基于熱導(dǎo)式氣體傳感器原理的氣體濃度檢測方法探究

何思陽 姜海波 劉昌宏 潘富祥 何光祿

摘?要：本文提出了一種熱導(dǎo)式氣體傳感器的全新用法，即使用熱導(dǎo)式氣體傳感器檢測氣體的濃度。此方式充分利用了氣體傳感器的技術(shù)優(yōu)勢，克服了傳統(tǒng)的檢測氣體濃度的缺陷。

關(guān)鍵詞：熱導(dǎo)式氣體傳感器;氣體濃度;檢測方式

熱導(dǎo)式氣體傳感器具有壽命長、檢測范圍大、穩(wěn)定性良好、成本低廉等非常多的技術(shù)優(yōu)勢。倘若將其應(yīng)用于氣體濃度檢測中，可以有效的提升氣體濃度檢測的效率和精準(zhǔn)度，對于相關(guān)行業(yè)的工作必然非常有幫助。

一、傳統(tǒng)氣體濃度檢測

（一）檢測方式

傳統(tǒng)的氣體濃度檢測方式主要是利用氣體導(dǎo)熱性以及電阻隨溫度大小變化的特征。將待檢測氣體送入檢測室后，通過電流對檢測室中間的熱敏電阻進(jìn)行加熱，由于不同的氣體導(dǎo)熱性不同，因此氣體對電阻熱量的傳導(dǎo)特性也會有區(qū)別。當(dāng)氣體將熱敏電阻上的熱量傳導(dǎo)出去時(shí)，熱敏電阻會降溫，此時(shí)電阻的阻值會發(fā)生變化，而通過對電阻變化的特征可以推算出氣體的導(dǎo)熱程度，進(jìn)而明確檢測室中的氣體濃度。

（二）檢測缺陷

傳統(tǒng)的檢測方式存在很多缺陷，例如存在靈敏度低、誤差較大、環(huán)境影響較大、交叉敏感現(xiàn)象嚴(yán)重的問題。造成這些缺陷的關(guān)鍵音素在于熱敏電阻的溫度會隨著氣體濃度的改變而改變，但溫度與氣體濃度之間的變化關(guān)系并為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木€性關(guān)系，其中的不可控因素較多，難以對其變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測，因此檢測的精確度很低，且難以進(jìn)行環(huán)境補(bǔ)償。

二、采用熱導(dǎo)式氣體傳感器進(jìn)行氣體濃度檢測的新方法

（一）檢測方案

傳統(tǒng)的氣體濃度檢測的方式存在誤差較大的問題，且由于技術(shù)的固有限制無法進(jìn)行改進(jìn)。由于傳統(tǒng)檢測方式的誤差來源是熱敏電阻的溫度，因此我們可以在檢測方式上進(jìn)行改進(jìn)，在檢測氣體濃度時(shí)保證傳感器的溫度不變，這種方式可以避免因溫度變化帶來的檢測誤差。

（二）實(shí)現(xiàn)方式

采用熱導(dǎo)式氣體傳感器進(jìn)行氣體濃度檢測的關(guān)鍵方式在于要保證檢測過程中傳感器溫度始終不變，傳統(tǒng)的檢測方式中對熱敏電阻供電的電流為恒流源，因此熱敏電阻在恒定電流的作用下溫度便會不斷上升。因此，實(shí)現(xiàn)方式就是保證傳感器的電流隨著熱敏電阻溫度的變化而變化，當(dāng)溫度升高時(shí)減小電流，反之增大電流，采用這種方式即可實(shí)現(xiàn)傳感器在檢測時(shí)的溫度不發(fā)生變化，從而在根本上提升檢測的精度為使用熱導(dǎo)式氣體傳感器進(jìn)行氣體濃度檢測的示意圖，其中電阻R1、R2、R3為電橋，電橋與電流源和伺服電路等元件共同組成閉環(huán)電路。電路正常工作時(shí)，電橋之間電阻的關(guān)系為rR1=R2R3，此時(shí)倘若氣體導(dǎo)熱系數(shù)增加，更多的熱量被轉(zhuǎn)移，傳感器的溫度便會降低，電阻的阻值也隨之下降，導(dǎo)致電橋失去平衡，而不平衡的電壓則作為改變電流的信號，經(jīng)過放大器傳送到伺服電路處，伺服電路則會控制可變電流源使電流增大，傳感器的溫度自然也隨電流增加而增加，使電橋重新恢復(fù)rR1=R2R3的平衡。此時(shí)通過檢測電路中的參考電壓u0，即可通過電壓值推算出氣體的濃度，當(dāng)氣體導(dǎo)熱系數(shù)下降時(shí)亦然。

三、熱導(dǎo)式氣體傳感器恒溫檢測方式的優(yōu)點(diǎn)

（一）提升檢測精度

氣體的導(dǎo)熱系數(shù)受其在環(huán)境中的分布影響，而環(huán)境中的溫度有會影響氣體的分布。恒溫檢測方式中氣體的分布不再受溫度變化而變化，僅由濃度決定，檢測環(huán)節(jié)中不可控因素大大減少，精度得以提升。

（二）提升檢測可靠性

傳統(tǒng)的檢測方式中，電阻的面積、材質(zhì)、電流、溫度差變化等都會成為影響熱敏電阻導(dǎo)熱的因素。但這些因素難以控制，因此傳統(tǒng)的檢測方式可靠性較低。而恒溫檢測方式中熱敏電阻的溫度恒定，不會出現(xiàn)電阻導(dǎo)熱的現(xiàn)象，因此可靠性相較于傳統(tǒng)檢測方式有顯著提升。

（三）利于環(huán)境補(bǔ)償

恒溫檢測法中熱敏電阻自身溫度恒定，因此可以以其自身的溫度為參數(shù)進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)償，提升系統(tǒng)的檢測性能。

（四）檢測速度加快

恒溫檢測方式中由于熱敏電阻溫度恒定，因此不存在過渡時(shí)間，這可以加快檢測的速度。

（五）混合氣體檢測

檢測混合氣體的關(guān)鍵在于氣體各組分不同導(dǎo)致的氣體分布問題，而恒溫檢測方式中電阻溫度恒定，可以最大限度的保證氣體不因溫度變化而改變其分布，從而使檢測混合氣體的濃度成為可能。

四、結(jié)論

本文中提出了利用熱導(dǎo)式氣體傳感器的恒溫檢測方式，這種檢測方式可以使檢測結(jié)果不受溫度影響，具有較高的精確性。同時(shí)，這種方式還具備加快檢測速度和混合氣體檢測的優(yōu)勢，期待在氣體濃度檢測環(huán)節(jié)能夠有廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]佚名.一種具有抗震功能的熱傳導(dǎo)式氣體傳感器，CN204855427U[P].2015.

[2]佚名.SnO2納米結(jié)構(gòu)氣體傳感器制備與氣敏特性研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2019，38（03）：27-30+33.