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基于气体传感器阵列的挥发性有毒气体检测
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内容提示：本文是用半导体气体传感器阵列测试的方法，对一些易挥发性有毒气体进行&#
检测。由于社会安全的需要，实际生活中需要对易燃易爆物、易制毒化学品等进&#
行检测报警，以保证人民生命财产的安全，尽可能减少损失。我们在实验室做的&#
就是利用气体传感器阵列对挥发性的有毒化学品的测试，为这方面进一步的工作&#
做一些初步的探讨。&#
文章首先简要叙述了检测易挥发性有毒气体的必要性和意义。文章的重点是&#
对传感器阵列检测系统的介绍，包括系统硬件组成和软件流程，分别介绍了静态&#
加热和动态加热两种测试方法的实验过程和实验结果。该测试系统可以实现加热&#
电压高低电平的灵活调整，包括信号的幅值和占空比的自由设定，在不同占空比&#
条件下做了大量实验，观察对比传感器阵列在不同条件下的响应特征，从中选取&#
传感器阵列最优的工作条件。论文中重点提出了样品进样器的改进和设计方法，&#
原来系统是用注射器抽取样品的顶端空气，然后注射到反应气室中，气体是快速&#
扩散到气室中的，然后处于静止状态，这种进样方式适合在实验室进行，为了适&#
应实际应用的需要，设计了一种新的进样装置。该进样装置主要由一个带有加热&#
片的电磁阀及其控制电路组成，文章中对电磁阀的结构与控制电路的工作原理进&#
行了详细的说明，新的进样系统的工作流程大致为：取液体样品滴到滤纸上，然&#
后送到电磁阀中，加热后生成的气体通过进气泵进入反应气室中。&#
利用本测试系统在实验室分别进行了静态测试和动态测试的实验，从实验结&#
果来看，由于静态测试稳定性较好，选择合适的传感器，在合适的工作条件下，&#
传感器阵列静态响应特征信息量比较丰富，加以一些识别算法可以把待测样品区&#
分开，动态响应特征信息量虽然非常多，但动态测试的工作条件控制要比静态严&#
格，稳定性没有静态好，这给识别带来了很大的难度，以后的研究工作需要重点&#
放在系统的稳定性上。&#
关键词：气体传感器，传感器阵列,静态测试,动态测试
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基于气体传感器阵列的挥发性有毒气体检测
官方公共微信服务热线：400-&&新闻资讯常用可燃有毒气体探测器传感器的类型及优缺点——成都鑫豪斯通常气体分为两种，一种是检测有毒，防止人员中毒的，用的是；另一种是检测可燃，防止易燃易爆的，用的是可燃气体探测器。这是两种平时常用的气体报警仪，传感器是其核心部分，按照检测原理的不同，主要分为催化燃烧式传感器、电化学式传感器、半导体式传感器、红外式传感器、PID光离子化传感器，这几类传感器都是不同的，优缺点各有不同。催化燃烧式传感器：催化燃烧式传感器原理是目前最广泛使用的检测可燃气体的原理之一，是安装在可燃气体探测器上的，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。&&电化学式传感器：&& & & &电化学式传感器是以离子导电为基础制成，根据其电特性的形成不同，电化学传感器可分为电位式传感器，电导式传感器，电量式传感器，极谱式传感器和电解式传感器等。电化学式传感器主要用于分析气体，液体或溶于液体的固体成分，液体的酸碱度，电导率及氧化还原电位等参数的测量。& & & &根据传感器对信号的检测转换过程，传感器可划分为直接转换型传感器和间接转换型传感器两大类。前者是把输入给传感器的非电量一次性的变换为电信号输出，如光敏电阻受到光照射时，电阻值会发生变化,直接把光信号转换成电信号输出，后者则要把输入给传感器的非电量先转换成另外一种非电量。&&&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。&&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。&&& & & &根据危害，毒有害气体分为可燃气体和有毒气体两大类，用的传感器绝对不能混合检测，因为它们性质和危害不同，其检测手段也有所不同。催化燃烧式传感器只能安装在可燃气体探测器，电化学式传感器只能安装在有毒气体探测器，绝对不能混用。&更多信息敬请关注鑫豪斯官网：上一篇：下一篇：低功耗有毒气体探测器设计
