一氧化碳传感器原理
科技名词定义
中文名称：
英文名称：
carbon monoxide transducer
定义：
将空气中的一氧化碳浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。
所属学科：
煤炭科技（一级学科） ；矿山电气工程（二级学科） ；煤矿监测与控制（三级学科）
一、化学传感器
一氧化碳传感器属于化学传感器。化学传感器主要由两部分组成：识别系统；传导或转换系统。
识别系统把待测物的某一化学参数（在这里是气体浓度）与传导系统连结起来。它主要具有两种功能：选择性地与待测物发生作用，把所测得的化学参数转化成传导系统可以产生响应的信号。
分子识别系统是决定整个化学传感器的关键因素。因此，化学传感器研究的主要问题就是分子识别系统的选择以及如何把分子识别系统与合适的传导系统相连接。
化学传感器的传导系统接受识别系统响应信号，并通过电极、光纤或质量敏感元件将响应信号以电压、电流或光强度等的变化形式，传送到电子系统（即调理电路）进行放大或进行转换输出，使识别系统的响应信号转变为人们所能用作分析的信号，检测出样品中待测物的量。
化学一氧化碳气体传感器采用密闭结构设计，其结构是由电极、过滤器、透气膜、电解液、电极引出线（管脚）、壳体等部分组成。 化学传感器
分子识
别系统传导系统调理电路
数字量
监测器
二、电化学一氧化碳传感器
一氧化碳电化学气体传感器可与报警器配套使用，是报警器中的核心检测元件，它是以定电位电解为基本原理。当一氧化碳扩散到气体传感器时，其输出端产生电流输出，提供给报警器中
的采样电路，起着将化学能转化为电能的作用。当气体浓度发生变化时，气体传感器的输出电流也随之成正比变化，经报警器的中间电路转换放大输出，以驱动不同的执行装置，完成声、光和电等检测与报警功能，与相应的控制装置一同构成了环境检测或监测报警系统。
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三、一氧化碳电化学传感器基本工作原理
当一氧化碳气体通过传感器外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极表面上时，在工作电极的催化作用下，一氧化碳气体在工作电极上发生氧化。其化学反应式为：co+H2O→co2+2H++2e-。在工作电极上发生氧化反应产生的H+离子和电子，通过电解液转移到与工作电极保持一定间隔的对电极上，与水中的氧发生还原反应。其化学反应式为：O2+4H++4e-→2H2O 。因此，传感器内部就发生了氧化-还原的可逆反应。其化学反应式为：2CO+2O2 →2CO2。这个氧化-还原的可逆反应在工作电极与对电极之间始终发生着，并在电极间产生电位差。 但是由于在两个电极上发生的反应都会使电极极化（见后解）这使得极间电位难以维持恒定，因而也限制了对一氧化碳浓度可检测的范围。
为了维持极间电位的恒定，我们加入了一个参比电极。在三电极电化学气体传感器中，其输出端所反应出的是参比电极和工作电极之间的电位变化,由于参比电极不参与氧化或还原反应，因此它可以使极间的电位维持恒定（即恒电位），此时电位的变化就同一氧化碳浓度的变化直接有关。当气体传感器产生输出电流时，其大小与气体的浓度成正比。通过电极引出线用外部电路测量传感器输出电流的大小，便可检测出一氧化碳的浓度，并且有很宽的线性测量范围。这样，在气体传感器上外接信号采集电路和相应的转换和输出电路，就能够对一氧化碳气体实现检测和监控。
四、一氧化碳传感器的应用
一氧化碳传感器广泛使用在矿山，汽车，家庭等空气质量安全检测的地方。
电极的极化
[电极极化] electrode polarization；
电子导体与电解质溶液接触时，会形成电偶层，产生电位跳跃，这个电位跳跃便称为电子导体与溶液接触时的电极电位。当有外电场作用时，相对平衡的电极电位数值将发生变化。通常把在—定电流密度作用下的电极电位与相对平衡的电极电位的差值，称为电极极化。常见的有电化学极化、浓差极化等。由电极极化作用引起的电动势叫做超电压。
