一氧化碳傳感器原理
科技名詞定義
中文名稱：
英文名稱：
carbon monoxide transducer
定義：
將空氣中的一氧化碳濃度變量轉(zhuǎn)換成有一定對應(yīng)關(guān)系的輸出信號的裝置。
所屬學(xué)科：
煤炭科技（一級學(xué)科） ；礦山電氣工程（二級學(xué)科） ；煤礦監(jiān)測與控制（三級學(xué)科）
一、化學(xué)傳感器
一氧化碳傳感器屬于化學(xué)傳感器。化學(xué)傳感器主要由兩部分組成：識別系統(tǒng)；傳導(dǎo)或轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
識別系統(tǒng)把待測物的某一化學(xué)參數(shù)（在這里是氣體濃度）與傳導(dǎo)系統(tǒng)連結(jié)起來。它主要具有兩種功能：選擇性地與待測物發(fā)生作用，把所測得的化學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)化成傳導(dǎo)系統(tǒng)可以產(chǎn)生響應(yīng)的信號。
分子識別系統(tǒng)是決定整個化學(xué)傳感器的關(guān)鍵因素。因此，化學(xué)傳感器研究的主要問題就是分子識別系統(tǒng)的選擇以及如何把分子識別系統(tǒng)與合適的傳導(dǎo)系統(tǒng)相連接。
化學(xué)傳感器的傳導(dǎo)系統(tǒng)接受識別系統(tǒng)響應(yīng)信號，并通過電極、光纖或質(zhì)量敏感元件將響應(yīng)信號以電壓、電流或光強度等的變化形式，傳送到電子系統(tǒng)（即調(diào)理電路）進行放大或進行轉(zhuǎn)換輸出，使識別系統(tǒng)的響應(yīng)信號轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗兯苡米鞣治龅男盘?，檢測出樣品中待測物的量。
化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器采用密閉結(jié)構(gòu)設(shè)計，其結(jié)構(gòu)是由電極、過濾器、透氣膜、電解液、電極引出線（管腳）、殼體等部分組成。 化學(xué)傳感器
分子識
別系統(tǒng)傳導(dǎo)系統(tǒng)調(diào)理電路
數(shù)字量
監(jiān)測器
二、電化學(xué)一氧化碳傳感器
一氧化碳電化學(xué)氣體傳感器可與報警器配套使用，是報警器中的核心檢測元件，它是以定電位電解為基本原理。當(dāng)一氧化碳擴散到氣體傳感器時，其輸出端產(chǎn)生電流輸出，提供給報警器中
的采樣電路，起著將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的作用。當(dāng)氣體濃度發(fā)生變化時，氣體傳感器的輸出電流也隨之成正比變化，經(jīng)報警器的中間電路轉(zhuǎn)換放大輸出，以驅(qū)動不同的執(zhí)行裝置，完成聲、光和電等檢測與報警功能，與相應(yīng)的控制裝置一同構(gòu)成了環(huán)境檢測或監(jiān)測報警系統(tǒng)。
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三、一氧化碳電化學(xué)傳感器基本工作原理
當(dāng)一氧化碳?xì)怏w通過傳感器外殼上的氣孔經(jīng)透氣膜擴散到工作電極表面上時，在工作電極的催化作用下，一氧化碳?xì)怏w在工作電極上發(fā)生氧化。其化學(xué)反應(yīng)式為：co+H2O→co2+2H++2e-。在工作電極上發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生的H+離子和電子，通過電解液轉(zhuǎn)移到與工作電極保持一定間隔的對電極上，與水中的氧發(fā)生還原反應(yīng)。其化學(xué)反應(yīng)式為：O2+4H++4e-→2H2O 。因此，傳感器內(nèi)部就發(fā)生了氧化-還原的可逆反應(yīng)。其化學(xué)反應(yīng)式為：2CO+2O2 →2CO2。這個氧化-還原的可逆反應(yīng)在工作電極與對電極之間始終發(fā)生著，并在電極間產(chǎn)生電位差。 但是由于在兩個電極上發(fā)生的反應(yīng)都會使電極極化（見后解）這使得極間電位難以維持恒定，因而也限制了對一氧化碳濃度可檢測的范圍。
為了維持極間電位的恒定，我們加入了一個參比電極。在三電極電化學(xué)氣體傳感器中，其輸出端所反應(yīng)出的是參比電極和工作電極之間的電位變化,由于參比電極不參與氧化或還原反應(yīng)，因此它可以使極間的電位維持恒定（即恒電位），此時電位的變化就同一氧化碳濃度的變化直接有關(guān)。當(dāng)氣體傳感器產(chǎn)生輸出電流時，其大小與氣體的濃度成正比。通過電極引出線用外部電路測量傳感器輸出電流的大小，便可檢測出一氧化碳的濃度，并且有很寬的線性測量范圍。這樣，在氣體傳感器上外接信號采集電路和相應(yīng)的轉(zhuǎn)換和輸出電路，就能夠?qū)σ谎趸細(xì)怏w實現(xiàn)檢測和監(jiān)控。
四、一氧化碳傳感器的應(yīng)用
一氧化碳傳感器廣泛使用在礦山，汽車，家庭等空氣質(zhì)量安全檢測的地方。
電極的極化
[電極極化] electrode polarization；
電子導(dǎo)體與電解質(zhì)溶液接觸時，會形成電偶層，產(chǎn)生電位跳躍，這個電位跳躍便稱為電子導(dǎo)體與溶液接觸時的電極電位。當(dāng)有外電場作用時，相對平衡的電極電位數(shù)值將發(fā)生變化。通常把在—定電流密度作用下的電極電位與相對平衡的電極電位的差值，稱為電極極化。常見的有電化學(xué)極化、濃差極化等。由電極極化作用引起的電動勢叫做超電壓。
