電化學氣體傳感器的常見技術參數小知識

電化學氣體傳感器從上世紀70年代末發明出來到現在，全世界的使用量大約為500萬只，廣泛應用在各行各業中，例如工業安全、大氣質量監測、煙氣分析、醫療、城市地下管網、建筑物暖通空調和地下車庫空氣質量監測、工業過程控制、核工業等領域，不一而足。只要是用得到氣體或有氣體產生的地方，都會用到該氣體傳感器。

本文章詳細介紹了一下電化學氣體傳感器5個技術參數，分別為量程范圍、靈敏度、響應時間、恢復時間和歸零時間、分辨率等。

1、量程范圍

定義：能夠保證傳感器規格書所列各項參數的最高氣體濃度。

問：量程范圍有多寬?

答：不同的氣體傳感器都有各自的量程范圍，低至1PPM(PPM為百萬分之一)，高至100%VOL(體積比)。1PPM量程的傳感器多是測量特毒的毒氣，100%VOL量程的多是測量高濃氧氣。醫療氧傳感器的量程比較特殊，例如：200,000%mbar，這個單位的意思是在大約2個標準大氣壓下，傳感器最高能測到100%VOL，計算式為2,000 mbar * 100% VOL=200,000 %mbar。(1標準大氣壓=1013mbar)。%mbar濃度單位的使用，在水下作業的場合和壓力艙內也會用到。

問：輸出和氣體濃度是什么關系？

答：有的EC傳感器是電流源，即輸出電流和被測氣體濃度成正比；有的是電壓源，即輸出電壓和氣體濃度成正比。這種成正比的關系在儀表行業稱為線性，即被測氣體濃度和輸出電流或電壓成線性關系。

問：什么是過載量程?

答：有些傳感器的規格書上除了量程，還有一個參數叫過載量程(OVERLOAD RANGE)。這個參數是告訴用戶：在這個濃度下，傳感器可以短時間(幾分鐘)測量而傳感器不會永久性損壞，但性能無法符合規格書上所列參數。如果超過過載量程，會造成傳感器永久損壞。

2.靈敏度

定義：被測氣體改變一個單位濃度，例如1PPM，傳感器所獲得的輸出電流或電壓的改變量。

問：靈敏度單位是什么？

答：對毒氣傳感器來說，最常見的單位是nA/PPM或uA/PPM。對常量氧傳感器來說，其單位是uA@20.9%VOL O2，意思是在空氣中，輸出的電流是多少微安。對微量氧傳感器來說，其單位是mV@20.9%VOL O2，當然，微量氧傳感器放在空氣中測試是很不科學的，因為微量氧傳感器是測PPM級O2的，長時間暴露在空氣中，會讓它很快失效。對醫療氧氣傳感器來說，其單位是mV@20.9%VOL O2，醫療氧氣傳感器的最大量程都是100%VOL。

問：同一個型號的傳感器靈敏度誤差有多大？

答：具體需要看靈敏度后面的誤差范圍，以盛密科技的一氧化碳傳感器4CO-500S為例，其靈敏度是70±15nA/PPM。其中"±15nA"就是傳感器的個體差異。

問：靈敏度會變化嗎？在什么情況下會變化？

答：EC傳感器的靈敏度是會變化的，影響靈敏度的因素包括：溫度、濕度、壓力、流速、壽命、干擾氣體。以上參數，在規格書所定義的范圍內變化是不會影響傳感器壽命的，但如果超過了這些范圍，傳感器可能會受到不可逆的破壞。

不過，傳感器在出廠的時候，個體差異要盡量的小。表征這個差異最好的參數是CPK。下圖就是盛密科技出產的4H2S-100靈敏度的CPK。一般說來，CPK=1.33就相當于3sigma的水平了，下圖中的CPK已經超過1.33了。

3.響應時間

定義：傳感器信號從零點上升到通氣平衡點一定百分比，所需的時間成為響應時間，通常用T90來描述。從零點上升到平衡信號值的50%所需要的時間稱為T50，從零點上升到90%所需的時間稱為T90，從零點上升到97%所需的時間成為T97。

問：為什么響應時間很重要？

答：因為氣體傳感器主要是保護人身安全的。當氧氣或毒氣超過對人體有害的范圍，人員必須撤離該環境，撤離時間越短越好。因此，傳感器響應時間越短，
就留給撤離人員越多的時間。

問：如何確定零點，如何確定平衡點呢？

答：對于常規氣體傳感器，當它暴露在空氣中，3分鐘之內讀數變化不超過一個分辨率，即認為是平衡了。具體地說，對O2傳感器來說，讀數變化不超過±0.1%，即認為是平衡了；對CO傳感器來說，讀數變化不超過1PPM，即認為平衡了；對H2S傳感器來說，讀數變化不超過0.1PPM，即認為平衡了。有很多吸附性和腐蝕性的氣體比較特殊，它們通氣后的輸出電流很難走平，但這也是正常的現象，這是由氣體本身的物理化學性質所決定的，不可改變。例如4NH3-100傳感器的平衡曲線就是這樣的。

