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红外吸收型二氧化碳气体传感器是基于什么原理

发布日期:2020-11-15 08:06

  碳是一种无色无味的气体,它是大气重要组成成分之一。二氧化碳作为光合作用的主要反应物,其浓度大小直接关系到农作物的光合效率,决定着农作物的生长发育,成熟期,抗逆性,质量,产量等。但其含量过高除了会产生温室效应等多种影响,还会危害人类的健康。当浓度达到0.3%时人们会出现明显的头痛,达到4%-5%时会感到眩晕。室内环境尤其是在房间,环境相对密封,如果长时间不通风换气,二氧化碳浓度会逐渐升高,对人体健康不利,根据2003年实施的室内空气质量标准,日平均二氧化碳含量体积分数标准值不超过0.1%。

  随着科学技术的不断发展和人民生活水平的日益提高以及人们对环境保护的日益重视,在空调、农业、医疗、汽车及环保等方面,对二氧化碳气体进行定量监测与控制已经成为日益增长的需求。

  二氧化碳传感器在工业、农业、国防、医疗卫生、环境保护、航空航天等许多领域都具有广泛的应用。

  任何物质都有其特征明线光谱,相应的也会有吸收光谱,二氧化碳气体分子亦然。陶瓷材料的晶格的振动和对电子运动产生阻碍作用,温度升高,晶格振动加强、振幅加大,阻碍电子作用增强。根据气体选择性吸收理论可知,当光源的发射波长与气体的吸收波长相吻合时,就会发生共振吸收,其吸收强度与该气体的浓度有关,通过测量光的吸收强度就可测量气体的浓度。

  目前二氧化碳传感器的种类很多,就其原理来分有热导式、密度计式、辐射吸收式、电导式、化学吸收式、电化学式、色谱式、质谱式、式等。

  红外吸收型二氧化碳气体传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异的原理制成的。二氧化碳传感元件通过驱动电路控制内部红外灯发出固定波段的红外光,经待测气体的吸收,红外光幅值发生变化,再通过检测变化量计算待测气体的浓度,即传感元件输出的信号分别经过滤波、放大处理和ADC采集转换、输入到微处理器,微处理器系统根据采集到的温度、压力进行相应的温度、压力补偿处理,最终计算出待测的二氧化碳浓度值输出到显示设备。主要有可调谐吸收光谱、光声光谱技术、腔增强光谱技术和非分光红外光谱技术等。红外吸收型传感器优点很多,灵敏度高、分析速度快、稳定性好等。

  电化学二氧化碳气体传感器是将二氧化碳的浓度(或分压)通过电化学反反应转变成电信号的一类化学传感器。按照检测电信号来分,电化学型分为电位型、电流型和电容型。按照电解质的形态,有液体电解质和固体电解质之分。自20世纪70年代至今,固体电解质二氧化碳传感器一直深受广大科研工作者的关注。固体电解质二氧化碳传感器的原理是气敏材料在通过气体时产生离子,从而形成电动势,测量电动势从而测量气体体积分数。

  利用二氧化碳与其他气体热传导率的不同制作热导式二氧化碳气体传感器也是最早用来检测二氧化碳的一种传感器。但其灵敏度低。

  声表面波气敏传感器在压电晶体涂覆一层有选择吸附某气体的气敏薄膜,当该气敏薄膜与待测气体相互作用,使得气敏薄膜的膜层质量、粘弹性和电导率等特性发生变化,引起压电晶体的声表面波频率发生漂移,从而检测出气体的浓度。声表面波气体传感器属于质量敏感型传感器的一种,另外石英晶体微量天平气体传感器与声表面波传感器工作原理类似,也属于质量敏感型传感器。质量敏感型传感器本身对气体或蒸气不具有选择性,其作为化学传感器的选择性仅仅依赖于表面涂层物质的性质。

  半导体式二氧化碳气体传感器利用半导体气敏元件作为敏感元件的气体传感器,金属氧化物半导体二氧化碳气体传感器特点有响应快、耐环境能力强、结构稳定。

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