低功耗有毒气体探测器设计
安全第一！许多工业过程涉及到有毒化合物，例如：制造塑料、农用化学品和医药产品会用到氯气；生产半导体需要使用磷化氢和砷化氢；燃烧消费类包装材料会释放出氰化氢。因此，了解有毒气体浓度是否达到危险程度十分重要。
在美国，(NIOSH)和(ACGIH)已规定了。“阈限值—时间加权平均值”(TLV-TWA)是指大多数工人可以在正常8小时工作日内反复接触而不会受到有害影响的时间加权平均浓度。“阈限值—短时间接触限值”(TLV-STEL)是指大多数工人可以短时间接触而不会受到刺激或伤害的浓度。“立即威胁生命或健康的浓度”(IDLHC)是一种限制性浓度，它会对生命立即或缓慢产生威胁，导致不可逆转的健康损害，或者影响工人独立逃生的能力。表1列出了几种常见气体的限值。
表1. 某些常见工业有毒气体的接触限值
长时间接触限值
短时间接触限值 (TLV-STEL)
立即威胁生命或健康的浓度(IDLHC)
对于检测或测量有毒气体浓度的仪器，电化学传感器能够提供多项优势。大多数传感器都是针对特定气体而设计，可用分辨率小于气体浓度的百万分之一(1 PPM)，所需工作电流极小，非常适合便携式电池供电的仪器。电化学传感器的一个重要特性是响应缓慢：首次上电后，传感器可能需要数分钟时间才能建立至最终输出值；暴露于中间量程的气体浓度时，传感器可能需要25到40秒时间才能达到最终输出值的90%。
本文描述一种使用电化学传感器的便携式一氧化碳(CO)探测器。一氧化碳的IDLH浓度远高于大多数其它有毒气体，处理起来相对更安全。但一氧化碳仍然属于致命性气体，测试本文所述电路时应极其小心并采取适当的通风措施。
图1. CO-AX一氧化碳传感器
图1所示为 公司的。表2是CO-AX传感器技术规格摘要。
表2. CO-AX传感器技术规格
55 nA/ppm至90 nA/ppm（典型值65）
(T90 from 0 ppm to 400 ppm CO)
范围（保证性能）
0 ppm至2,000 ppm
气体过量限值
对于这种应用中的便携式仪表，实现最长的电池寿命是最重要的目标，因此，必须将功耗降到最低，这一点至关重要。在典型的低功耗系统中，测量电路上电后执行一次测量，然后关断进入长时间待机状态。然而，在这种应用中，由于电化学传感器的时间常数很长，测量电路必须始终保持上电状态。幸运的是，因为响应缓慢，所以我们可以使用微功耗放大器、高值电阻和低频滤波器，从而将约翰逊噪声和1/f噪声降至最低。此外，单电源供电可避免双极性电源的功率浪费现象。
图2给出了该便携式气体探测器的电路。双通道微功耗放大器 在配置(U2-A)和跨导配置(U2-B)下使用。该放大器的功耗和输入偏置电流非常低，对于恒电位部分和跨导部分都是很好的选择。每个放大器的功耗仅10 μA，因此电池寿命非常长。
图2. 使用电化学传感器的便携式气体探测器
在三电极电化学传感器中，目标气体扩散到传感器，通过一层薄膜后作用于工作电极(WE)。恒电位电路检测参考电极(RE)的电压，并向辅助电极(CE)提供电流，使RE端与WE端之间的电压保持恒定。RE端没有电流流进或流出，因此流出CE端的电流流进WE端，该电流与目标气体浓度成正比。流过WE端的电流可能是正值，也可能是负值，具体取决于传感器中发生的是还原反应还是氧化反应。对于一氧化碳，发生氧化时，CE端电流为负值（电流流入恒电位运算放大器的输出端）。电阻R4通常非常小，因此WE端的电压约等于VREF.