問：有的傳感器通氣后讀數會一直上升，如何確定平衡點呢？

答：對于吸附性強的氣體，其傳感器的T90計算和CO、H2S常規氣體是不一樣的。例如，在NH3傳感器的規格書上T90后面會跟上一句<60s calculated from 5 min. exposure time。它的意思是說，通氣5分鐘，即認為是平衡，然后用5分鐘時候的靈敏度還計算T90時間。這里的通氣5分鐘也是有技術條件的：

A. NH3氣體流速為500±100ml/min；

B. 管路和流量計是特氟龍材質或不銹鋼的；

C. NH3濃度在量程范圍之內；

D. 流動的NH3氣體和傳感器之間不能有任何薄膜或鋼網的阻擋。

常見有吸附性的氣體包括：HF、HCl、NH3、SO2、Cl2、ETO、H2S(吸附性從高到低排列)。常見的沒有吸附性的氣體包括：O2、H2、CH4、CO、CO2等等。

4.恢復時間和歸零時間

恢復時間定義：恢復時間是表述傳感器從標準氣體恢復到零點氣體時，信號回復快慢的一個參數。常用的是RT90，它的意思是，從傳感器通氣平衡狀態恢復到10%信號所花的時間。例如，CO標準氣是500PPM，當傳感器信號從500PPM回到50PPM(500PPM*10%=50PPM)的這段時間，就是RT90了。
歸零時間定義：歸零時間是表述從傳感器通氣平衡狀態恢復到3個分辨率的讀數所需要的時間。例如，CO傳感器的分辨率是1PPM，標準氣是500PPM，當傳感器信號從500PPM回到3PPM的這段時間，就是歸零時間了。

問：用不同濃度的標準氣體測試EC傳感器，RT90時間和歸零時間會不一樣嗎？

答：是會不一樣的。濃度越高，RT90時間和歸零時間越長。

問：不同的溫度下，EC傳感器的響應時間和恢復時間一樣嗎？

答：不一樣。溫度越高，響應時間和恢復時間越短，溫度越低響應時間和恢復時間越長。

問：所有的EC傳感器在規格書上都寫了RT90和歸零時間嗎？

答：幾乎所有的傳感器規格書上都會有響應時間T90，例如盛密科技的4NH3-100，T90時間就寫的是90秒，這意味著盛密出廠的傳感器T90都會小于90秒。關于回零時間，諾聯芯會按照客戶的要求，給予客戶傳感器的響應曲線，這樣客戶就能夠自行計算回零時間了。

問：毒氣傳感器和氧氣傳感器RT時間的計算方法一樣嗎？

答：不一樣。毒氣傳感器從零氣往上升計算T90，從平衡標準氣下降計算RT90和歸零時間。而氧氣傳感器是從空氣20.9%VOL下降到報警點18.0%VOL，算出平衡的時間，然后再計算T90。

5、分辨率

定義：分辨率是描述傳感器能夠分辨的最小的氣體濃度改變量的參數。分辨率和靈敏度和噪聲相關，類似電子技術里面的一個參數——信噪比。計算公式是：
分辨率=3 X 信號標準差/靈敏度

問：如何計算信號標準差？

答：在傳感器信號被放大之后，會送入模數轉換器ADC。系統噪聲需要用標準差(STDEV)來衡量，STDEV可以通過Office Excel里的STDEV()函數來計算。例如，上面信號的STDEV值計算之后為1.03CTS。CTS就是ADC的值，下圖是12bit ADC輸出的CTS。

問：如何計算靈敏度？

答：將傳感器和電路板系統的零點CTS平均值和通氣平衡后的CTS平均值相減，取絕對值，再除以通氣濃度即可得到。例如，零點CTS平均值為1952CTS，500PPM通氣平衡后的CTS平均值為3452CTS。問該系統的靈敏度是多少？

計算公式：|1952-3452|/500 = 3CTS/PPM

通過上面兩問和解答，我們就可以計算出來系統的分辨率了：

3*STDEV/靈敏度=3*1.03/3=1.03PPM

問：傳感器的分辨率和精度有什么關系？

答：并無直接關系。傳感器的分辨率是由上面的公式計算所得。傳感器本身并無精度的概念，所以傳感器的規格書上也沒有精度的參數定義。精度是描述儀器、儀表讀數和氣體真實值之間的差值，也叫準確度，表示方法有±xPPM@100PPM，±5%Reading或±10%F.S.諸如此類。

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