電極上有（凈）電流流過時，電極電勢偏離其平衡值，此現(xiàn)象稱作極化。根據(jù)電流的方向又可分為陽極化和陰極化。極化是指腐蝕電池作用一經(jīng)開始，其電子流動的速度大于電極反應(yīng)的速度。在陽極，電子流走了，離子化反應(yīng)趕不上補充；在陰極，電子流入快，取走電子的陰極反應(yīng)趕不上，這樣陽極電位向正移，陰極電位向負(fù)移，從而縮小電位差，減緩了腐蝕。在通常情況下，可以使用一些緩蝕劑、添加到水溶液中促使極化的產(chǎn)生。這類添加的物質(zhì)，能促使陽極極化的叫陽極性緩蝕劑。能促使陰極極化的叫陰極性緩蝕劑。電流通過電極時，電極電勢偏離平衡電極電勢的現(xiàn)象稱為電極的極化。極化導(dǎo)致電池在接入電路以后正負(fù)極間電壓的降低，也導(dǎo)致電鍍和電解槽在開始工作以后所需電壓的升高。這二者都是不利的，所以我們要盡量減小極化現(xiàn)象。陽極上析出電位（正值）要比理論析出電位更正；陰極上的析出電位要比理論析出電位更負(fù)，我們把實際電位偏離理論值的現(xiàn)象稱為極化，把實際析出電位與理論析出電位間的差值稱為超電位或過電位。
電極的去極化
凡是能減弱活消除極化過程的作用稱為去極化作用。在溶液增加去極劑的濃度、升溫、攪拌以及其它降低活化超電壓的措施都將促進陰極去極化作用的增強；陽極去極化作用是指減少或消除陽極極化的作用，例如攪拌、升溫等均會加快金屬陽離子進入溶液的速度，從而減弱陽極極化。溶液中加入絡(luò)合劑或沉淀劑，它們會與金屬離子形成難溶解的絡(luò)合物或沉淀物，不僅可以使金屬表面附近溶液中金屬離子濃度降低，并能一定程度地減弱陽極電化學(xué)極化。如果溶液中加入某些活性陰離子，就有可能使已經(jīng)鈍化了的金屬重新處于活化狀態(tài)。顯然，從控制腐蝕的角度，總是希望如何增強極化作用用以降低腐蝕速度。但是對于電解過程，腐蝕加工，為了減少能耗卻常常力圖強化去極化作用。用作犧牲陽極保護的材料也是要求極化性能越小越好。
電阻式金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器原理
半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器依靠某些金屬-氧化物半導(dǎo)體的表面電導(dǎo)率或體電導(dǎo)率隨周圍大氣中氧氣濃度而變的原理進行工作。1962年，塔古奇創(chuàng)辦了Figaro Engineering公司，該公司在1968年便開始銷售首批金屬-氧化物半導(dǎo)體傳感器-TGS（Taguchi傳感器氣體）。
半導(dǎo)體氧化物的晶體具有一些缺陷，通常為氧離子空位。在高于700℃左右的溫度下，從大氣中吸附和吸收的O2分子離解，通過從金屬氧化物中奪取電子而形成O-，因而降低了電導(dǎo)率。氧化物的電導(dǎo)率與氧氣分壓強之間的關(guān)系具有下列形式：
TGS系列氣體傳感器的敏感材料是活性很高的金屬氧化物半導(dǎo)體，常用的如Sn02。金屬氧化物半導(dǎo)體在空氣中被加熱到一定溫度時，氧原子被吸附在帶負(fù)電荷的半導(dǎo)體表面，半導(dǎo)體表面的電子會被轉(zhuǎn)移到吸附氧上，氧原子就變成了氧負(fù)離子，同時在半導(dǎo)體表面形成一個正的空間電荷層，導(dǎo)致表面勢壘(勢壘（Potential Engergy Barrier）就是勢能比附近的勢能都高的空間區(qū)域，基本上就是極值點附近的一小片區(qū)域)升高，從而阻礙電子流動 。
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在敏感材料內(nèi)部，自由電子必須穿過金屬氧化物半導(dǎo)體微品粒的結(jié)合部位(晶界)才能形成流由氧吸附產(chǎn)生的勢壘同樣存在于晶界而阻礙電子的自由流動，傳感器的電阻即緣于這種勢壘。在上作條件下當(dāng)傳感器遇到還原性氣體時，氧負(fù)離子因與還原性氣體發(fā)生氧化還原反應(yīng)而導(dǎo)致其表面濃度降低，勢壘隨之降低(圖2和圖3)。導(dǎo)致傳感器的阻值減小。
在給定的上作條件下和適當(dāng)?shù)臍怏w濃度范圍內(nèi)，傳感器的電阻值和還原性氣體濃度之間的關(guān)系可近似由下面方程表示:
Rs=A[C] -α
其中:Rs:傳感器電阻
A:常數(shù)
C:氣體濃度
a : Rs曲線的斜率
如何選擇氣體傳感器
1．根據(jù)測量對象與測量環(huán)境
根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型。 要進行—個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進口，價格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。
2．靈敏度的選擇
通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應(yīng)的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的于擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。
3．響應(yīng)特性 （反應(yīng)時間）
傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應(yīng)總有—定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號的特點 (穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過火的誤差。
4．線性范圍
傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當(dāng)所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。
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