TGS4160系列二氧化碳传感器工作原理及应用解析
１ 概述
tgs4160二氧化碳传感器是ｆｉｇａｒｏ（弗加罗）公司生产的固态电化学型气体敏感元件。这种二氧化碳传感器除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特点外，同时还具有耐高湿低温的特性可广泛用于自动通风换气系统或是ｃｏ２气体的长期监测等应用场合。但是，由于tgs4160的预热时间较长（一般为２小时），所以，该器件比较适合于在室温下长时间通电连续工作。此外，为了方便客户使用，ｆｉ-ｇａｒｏ公司还专门设计了带温度补偿的传感器处理模块ａｍ－４。该模块采用微处理器进行控制，ｃｏ２气体浓度的输出信号电平为０．０～３．０ｖ，相当于０～３０００ｐｐｍ的浓度，并有中继转接控制口，可输出高、低两种门限信号以供外接控制使用。tgs4160传感器的主要技术参数如下：
●测量范围：０～５０００ｐｐｍ；
●使用寿命：２０００天；
●加热器电压：５．０±０．２ｖｄｃ；
●加热器电流：２５０ｍａ；
●加热器功耗：１．２５ｗ；
●内部热敏电阻（补偿用）：１００ｋω±５％；
●使用温度：－１０～＋５０℃
●使用湿度５～９５％ｒｈ；
●产品尺寸：最大外径φ２４ｍｍ，高２４ｍｍ，引脚长５．８ｍｍ。
２ 内部结构 tgs4160二氧化碳传感器是一种内含热敏电阻的混合式ｃｏ２敏感元件。该元件在两个电极之间充有阳离子固体电解质。它的阴极由锂碳酸盐和镀金材料制成，而阳极只是镀金材料。该敏感元件的基衬是用对苯二酯聚乙烯和玻璃纤维加固，然后采用不锈钢网做圆柱型封装。元件的内层采用１００目双层不锈钢网套在镀镍铜环上，并用高强度树脂粘合剂与基衬固定在一起。其外层顶盖上又罩上了一层６０目的不锈钢网。为了达到降低干扰气体影响的目的，tgs4160在内外两层不锈钢网之间还填充有吸附材料（沸石）。传感器的６个引脚通过０．１ｍｍ的箔导线与内部相连。其等效的内部结构见图１所示。图中，阳极与传感器的第３脚ｓ（＋）相连，阴极与传感器的第４脚ｓ（－）相连，ｐｔ加热器与传感器的第１，６脚相连，内部热敏电阻与传感器的第２，５脚相连。内部热敏电阻的作用是通过该电阻探测环境温度，以便对该传感器进行温度补偿，从而使校正后的测量值更加准确。
３ 工作原理 tgs4160型ｃｏ２传感器是一种电化学型气体的敏感元件，当该元件暴露在ｃｏ２气体环境中时，就会产生电化学反应。其反应式如下：
阴极反应方程：
４ｌｉ＋＋２ ｃｏ２＋ｏ２＋４ｅ－＝２ｌｉ２ｃｏ３
阳极反应方程：
４ｎａ＋＋ｏ２ ＋４ｅ－＝２ｎａ２ｏ
总的化学反应方程：
ｌｉ２ｃｏ３＋２ｎａ＋＝ｎａ２ｏ＋２ｌｉ＋＋ｃｏ２
作为电化学反应的结果，根据耐斯特方程（ｎｅｒｎｓｔ），该过程将产生如下电势（ｅｍｆ）：
ｅｍｆ＝ｅｃ－（ｒｆ）／（２ｆ）ｌｎ（ｐｃｏ２ ）
式中：ｐｃｏ２ 为ｃｏ２的分压；ｅｃ为常数；ｒ是气体常数； ｔ为温度值（ｋ）；ｆ是法拉第常数。
从上式看出，通过监测ｓ（＋）、ｓ（－）两个电极之间所产生的电势值ｅｍｆ，就可以测量ｃｏ２的浓度值。为了使该传感器保持在最敏感的温度上，一般需要给加热器提供加热电压进行加热，但加热电压的变化将直接影响传感器的稳定性，因此加热电压必须稳定，其范围应在５．０±０．２ｖｄｃ之内。为了保证ｃｏ２的准确测量，除了保证加热电压稳定及对环境温度的变化进行温度补偿外，更主要的是要测量两电极之间变化的电势值δｅｍｆ，而不是绝对电势值ｅｍｆ，因为δｅｍｆ与ｃｏ２浓度变化之间有一个较好的线性关系。虽然ｅｍｆ绝对值随环境温度的上升而上升，δｅｍｆ却保持常量，而且它在－１０℃～＋５０℃温度范围内，基本不受温度的影响。
图2
δｅｍｆ值可由下式求得：
δｅｍｆ＝ｅｍｆ１－ｅｍｆ２