流入WE端的电流会导致U2-A的输出端产生相对于WE端的负电压。对于一氧化碳传感器，此电压通常为数百毫伏，但对于其它类型的传感器，此电压可能高达1 V。为采用单电源供电，微功耗基准电压源 (U1)将整个电路提升到地以上2.5 V。ADR291的功耗仅12 μA；它还能提供基准电压，以使模数转换器可对此电路的输出进行数字化处理。
跨导放大器的输出电压为：
IWE 为流入WE端的电流。
Rf 为跨导电阻（在图2中显示为U4）。
传感器的最大响应为90 nA/ppm，如表2所示，其最大输入范围为2,000 ppm。因此，最大输出电流为180 μA，最大输出电压由跨导电阻决定，如公式2所示。
针对不同气体或来自不同制造商的传感器具有不同的电流输出范围。如果U4使用可编程变阻器，而不是固定电阻，就可以针对不同的气体传感器采用相同的结构和材料。此外，这样的产品还支持调换传感器，因为微控制器可以针对不同的气体传感器，将AD5271设置为适当的电阻值。AD5271的温度系数为5 ppm/°C，优于大多数分立电阻；其电源电流为1 μA，对系统功耗的影响极小。
采用5 V单电源供电时，根据公式1可知，跨导放大器U2-B的输出范围为2.5 V。如果将AD5271设置为12.5 kΩ，就可以利用传感器最差灵敏度情况下的范围，并能提供大约10%的超量程能力。
使用65 nA/ppm的典型传感器响应，可以通过下式将输出电压转换为一氧化碳的ppm：
采用差分输入ADC时，只需将2.5 V基准电压输出端连接到ADC的AIN-端，从而消除公式3中的2.5 V项。
电阻R4使跨导放大器的噪声增益保持在合理水平。R4的值需权衡两个因素：噪声增益的幅度和暴露于高浓度气体时传感器的建立时间误差。对于本电路，R4 = 33 Ω，由此可计算噪声增益等于380，如公式4所示。
跨导放大器的输入噪声应乘以此增益。ADA.1 Hz至10 Hz输入电压噪声为2.95 μV p-p，因此输出端的噪声为：
该输出噪声相当于1.3 ppm p-p以上的气体浓度，这种低频噪声难以滤除。幸好传感器响应非常慢，因此由R5和C6构成的低通滤波器可以具有0.16 Hz的截止频率。此滤波器的时间常数为1秒，与传感器的30秒响应时间相比可忽略不计。
Q1为P沟道JFET。电路启动时，栅极电压为VCC，晶体管断开。系统关断时，栅极电压降至0 V，JFET开启，使RE端和WE端保持相同的电位。当电路再次启动时，这可以大大改善传感器的开启建立时间。
该电路由两节AAA电池供电。使用二极管提供反向电压保护会浪费宝贵的电能，因此本电路使用P沟道MOSFET (Q2)。该MOSFET通过阻塞反向电压来保护电路，施加正电压时导通。MOSFET的导通电阻小于100 mΩ，因此它引起的压降远小于二极管。除AAA电池以外，降压-升压调节器还允许使用最高5.5 V的外部电源。在省电模式下工作时，ADP2503的功耗仅38 μA。由L2、C12和C13构成的滤波器可消除模拟电源轨产生的任何开关噪声。连接外部电源时，该仪表不是通过一个电路来断开电池，而是利用一个插孔以机械方式断开电池，从而避免电能浪费。
使用AAA电池时，正常情况（未检测到气体）下的总功耗约为100 μA，最差情况（检测到2,000 ppm CO）下的总功耗约为428 μA。如果该仪表与一个微控制器相连，在不进行测量时可进入低功耗待机模式，则电池寿命可达1年以上。
NIOSH化学危害袖珍指南
Alphasense CO-AX数据手册
Luis Orozco []
是ADI公司工业和仪器仪表部系统应用工程师，主要涉足精密仪器仪表、化学分析和环境监测应用。他于2011年2月加入ADI公司。
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基于QH-2气敏传感器的有毒气体检测系统
基​于​Q​H​-气​敏​传​感​器​的​有​毒​气​体​检​测​系​统​,​设​计​出​一​个​可​以​自​动​检​测​出​火​灾​及​有​毒​气​体​泄​露​的​装​置​。
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