基于热导式气体传感器原理的气体浓度检测方法探究

何思阳 姜海波 刘昌宏 潘富祥 何光禄

摘 要：本文提出了一种热导式气体传感器的全新用法，即使用热导式气体传感器检测气体的浓度。此方式充分利用了气体传感器的技术优势，克服了传统的检测气体浓度的缺陷。

关键词：热导式气体传感器;气体浓度;检测方式

热导式气体传感器具有寿命长、检测范围大、稳定性良好、成本低廉等非常多的技术优势。倘若将其应用于气体浓度检测中，可以有效的提升气体浓度检测的效率和精准度，对于相关行业的工作必然非常有帮助。

一、传统气体浓度检测

（一）检测方式

传统的气体浓度检测方式主要是利用气体导热性以及电阻随温度大小变化的特征。将待检测气体送入检测室后，通过电流对检测室中间的热敏电阻进行加热，由于不同的气体导热性不同，因此气体对电阻热量的传导特性也会有区别。当气体将热敏电阻上的热量传导出去时，热敏电阻会降温，此时电阻的阻值会发生变化，而通过对电阻变化的特征可以推算出气体的导热程度，进而明确检测室中的气体浓度。

（二）检测缺陷

传统的检测方式存在很多缺陷，例如存在灵敏度低、误差较大、环境影响较大、交叉敏感现象严重的问题。造成这些缺陷的关键音素在于热敏电阻的温度会随着气体浓度的改变而改变，但温度与气体浓度之间的变化关系并为严谨的线性关系，其中的不可控因素较多，难以对其变化规律进行预测，因此检测的精确度很低，且难以进行环境补偿。

二、采用热导式气体传感器进行气体浓度检测的新方法

（一）检测方案

传统的气体浓度检测的方式存在误差较大的问题，且由于技术的固有限制无法进行改进。由于传统检测方式的误差来源是热敏电阻的温度，因此我们可以在检测方式上进行改进，在检测气体浓度时保证传感器的温度不变，这种方式可以避免因温度变化带来的检测误差。

（二）实现方式

采用热导式气体传感器进行气体浓度检测的关键方式在于要保证检测过程中传感器温度始终不变，传统的检测方式中对热敏电阻供电的电流为恒流源，因此热敏电阻在恒定电流的作用下温度便会不断上升。因此，实现方式就是保证传感器的电流随着热敏电阻温度的变化而变化，当温度升高时减小电流，反之增大电流，采用这种方式即可实现传感器在检测时的温度不发生变化，从而在根本上提升检测的精度为使用热导式气体传感器进行气体浓度检测的示意图，其中电阻R1、R2、R3为电桥，电桥与电流源和伺服电路等元件共同组成闭环电路。电路正常工作时，电桥之间电阻的关系为rR1=R2R3，此时倘若气体导热系数增加，更多的热量被转移，传感器的温度便会降低，电阻的阻值也随之下降，导致电桥失去平衡，而不平衡的电压则作为改变电流的信号，经过放大器传送到伺服电路处，伺服电路则会控制可变电流源使电流增大，传感器的温度自然也随电流增加而增加，使电桥重新恢复rR1=R2R3的平衡。此时通过检测电路中的参考电压u0，即可通过电压值推算出气体的浓度，当气体导热系数下降时亦然。

三、热导式气体传感器恒温检测方式的优点

（一）提升检测精度

气体的导热系数受其在环境中的分布影响，而环境中的温度有会影响气体的分布。恒温检测方式中气体的分布不再受温度变化而变化，仅由浓度决定，检测环节中不可控因素大大减少，精度得以提升。

（二）提升检测可靠性

传统的检测方式中，电阻的面积、材质、电流、温度差变化等都会成为影响热敏电阻导热的因素。但这些因素难以控制，因此传统的检测方式可靠性较低。而恒温检测方式中热敏电阻的温度恒定，不会出现电阻导热的现象，因此可靠性相较于传统检测方式有显著提升。

（三）利于环境补偿

恒温检測法中热敏电阻自身温度恒定，因此可以以其自身的温度为参数进行环境温度补偿，提升系统的检测性能。

（四）检测速度加快

恒温检测方式中由于热敏电阻温度恒定，因此不存在过渡时间，这可以加快检测的速度。

（五）混合气体检测

检测混合气体的关键在于气体各组分不同导致的气体分布问题，而恒温检测方式中电阻温度恒定，可以最大限度的保证气体不因温度变化而改变其分布，从而使检测混合气体的浓度成为可能。

四、结论

本文中提出了利用热导式气体传感器的恒温检测方式，这种检测方式可以使检测结果不受温度影响，具有较高的精确性。同时，这种方式还具备加快检测速度和混合气体检测的优势，期待在气体浓度检测环节能够有广泛应用。

参考文献：

[1]佚名.一种具有抗震功能的热传导式气体传感器，CN204855427U[P].2015.

[2]佚名.SnO2纳米结构气体传感器制备与气敏特性研究[J].传感器与微系统，2019，38（03）：27-30+33.