灵敏度特性

2.3.1 典型灵敏度特性曲线

典型灵敏度特性如图2所示,所有数据都采集于标准测试条件下,Y轴表示传感器灵敏度,即电阻比RS/R0 。其中RS为传感器在不同气体浓度下的阻值;R0 为传感器在清新空气中的阻值。  
                                                                                                                          气体传感器研究开发空气质量监测系统创造了有利条件 提供了一条简单而实用的途径
                                                                                                                                                                                   图2 典型灵敏度特性曲线

2.3.2 TGS2600传感器典型温度、湿度依赖特性曲线

典型的温度、湿度依赖特性如图3所示。同样,Y轴表示传感器灵敏度(电阻比)RS/R0,其中RS为清新空气中的传感器在不同温、湿度条件下的阻值;R0为清新空气中的传感器在20℃及65%相对湿度下的阻值。

气体传感器研究开发空气质量监测系统创造了有利条件 提供了一条简单而实用的途径
图3 典型温度、湿度依赖特性曲线

3、TGS2600传感器的典型应用

3.1 实验电路

分析和处理传感器输出信号通常有两种方案可供选择:一是使用FIGARO公司开发的专用模块—空气质量控制板AM-1,其上载有一款专用的微处理器( FIC93619A),它包含有处理传感器信号的特殊软件,还带有温度和湿度补偿,给空气质量监测提供了一种新的简单的手段;二是选用其它型号的微处理器并通过编程实现信号处理。空气质量控制板AM-1的结构图如图4中虚线框所示。

气体传感器研究开发空气质量监测系统创造了有利条件 提供了一条简单而实用的途径
图4 AM-1的结构框图及实验电路

AM-1就是一个污染监控器,它让用户在最短的时间了解和感受到TGS2600传感器在空气质量监测中的高灵敏度及其优异的表现,它可以对室内空气的异常作出与人的感觉类似的反映,甚至可以比人更灵敏。AM-1能在50m3的室内准确地感知到一只香烟的燃烧所带来的变化。它良好的灵敏度是通过电阻的变化而获得的。AM-1分四个级别来评估室内的污染程度,这可以通过5个不同颜色的发光二极管来指示。传感器信号经微处理器处理后作出判断,将空气质量分成4个级别。如表1所示。同时这几个输出信号可以控制空气清新机的动作,让它停机、弱运行、中运行或强运行,以此来达到调节和清新空气的目的。这一系列的操作和人的想法非常一致。在AM-1上设计有一个敏感度开关,有“H”和“L”可供选择,可按照需求和运用场合而设定。

表1:指示灯与污染级别

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3.2 实验结果

将AM-1固定在一个空间为1 m3的测试箱中,箱中安置有摄像头和排气孔,箱子的四周开有玻璃的观察窗。上电以后,要预热3分钟,这时绿灯闪烁。如果空气质量好,绿灯亮。利用图4的实验电路,将传感器的输出信号送入NR2000采集器,再通过USB接口送入计算机。在箱中分别燃烧纸、布、塑料、尼龙和香烟等材料,测试出的数据表明TGS2600灵敏度高,区分度好,很好的反映出了不同物质燃烧前、燃烧中、燃烧后各个阶段产生烟雾和气味的情况。图5所示为用燃烧棉布(10*10cm)和毛织物(10*10cm)测出的数据所绘制的波形图。

气体传感器研究开发空气质量监测系统创造了有利条件 提供了一条简单而实用的途径
图5 传感器输出电压波形图

4 结论

由以上实验可知, TGS2600空气质量传感器能够很好的感知空气中的污染物的异味,非常灵敏地监测空气质量的变化。与其它空气传感器相比,TGS2600在灵敏度和稳定性方面有很大的优越性,具有成本低、体积小、寿命长、价格低廉、稳定性好等特点。TGS2600为空气质量的监测和通风换气设备等提供了方便可靠的方法。随着经济的发展和人民生活水平的提高,人们对环保问题越来越重视,特别是对室内空气质量的监测也日益关注,所以对空气传感器的开发研究和综合应用是一项当务之急的课题,必将成为今后备受瞩目的应用研究领域。

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