酒精氣體傳感器，它是交警查酒駕的得力助手，也能在其他一些禁止酒后上崗的場(chǎng)所用于檢測(cè)。伴隨著傳感器科技水平的飛速發(fā)展，乙醇?xì)怏w傳感器的使用越來(lái)越加實(shí)用，并且檢測(cè)效果都比較精準(zhǔn)。那么酒精氣體傳感器原理是什么呢？一起來(lái)看看吧！
酒精氣體傳感器
1.工作原理
酒精氣體傳感器主要由感應(yīng)器、壓力傳感器、電阻、電容等組成，它由兩部分組成，如圖1和圖2所示。它是利用半導(dǎo)體材料具有良好的導(dǎo)電性、吸收特性及電荷散射特性來(lái)檢測(cè)氣體。它是一種高靈敏、可靠性好、靈敏度高的物理特性的檢測(cè)儀器。
它的靈敏度一般為5μ s。與電極之間是耦合并進(jìn)行電隔離的導(dǎo)電薄膜和氣體之間存在電荷。當(dāng)氣體被施加到電極上時(shí)，電極間的電子空穴被吸附而釋放出電子，通過(guò)兩種不同通道的電流相互作用而引起電阻變化，即電勢(shì)和電壓。
當(dāng)電阻減小到某一值時(shí)，溶液中的電荷就會(huì)從電勢(shì)能的大小來(lái)衡量，而液體的電阻則以電阻的形式存在，因此便可以測(cè)量到特定氣體的濃度。由上式可知，氣體分子通過(guò)該電阻時(shí)獲得一個(gè)阻值即為導(dǎo)通并接通電路所需的電流，由此可以得到信號(hào)。
在這一過(guò)程中，酒精分子通過(guò)與電子結(jié)合，使電荷導(dǎo)通和導(dǎo)出，并儲(chǔ)存在半導(dǎo)體材料中，當(dāng)需要測(cè)量時(shí)產(chǎn)生電荷而輸出信號(hào)到一個(gè)比較基準(zhǔn)電壓，經(jīng)放大或采樣后送入差分放大器)進(jìn)行放大。從而得到對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)即測(cè)量值。由于傳感器的電感和電阻的選擇值不正確很容易受到溫度、濕度、壓力、靜電和外界環(huán)境等因素影響而變化。
因此傳感器必須具有良好的特性才能得到準(zhǔn)確有效的測(cè)量。但傳感器一般在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下使用是有一定技術(shù)要求的，需要有專門的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)該性能要求，所以其選用了一些簡(jiǎn)單可靠的電路來(lái)完成對(duì)各種氣體的電阻值和電阻值的測(cè)量、計(jì)算以及輸出功能。其中電阻、電容和電阻耦合元件構(gòu)成了傳感器的電路模塊，可以分為傳感器芯片和傳感元件兩部分組成，傳感器芯片一般用來(lái)采集各種有機(jī)或無(wú)機(jī)氣體分子在一定濃度下的電功率密度為5 W/cm2.OH-(C)=1.5 mA: W. L/(C· cm)(通常小于5μ A);單位: m
酒精氣體傳感器工作原理及電路圖
2.傳感器參數(shù)
目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的此類傳感器一般都采用帶電壓探頭，有內(nèi)置電路以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中氧氣和乙醇的濃度測(cè)試，有內(nèi)置電路以實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳和水濃度的檢測(cè)，有的還帶有電壓轉(zhuǎn)換模塊。這種傳感器主要有以下幾種：
①光電管式：采用單端和雙端雙作用的集成電路作為探測(cè)器。在電極表面鍍上一層金屬膜(稱為鍍膜或鍍層)以提高其耐腐蝕性，使傳感器接觸基板的表面變得光滑，并有一定程度的絕緣性能。
②半導(dǎo)體芯片：傳感器芯片是由半導(dǎo)體材料制成的電路板，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可根據(jù)需要改變或更換，并能提供電壓響應(yīng)(RV)信號(hào)強(qiáng)度。
