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　　摘要：TGS4160是FIGARO（弗加邏）公司生產(chǎn)的一種固態(tài)電化學(xué)型二氧化碳（CO2）傳感器，該器件除具有體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好等特性外，同時(shí)還具有耐高濕和耐低溫等特點(diǎn)。因而可廣泛用于自動通風(fēng)換氣系統(tǒng)或CO2氣體的長期監(jiān)測等應(yīng)用場合。文中敘述了該傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了一個(gè)用TGS4160設(shè)計(jì)的模塊的基本應(yīng)用電路原理圖。
　　
　　1、概述
　　
　　TGS4160二氧化碳傳感器是FIGARO（弗加羅）公司生產(chǎn)的固態(tài)電化學(xué)型氣體敏感元件。這種二氧化碳傳感器除具有體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)外，同時(shí)還具有耐高濕低溫的特性可廣泛用于自動通風(fēng)換氣系統(tǒng)或是CO2氣體的長期監(jiān)測等應(yīng)用場合。但是，由于TGS4160的預(yù)熱時(shí)間較長（一般為2小時(shí)），所以，該器件比較適合于在室溫下長時(shí)間通電連續(xù)工作。此外，為了方便客戶使用，ＦＩ-ＧAＲＯ公司還專門設(shè)計(jì)了帶溫度補(bǔ)償?shù)膫鞲衅魈幚砟KAM－4。該模塊采用微處理器進(jìn)行控制，CO2氣體濃度的輸出信號電平為0．0～3．0V，相當(dāng)于0～3000PPM的濃度，并有中繼轉(zhuǎn)接控制口，可輸出高、低兩種門限信號以供外接控制使用。TGS4160傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下：
　　
　　●測量范圍：0～5000PPM；
　　
　　●使用壽命：2000天；
　　
　　●加熱器電壓：5．0±0．2VＤＣ；
　　
　　●加熱器電流：250ｍA；
　　
　　●加熱器功耗：1．25Ｗ；
　　
　　●內(nèi)部熱敏電阻（補(bǔ)償用）：100ｋΩ±5％；
　　
　　●使用溫度：－10～＋50℃
　　
　　●使用濕度5～９5％ＲＨ；
　　
　　●產(chǎn)品尺寸：zui大外徑Φ24ｍｍ，高24ｍｍ，引腳長5.８ｍｍ。　　
　　2、內(nèi)部結(jié)構(gòu)
　　
　　TGS4160二氧化碳傳感器是一種內(nèi)含熱敏電阻的混合式CO2敏感元件。該元件在兩個(gè)電極之間充有陽離子固體電解質(zhì)。它的陰極由鋰碳酸鹽和鍍金材料制成，而陽極只是鍍金材料。該敏感元件的基襯是用對苯二酯聚乙烯和玻璃纖維加固，然后采用不銹鋼網(wǎng)做圓柱型封裝。元件的內(nèi)層采用100目雙層不銹鋼網(wǎng)套在鍍鎳銅環(huán)上，并用高強(qiáng)度樹脂粘合劑與基襯固定在一起。其外層頂蓋上又罩上了一層60目的不銹鋼網(wǎng)。為了達(dá)到降低干擾氣體影響的目的，TGS4160在內(nèi)外兩層不銹鋼網(wǎng)之間還填充有吸附材料（沸石）。傳感器的6個(gè)引腳通過0．1ｍｍ的箔導(dǎo)線與內(nèi)部相連。其等效的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1所示。圖中，陽極與傳感器的第3腳Ｓ（＋）相連，陰極與傳感器的第4腳Ｓ（－）相連，Pｔ加熱器與傳感器的第1，6腳相連，內(nèi)部熱敏電阻與傳感器的第2，5腳相連。內(nèi)部熱敏電阻的作用是通過該電阻探測環(huán)境溫度，以便對該傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而使校正后的測量值更加準(zhǔn)確。
　　
　　3、工作原理
　　
　　TGS4160型CO2傳感器是一種電化學(xué)型氣體的敏感元件，當(dāng)該元件暴露在CO2氣體環(huán)境中時(shí)，就會產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。其反應(yīng)式如下：
　　
　　陰極反應(yīng)方程：
　　
　　4Ｌｉ＋＋2CO2＋Ｏ2＋4ｅ－＝2Ｌｉ2ＣＯ3
　　
　　陽極反應(yīng)方程：
　　
　　4ＮA＋＋Ｏ2＋4ｅ－＝2ＮA2Ｏ
　　
　　總的化學(xué)反應(yīng)方程：
