所謂氣體傳感器，是指用于探測(cè)在一定區(qū)域范圍內(nèi)是否存在特定氣體或能連續(xù)測(cè)量氣體成分濃度的傳感器。在煤礦、石油、化工、市政、醫(yī)療、交通運(yùn)輸、家庭等安全防護(hù)方面，氣體傳感器常用于探測(cè)可燃、易燃、有毒氣體的濃度或其存在與否，或氧氣的消耗量等。
氣體傳感器的信號(hào)調(diào)理要求
1、催化燃燒式氣體傳感器：
催化燃燒式氣體傳感器如圖5所示。包括探測(cè)器端和補(bǔ)償端。通過(guò)配置外圍的 R1/R2/VR，使電橋平衡。采用惠斯通電橋原理，感應(yīng)電阻與環(huán)境中的可燃?xì)怏w發(fā)生無(wú)焰燃燒，使溫度使感應(yīng)電阻的阻值發(fā)生變化，打破電橋平衡，使之輸出穩(wěn)定的電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)放大電路、穩(wěn)定和處理得到測(cè)量數(shù)。在此種應(yīng)用中，需要放大器有較高的共模抑制比，低失調(diào)電壓，可選用儀表放大器實(shí)現(xiàn)。
AD8420 是低功耗 90μA，寬電壓供電范圍 2.7V～36V，高共模抑制（》100dB）的軌到軌輸出的儀表放大器。
2、半導(dǎo)體式氣體傳感器：
此類通常傳感器含有 4/6 個(gè)引腳，如圖 1 所示：H/h 為加熱級(jí)，A/a 與 B/b 是敏感電阻的兩極，器中 A/a 內(nèi)部短路，B/b 內(nèi)部短路。VH 是加熱電壓，Vc 是激勵(lì)電壓，RL 為端接負(fù)載電阻。通過(guò)兩端的電壓 VRL 可得到傳感器的阻值，即可得到氣體的濃度（根據(jù)傳感器廠家提供的特征曲線計(jì)算）。
在測(cè)量 VRL 時(shí)，對(duì)后端的放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的要求一般不高，一般選取高輸入阻抗，帶寬小于 1Mhz 的低成本的放大器。ADC：低成本，一般采用單片機(jī)（MCU）集成的 ADC 分辨率》=8 bits， 采樣率 《 1Kbps，或直接采用比較器，作為報(bào)警功能使用。門限值的調(diào)整與負(fù)載電阻 RL 相關(guān)。
AD8613 是低成本，低功耗的放大器，帶寬 400Khz，失調(diào)電壓 2.2mV，可作為緩沖 / 放大電路使用。
AD7170 是低功耗，分辨率 12bit，數(shù)據(jù)吞吐率為 125hz S/D 型 ADC，適合低功耗，一般精度要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
3、紅外式氣體傳感器：
熱釋電是紅外氣體傳感器中重要的一種，其傳感器及其典型接口電路如圖 7 和圖 8 所示，框中部分是傳感器，內(nèi)部集成有 JFET 和 CMOS 運(yùn)放兩種形式。對(duì)外部均需要精密運(yùn)算放大器對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。溫度的變化對(duì)于此類傳感器影響較大，一般有溫度校正的環(huán)節(jié)。
4、電化學(xué)式氣體傳感器：
電化學(xué)式氣體傳感器通常是電流方式輸出，信號(hào)的靈敏度從幾十 nA/ppm 到幾百 nA/ppm，其數(shù)值根據(jù)氣體的種類不同而不同。另外，不同廠家的傳感器也略有差異。此類傳感器一般 3 個(gè)引腳，分別是工作電極（WE）/ 參考電極（RE）/ 對(duì)電極（CE）。 工作電極與對(duì)電極之間流動(dòng)的電流與氣體濃度成比例。參考電極沒(méi)有電極流動(dòng)，只是提供一個(gè)參考電壓。對(duì)于不同氣體傳感器，參考電壓會(huì)有所不同，設(shè)計(jì)后端電路時(shí)要仔細(xì)閱讀產(chǎn)品手冊(cè)。
該類氣體傳感器需要使用 TIA（Trans Impedance Amplifier）將電流信號(hào)轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)，再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于信號(hào)的輸出電流較小，需要選用 Ib（偏置電流《10pA）較小的精密運(yùn)算放大器。
ADA4505-1/2/4 是超低功耗，軌到軌，零交越失真輸入輸出放大器。Ib 為 0.5pA，供電范圍 1.8～5V，每個(gè)放大器的功耗為 10μA，非常適合此應(yīng)用。
AD7988-1 是 16bit 分辨率，100Kbps 采樣率的 SAR 型超低功耗 ADC。功耗在 100Kbps 采樣率時(shí)僅 0.7mW。
AD7792/3 是 16/24bit 分辨率，低功耗的 S/D 型 ADC。內(nèi)部集成儀表放大器及其參考源，適于低頻高精度的采樣系統(tǒng)。
5、PID光離子化式氣體傳感器：
PID光電離式氣體傳感器的電路部分不僅包括信號(hào)的檢測(cè)電路，還包括紫外光的電源驅(qū)動(dòng)，風(fēng)扇控制電路等控制。嚴(yán)格的說(shuō)，它是一個(gè)氣體探測(cè)器，而非傳感器。以下僅討論起信號(hào)的檢測(cè)部分。光離化后，產(chǎn)生的離子流通常在 0.1nA 的等級(jí)，需要微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)。需超低偏流的 TIA 放大器，處理噪聲極為重要，如圖 9 所示。信號(hào)放大之后需要高精度，低噪聲的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC。當(dāng)然，也有一些傳感器將這些都處理好，提供給用戶的直接是 mV 級(jí)靈敏度的電壓信號(hào)。再此基礎(chǔ)上，用戶就可以通過(guò)簡(jiǎn)單的放大電路進(jìn)行處理。
圖9：微弱電流檢測(cè) TIA
AD549L：針對(duì)微弱電流信號(hào)的檢測(cè)，它是提供了目前業(yè)界出色的超低偏流放大器，Ib 僅 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 時(shí)，噪聲水平僅為 8.5nV/sqrt Hz. 廣泛的用于超高精度數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)。
對(duì)于氣體傳感器后端的信號(hào)處理，ADI 提供了非常有競(jìng)爭(zhēng)力的信號(hào)調(diào)理產(chǎn)品，如上所述的運(yùn)算放大器、儀表放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等。表 1 給出了針對(duì)不同類型的氣體傳感器對(duì)信號(hào)調(diào)理器件的主要參數(shù)需求，及其推薦器件。
表 1： 信號(hào)調(diào)理要求 VS 氣體傳感器類型
綜合簡(jiǎn)述
有毒有害等氣體的檢測(cè)，已成為環(huán)境監(jiān)測(cè)與化學(xué)分析應(yīng)用的一個(gè)重要分支，其傳感器的發(fā)展隨著應(yīng)用的需求也在發(fā)生著變化。同時(shí)，對(duì)后端的信號(hào)處理，也提出了挑戰(zhàn)。隨著科技的不斷進(jìn)步，氣體傳感器對(duì)于精密信號(hào)處理，技術(shù)及信號(hào)調(diào)理產(chǎn)品（放大器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等）在氣體測(cè)量的可靠性，精準(zhǔn)性方面，都可以帶來(lái)出色的性能，毫無(wú)疑問(wèn)，這一應(yīng)用將在很大程度上滿足不同的需求。
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