其中，ｅｍｆ１为３５０ｐｐｍ的ｃｏ２中的ｅｍｆ值；ｅｍｆ２为所测量的ｃｏ２的ｅｍｆ值。
在温度为２０℃±２℃、湿度为６５±５％ｒｈ、加热电压为５．０±０．０５ｖｄｃ、预热时间为７天或大于７天的条件下，测得传感器在浓度为３５０ｐｐｍ中的ｅｍｆ值是２２０～４９０ｍｖ，而δｅｍｆ在３５０～３５００ｐｐｍ的ｃｏ２浓度中的值是４４～７２ｍｖ，因此在实际测量应用电路中，要根据传感器的特点要求，除使用高输入阻抗（≥１００ｇω）、低偏置电流（≤１ｐａ）的运算放大器外，还要对测得的信号进行处理。处理该信号通常有两种方案可供选择：一是使用费加罗（ｆｉｇａｒｏ）公司的ｆｉｃ９８６４６专用处理器模块，二是选用其它型号的单片机并通过自己编程进行信号处理。
４ 基本应用 利用tgs4160传感器并通过高输入阻抗、低偏置电流的运放进行放大，再作一些简单的运算处理，就可以在ｃｏ２浓度为３００～５０００ｐｐｍ的范围内测得信号，该信号为０～几百毫伏的电压信号，可以供高精度ａ／ｄ采样使用。如果使用费加罗（ｆｉｇａｒｏ）公司提供的ａｍ－４ ｃｏ２传感器模块，则可直接应用于自动通风换气系统或是ｃｏ２气体监测。该模块内部带有ａ／ｄ转换器，并已对数据进行了采样并作了处理。它输出的电压信号与ｃｏ２浓度值呈线性关系，输出的电压信号为０～３．０ｖ，相当于０～３０００ｐｐｍ的ｃｏ２浓度。另外，该模块还提供有中继转接控制信号。当ｃｏ２浓度高于设定值时，输出的转接控制信号为高电平５ｖ，该信号可以使得红ｌｅｄ点亮；反之，它将转接控制信号为低电平０ｖ以使绿ｌｅｄ点亮。但是，该模块的设定值是分档的，而不是连续可调的。共分为四档（可通过线路板上的跳线来实现），表１和表２分别给出了门限开关信号的浓度值及跳线连接方法。ａｍ－４模块的实用电路原理图见图２所示。
表1 门限信号浓度
控制信号门限
档次开关
ⅰ800ppm720ppm
ⅱ1000ppm900ppm
ⅲ1500ppm1350ppm
ⅳ2000ppm1800ppm
表2 跳线连接
连 接 方 式
档次jp5jp6jp7jp8
ⅰ连连连断
ⅱ连连断连
ⅲ连断连连
ⅳ断连连连
如果认为使用ａｍ－４模块不方便或是认为价格太高，也可以自行设计电路，并自行编写程序进行处理。
５ 结束语 tgs4160型ｃｏ２传感器特别适合于连续监测ｃｏ２的场所，它不需断电，其稳定性好。但tgs4160传感器不适于做便携式或手持式ｃｏ２测量仪器。因为预热时间太长，不能即时测量，同时传感器的功率也较大。此外，传感器暴露在某些气体中（如氯气）会降低灵敏度，由于沸石可以对某些干扰气体（如乙醇）加以滤除。因此，不用时可置于干燥剂中，并用专用袋进行密封。
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●测量范围：０～５０００ｐｐｍ；
●使用寿命：２０００天；
●加热器电压：５．０±０．２ｖｄｃ；
●加热器电流：２５０ｍａ；
●加热器功耗：１．２５ｗ；
●内部热敏电阻（补偿用）：１００ｋω±５％；
●使用温度：－１０～＋５０℃
●使用湿度５～９５％ｒｈ；
●产品尺寸：最大外径φ２４ｍｍ，高２４ｍｍ，引脚长５．８ｍｍ。
２ 内部结构 tgs4160二氧化碳传感器是一种内含热敏电阻的混合式ｃｏ２敏感元件。该元件在两个电极之间充有阳离子固体电解质。它的阴极由锂碳酸盐和镀金材料制成，而阳极只是镀金材料。该敏感元件的基衬是用对苯二酯聚乙烯和玻璃纤维加固，然后采用不锈钢网做圆柱型封装。元件的内层采用１００目双层不锈钢网套在镀镍铜环上，并用高强度树脂粘合剂与基衬固定在一起。其外层顶盖上又罩上了一层６０目的不锈钢网。为了达到降低干扰气体影响的目的，tgs4160在内外两层不锈钢网之间还填充有吸附材料（沸石）。传感器的６个引脚通过０．１ｍｍ的箔导线与内部相连。其等效的内部结构见图１所示。图中，阳极与传感器的第３脚ｓ（＋）相连，阴极与传感器的第４脚ｓ（－）相连，ｐｔ加热器与传感器的第１，６脚相连，内部热敏电阻与传感器的第２，５脚相连。内部热敏电阻的作用是通过该电阻探测环境温度，以便对该传感器进行温度补偿，从而使校正后的测量值更加准确。