电极上有（净）电流流过时，电极电势偏离其平衡值，此现象称作极化。根据电流的方向又可分为阳极化和阴极化。极化是指腐蚀电池作用一经开始，其电子流动的速度大于电极反应的速度。在阳极，电子流走了，离子化反应赶不上补充；在阴极，电子流入快，取走电子的阴极反应赶不上，这样阳极电位向正移，阴极电位向负移，从而缩小电位差，减缓了腐蚀。在通常情况下，可以使用一些缓蚀剂、添加到水溶液中促使极化的产生。这类添加的物质，能促使阳极极化的叫阳极性缓蚀剂。能促使阴极极化的叫阴极性缓蚀剂。电流通过电极时，电极电势偏离平衡电极电势的现象称为电极的极化。极化导致电池在接入电路以后正负极间电压的降低，也导致电镀和电解槽在开始工作以后所需电压的升高。这二者都是不利的，所以我们要尽量减小极化现象。阳极上析出电位（正值）要比理论析出电位更正；阴极上的析出电位要比理论析出电位更负，我们把实际电位偏离理论值的现象称为极化，把实际析出电位与理论析出电位间的差值称为超电位或过电位。
电极的去极化
凡是能减弱活消除极化过程的作用称为去极化作用。在溶液增加去极剂的浓度、升温、搅拌以及其它降低活化超电压的措施都将促进阴极去极化作用的增强；阳极去极化作用是指减少或消除阳极极化的作用，例如搅拌、升温等均会加快金属阳离子进入溶液的速度，从而减弱阳极极化。溶液中加入络合剂或沉淀剂，它们会与金属离子形成难溶解的络合物或沉淀物，不仅可以使金属表面附近溶液中金属离子浓度降低，并能一定程度地减弱阳极电化学极化。如果溶液中加入某些活性阴离子，就有可能使已经钝化了的金属重新处于活化状态。显然，从控制腐蚀的角度，总是希望如何增强极化作用用以降低腐蚀速度。但是对于电解过程，腐蚀加工，为了减少能耗却常常力图强化去极化作用。用作牺牲阳极保护的材料也是要求极化性能越小越好。
电阻式金属氧化物半导体传感器原理
半导体电阻式气体传感器依靠某些金属-氧化物半导体的表面电导率或体电导率随周围大气中氧气浓度而变的原理进行工作。1962年，塔古奇创办了Figaro Engineering公司，该公司在1968年便开始销售首批金属-氧化物半导体传感器-TGS（Taguchi传感器气体）。
半导体氧化物的晶体具有一些缺陷，通常为氧离子空位。在高于700℃左右的温度下，从大气中吸附和吸收的O2分子离解，通过从金属氧化物中夺取电子而形成O-，因而降低了电导率。氧化物的电导率与氧气分压强之间的关系具有下列形式：
TGS系列气体传感器的敏感材料是活性很高的金属氧化物半导体，常用的如Sn02。金属氧化物半导体在空气中被加热到一定温度时，氧原子被吸附在带负电荷的半导体表面，半导体表面的电子会被转移到吸附氧上，氧原子就变成了氧负离子，同时在半导体表面形成一个正的空间电荷层，导致表面势垒(势垒（Potential Engergy Barrier）就是势能比附近的势能都高的空间区域，基本上就是极值点附近的一小片区域)升高，从而阻碍电子流动 。
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在敏感材料内部，自由电子必须穿过金属氧化物半导体微品粒的结合部位(晶界)才能形成流由氧吸附产生的势垒同样存在于晶界而阻碍电子的自由流动，传感器的电阻即缘于这种势垒。在上作条件下当传感器遇到还原性气体时，氧负离子因与还原性气体发生氧化还原反应而导致其表面浓度降低，势垒随之降低(图2和图3)。导致传感器的阻值减小。
在给定的上作条件下和适当的气体浓度范围内，传感器的电阻值和还原性气体浓度之间的关系可近似由下面方程表示:
Rs=A[C] -α
其中:Rs:传感器电阻
A:常数
C:气体浓度
a : Rs曲线的斜率
如何选择气体传感器
1．根据测量对象与测量环境
根据测量对象与测量环境确定传感器的类型。 要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。
2．灵敏度的选择
通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的于扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。
3．响应特性 （反应时间）
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点 (稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。
4．线性范围
传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。
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