③玻璃：采用特殊工藝使其成為一種具有較高表面積和透明度的導(dǎo)電材料(玻璃)層材料。玻璃具有更高的導(dǎo)熱性、耐酸堿腐蝕性、抗腐蝕性能更好、且不受氧氣和紫外線的影響等特點(diǎn)，所以這種材料被廣泛應(yīng)用于空氣污染監(jiān)測(cè)中。
隨著電子技術(shù)和光電技術(shù)的發(fā)展，特別是微電子技術(shù)和光電子技術(shù)的發(fā)展，這些高靈敏度材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。酒精氣體傳感器采用這種材料制成的電極與溶液之間具有一定間隔;同時(shí)通過(guò)其內(nèi)部的電效應(yīng)而對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)量；這種傳感器的工作原理與化學(xué)氣體器類似；可通過(guò)測(cè)量大氣中氧氣及乙醇含量來(lái)確定氣體濃度或者傳感器內(nèi)的某一電極是否漏氣來(lái)檢測(cè)氣體濃度;同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度等環(huán)境條件(如有)的控制以及氧氣含量和二氧化碳?xì)怏w濃度檢測(cè)的功能。
3.光電隔離電路
光電隔離電路是采用光探測(cè)原理，用來(lái)檢測(cè)各種氣體的，但不能直接用光來(lái)檢測(cè)氣體。因?yàn)闅怏w與光電二極管的極性相反，而且光電二極管并不工作，因而光電二極管有可能被污染，使光敏元件產(chǎn)生很大的工作電流，不能檢測(cè)到有毒氣體。
為了使酒精傳感器能正常工作，首先要在激勵(lì)電路中加一個(gè) LDO,這是用于隔離整個(gè)系統(tǒng)中不工作的電路，將外部電阻變?yōu)槎O管所帶電阻，并且把整個(gè)系統(tǒng)中最有可能與傳感器發(fā)生短路的部分進(jìn)行隔離，從而達(dá)到防止外界光線影響傳感器輸出端信號(hào)的目的。
LDO上直接接一個(gè)低通電阻 DF,該電阻使不能向傳感器輸入信號(hào)，從而使被測(cè)氣體在一定時(shí)間內(nèi)不能被檢測(cè)到，而且也不能輸出信號(hào)。于是 LDO與脈沖隔離而產(chǎn)生正電壓。因此可以忽略外界電壓變動(dòng)對(duì)傳感器的影響。
該電阻與電源端并聯(lián)耦合產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，經(jīng)放大后送到外部放大電路，使氣體分子產(chǎn)生電荷(LO)引起電子變化(一對(duì)電子)而改變氣體分子的排列模式(由分子產(chǎn)生不同方向的離子化狀態(tài)),其電流和電壓經(jīng)放大后傳入電路以獲得信號(hào)，然后再用來(lái)檢測(cè)氣體濃度或者控制傳感器輸出電壓。用到很多次就能出結(jié)果了。
如圖3所示，酒精傳感器就是利用了這一原理實(shí)現(xiàn)的原理。在該電路中采用了電路和二極管連接，來(lái)降低由于電信號(hào)而引起的電容放電。電路中，有三個(gè)電容為電流路提供調(diào)節(jié)電源，起到調(diào)節(jié)作用，使各點(diǎn)輸出達(dá)到理想狀態(tài);采用多路隔離設(shè)計(jì)得到了提高探測(cè)器工作精度及穩(wěn)定性，使其檢測(cè)到目標(biāo)氣體能夠被檢測(cè)到，因此電路又稱為光電隔離電路;根據(jù)檢測(cè)的氣體濃度大小把檢測(cè)單元分為兩部分：一部分，將該氣體傳感器前的空穴變?yōu)楣怆姼綦x;
廣泛應(yīng)用于科研、數(shù)據(jù)采集、氣體監(jiān)測(cè)、過(guò)程化控制、物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)人機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、網(wǎng)格化大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)儀、微型空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站、有毒氣體檢測(cè)等領(lǐng)域。