３ 工作原理 tgs4160型ｃｏ２传感器是一种电化学型气体的敏感元件，当该元件暴露在ｃｏ２气体环境中时，就会产生电化学反应。其反应式如下：
阴极反应方程：
４ｌｉ＋＋２ ｃｏ２＋ｏ２＋４ｅ－＝２ｌｉ２ｃｏ３
阳极反应方程：
４ｎａ＋＋ｏ２ ＋４ｅ－＝２ｎａ２ｏ
总的化学反应方程：
ｌｉ２ｃｏ３＋２ｎａ＋＝ｎａ２ｏ＋２ｌｉ＋＋ｃｏ２
作为电化学反应的结果，根据耐斯特方程（ｎｅｒｎｓｔ），该过程将产生如下电势（ｅｍｆ）：
ｅｍｆ＝ｅｃ－（ｒｆ）／（２ｆ）ｌｎ（ｐｃｏ２ ）
式中：ｐｃｏ２ 为ｃｏ２的分压；ｅｃ为常数；ｒ是气体常数； ｔ为温度值（ｋ）；ｆ是法拉第常数。
从上式看出，通过监测ｓ（＋）、ｓ（－）两个电极之间所产生的电势值ｅｍｆ，就可以测量ｃｏ２的浓度值。为了使该传感器保持在最敏感的温度上，一般需要给加热器提供加热电压进行加热，但加热电压的变化将直接影响传感器的稳定性，因此加热电压必须稳定，其范围应在５．０±０．２ｖｄｃ之内。为了保证ｃｏ２的准确测量，除了保证加热电压稳定及对环境温度的变化进行温度补偿外，更主要的是要测量两电极之间变化的电势值δｅｍｆ，而不是绝对电势值ｅｍｆ，因为δｅｍｆ与ｃｏ２浓度变化之间有一个较好的线性关系。虽然ｅｍｆ绝对值随环境温度的上升而上升，δｅｍｆ却保持常量，而且它在－１０℃～＋５０℃温度范围内，基本不受温度的影响。
图2
δｅｍｆ值可由下式求得：
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其中，ｅｍｆ１为３５０ｐｐｍ的ｃｏ２中的ｅｍｆ值；ｅｍｆ２为所测量的ｃｏ２的ｅｍｆ值。
在温度为２０℃±２℃、湿度为６５±５％ｒｈ、加热电压为５．０±０．０５ｖｄｃ、预热时间为７天或大于７天的条件下，测得传感器在浓度为３５０ｐｐｍ中的ｅｍｆ值是２２０～４９０ｍｖ，而δｅｍｆ在３５０～３５００ｐｐｍ的ｃｏ２浓度中的值是４４～７２ｍｖ，因此在实际测量应用电路中，要根据传感器的特点要求，除使用高输入阻抗（≥１００ｇω）、低偏置电流（≤１ｐａ）的运算放大器外，还要对测得的信号进行处理。处理该信号通常有两种方案可供选择：一是使用费加罗（ｆｉｇａｒｏ）公司的ｆｉｃ９８６４６专用处理器模块，二是选用其它型号的单片机并通过自己编程进行信号处理。
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表1 门限信号浓度
控制信号门限
档次开关
ⅰ800ppm720ppm
ⅱ1000ppm900ppm
ⅲ1500ppm1350ppm
ⅳ2000ppm1800ppm
表2 跳线连接
连 接 方 式
档次jp5jp6jp7jp8
ⅰ连连连断
ⅱ连连断连
ⅲ连断连连
ⅳ断连连连
如果认为使用ａｍ－４模块不方便或是认为价格太高，也可以自行设计电路，并自行编写程序进行处理。
５ 结束语 tgs4160型ｃｏ２传感器特别适合于连续监测ｃｏ２的场所，它不需断电，其稳定性好。但tgs4160传感器不适于做便携式或手持式ｃｏ２测量仪器。因为预热时间太长，不能即时测量，同时传感器的功率也较大。此外，传感器暴露在某些气体中（如氯气）会降低灵敏度，由于沸石可以对某些干扰气体（如乙醇）加以滤除。因此，不用时可置于干燥剂中，并用专用袋进行密封。
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