　　
　　Ｌｉ2ＣＯ3＋2ＮA＋＝ＮA2Ｏ＋2Ｌｉ＋＋CO2
　　
　　作為電化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，根據(jù)耐斯特方程（Ｎｅｒｎｓｔ），該過程將產(chǎn)生如下電勢（EMF）：
　　
　　EMF＝Ｅｃ－（ＲＦ）／（2Ｆ）ｌｎ（PCO2）
　　
　　式中：PCO2為CO2的分壓；Ｅｃ為常數(shù)；Ｒ是氣體常數(shù)；Ｔ為溫度值（Ｋ）；Ｆ是法拉第常數(shù)。
　　
　　從上式看出，通過監(jiān)測Ｓ（＋）、Ｓ（－）兩個(gè)電極之間所產(chǎn)生的電勢值EMF，就可以測量CO2的濃度值。為了使該傳感器保持在zui敏感的溫度上，一般需要給加熱器提供加熱電壓進(jìn)行加熱，但加熱電壓的變化將直接影響傳感器的穩(wěn)定性，因此加熱電壓必須穩(wěn)定，其范圍應(yīng)在5．0±0．2VＤＣ之內(nèi)。為了保證CO2的準(zhǔn)確測量，除了保證加熱電壓穩(wěn)定及對環(huán)境溫度的變化進(jìn)行溫度補(bǔ)償外，更主要的是要測量兩電極之間變化的電勢值ΔEMF，而不是電勢值EMF，因?yàn)?Delta;EMF與CO2濃度變化之間有一個(gè)較好的線性關(guān)系。雖然EMF值隨環(huán)境溫度的上升而上升，ΔEMF卻保持常量，而且它在－10℃～＋50℃溫度范圍內(nèi)，基本不受溫度的影響。
　　
　　ΔEMF值可由下式求得：
　　
　　ΔEMF＝EMF1－EMF2
　　
　　其中，EMF1為350PPM的CO2中的EMF值；EMF2為所測量的CO2的EMF值。
　　
　　在溫度為20℃±2℃、濕度為65±5％ＲＨ、加熱電壓為5．0±0．05VＤＣ、預(yù)熱時(shí)間為7天或大于7天的條件下，測得傳感器在濃度為350PPM中的EMF值是220～4９0ｍV，而ΔEMF在350～3500PPM的CO2濃度中的值是44～72ｍV，因此在實(shí)際測量應(yīng)用電路中，要根據(jù)傳感器的特點(diǎn)要求，除使用高輸入阻抗（≥100ＧΩ）、低偏置電流（≤1PA）的運(yùn)算放大器外，還要對測得的信號進(jìn)行處理。處理該信號通常有兩種方案可供選擇：一是使用費(fèi)加羅（FIGARO）公司的ＦＩＣ９８646處理器模塊，二是選用其它型號的單片機(jī)并通過自己編程進(jìn)行信號處理。　　
　　4、基本應(yīng)用
　　
　　利用TGS4160傳感器并通過高輸入阻抗、低偏置電流的運(yùn)放進(jìn)行放大，再作一些簡單的運(yùn)算處理，就可以在CO2濃度為300～5000PPM的范圍內(nèi)測得信號，該信號為0～幾百毫伏的電壓信號，可以供高精度A/D采樣使用。如果使用費(fèi)加羅（FIGARO）公司提供的AM－4CO2傳感器模塊，則可直接應(yīng)用于自動通風(fēng)換氣系統(tǒng)或是CO2氣體監(jiān)測。該模塊內(nèi)部帶有A/D轉(zhuǎn)換器，并已對數(shù)據(jù)進(jìn)行了采樣并作了處理。它輸出的電壓信號與CO2濃度值呈線性關(guān)系，輸出的電壓信號為0～3．0V，相當(dāng)于0～3000PPM的CO2濃度。另外，該模塊還提供有中繼轉(zhuǎn)接控制信號。當(dāng)CO2濃度高于設(shè)定值時(shí)，輸出的轉(zhuǎn)接控制信號為高電平5V，該信號可以使得紅LED點(diǎn)亮；反之，它將轉(zhuǎn)接控制信號為低電平0V以使綠LED點(diǎn)亮。但是，該模塊的設(shè)定值是分檔的，而不是連續(xù)可調(diào)的。共分為四檔（可通過線路板上的跳線來實(shí)現(xiàn)），表1和表2分別給出了門限開關(guān)信號的濃度值及跳線連接方法。AM－4模塊的實(shí)用電路原理圖見圖2所示。
　　　　　　
　　如果認(rèn)為使用AM－4模塊不方便或是認(rèn)為價(jià)格太高，也可以自行設(shè)計(jì)電路，并自行編寫程序進(jìn)行處理。
　　
　　5、結(jié)束語
　　
　　TGS4160型CO2傳感器特別適合于連續(xù)監(jiān)測CO2的場所，它不需斷電，其穩(wěn)定性好。但TGS4160傳感器不適于做便攜式或手持式CO2測量儀器。因?yàn)轭A(yù)熱時(shí)間太長，不能即時(shí)測量，同時(shí)傳感器的功率也較大。此外，傳感器暴露在某些氣體中（如氯氣）會降低靈敏度，由于沸石可以對某些干擾氣體（如乙醇）加以濾除。因此，不用時(shí)可置于干燥劑中，并用袋進(jìn)行密封。