基于熱導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式氣體傳感器的全新用法，即使用熱導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優勢，克服了傳統的檢測氣體濃度的缺陷。

關鍵詞：熱導式氣體傳感器;氣體濃度;檢測方式

熱導式氣體傳感器具有壽命長、檢測范圍大、穩定性良好、成本低廉等非常多的技術優勢。倘若將其應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度，對于相關行業的工作必然非常有幫助。

一、傳統氣體濃度檢測

（一）檢測方式

傳統的氣體濃度檢測方式主要是利用氣體導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行加熱，由于不同的氣體導熱性不同，因此氣體對電阻熱量的傳導特性也會有區別。當氣體將熱敏電阻上的熱量傳導出去時，熱敏電阻會降溫，此時電阻的阻值會發生變化，而通過對電阻變化的特征可以推算出氣體的導熱程度，進而明確檢測室中的氣體濃度。

（二）檢測缺陷

傳統的檢測方式存在很多缺陷，例如存在靈敏度低、誤差較大、環境影響較大、交叉敏感現象嚴重的問題。造成這些缺陷的關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系并為嚴謹的線性關系，其中的不可控因素較多，難以對其變化規律進行預測，因此檢測的精確度很低，且難以進行環境補償。

二、采用熱導式氣體傳感器進行氣體濃度檢測的新方法

（一）檢測方案

傳統的氣體濃度檢測的方式存在誤差較大的問題，且由于技術的固有限制無法進行改進。由于傳統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行改進，在檢測氣體濃度時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）實現方式

采用熱導式氣體傳感器進行氣體濃度檢測的關鍵方式在于要保證檢測過程中傳感器溫度始終不變，傳統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，實現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，當溫度升高時減小電流，反之增大電流，采用這種方式即可實現傳感器在檢測時的溫度不發生變化，從而在根本上提升檢測的精度為使用熱導式氣體傳感器進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電路。電路正常工作時，電橋之間電阻的關系為rR1=R2R3，此時倘若氣體導熱系數增加，更多的熱量被轉移，傳感器的溫度便會降低，電阻的阻值也隨之下降，導致電橋失去平衡，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rR1=R2R3的平衡。此時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，當氣體導熱系數下降時亦然。

三、熱導式氣體傳感器恒溫檢測方式的優點

（一）提升檢測精度

氣體的導熱系數受其在環境中的分布影響，而環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，檢測環節中不可控因素大大減少，精度得以提升。

（二）提升檢測可靠性

傳統的檢測方式中，電阻的面積、材質、電流、溫度差變化等都會成為影響熱敏電阻導熱的因素。但這些因素難以控制，因此傳統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，不會出現電阻導熱的現象，因此可靠性相較于傳統檢測方式有顯著提升。

（三）利于環境補償

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進行環境溫度補償，提升系統的檢測性能。

（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

檢測混合氣體的關鍵在于氣體各組分不同導致的氣體分布問題，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、結論

本文中提出了利用熱導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果不受溫度影響，具有較高的精確性。同時，這種方式還具備加快檢測速度和混合氣體檢測的優勢，期待在氣體濃度檢測環節能夠有廣泛應用。

參考文獻：

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