氣敏傳感器在測量中受環(huán)境溫濕度變化的影響很大,不考慮溫濕度變化因素會給測量帶來較大誤差。圖2-3說明了環(huán)境溫濕度變化給測量帶來的影響。
圖中Rs為乙醇?xì)饷魝鞲衅髅舾性?a target="_blank">電阻值,-△Rs為氣敏傳感器正常工作時待測氣體濃度導(dǎo)致敏感元件的電阻值的變化值,-△Rb為氣敏傳感器受到諸如溫度、濕度等環(huán)境因素影響導(dǎo)致的電阻值的變化值; 是采樣電阻,一般選用金屬膜電阻,溫濕度等環(huán)境變化對它的影響很小。此外,采樣電阻本身產(chǎn)生的溫度影響可以忽略不計。 來源:東海儀表網(wǎng)
根據(jù)電路原理,圖2-3中取樣電阻凡在有環(huán)境干擾和理想無干擾情況下的輸出電壓和分別為:
其中,Vc為電路供電電壓,一般為±5V。將2-5和2-6兩式相減,可以得到由于環(huán)境變化導(dǎo)致的輸出誤差,即
對2-7式進(jìn)行因式分解并化簡可得
由2-8式可知,由于環(huán)境因素對乙醇?xì)饷魝鞲衅鞯挠绊懀捎脴?biāo)準(zhǔn)的氣敏傳感器取樣電路進(jìn)行電壓信號提取將會導(dǎo)致采集的信號出現(xiàn)誤差。尤其是在環(huán)境溫濕度波動比較大(△Rb較大)的情況下,這種誤差會變得很大。
實際上,得益于現(xiàn)代制作工藝的發(fā)展以及各種更高性能的敏感材料的應(yīng)用,氣敏傳感器的檢測精度已經(jīng)獲得了很大提高,環(huán)境溫濕度變化對測量的影響己經(jīng)得到了很大的改善。但是正如上文分析的那樣,環(huán)境因素的干擾,仍是制約乙醇?xì)饷魝鞲衅鳒y量精度的一個重要的因素。
如圖2-4是TGS2620乙醇?xì)饷魝鞲衅鞯臏貪穸忍匦裕渲蠷o是20℃濕度為65%條件下的傳感器敏感元件的電阻值,Rs為300ppm乙醇?xì)怏w濃度條件下傳感器敏感元件電阻值。
從圖中可以看到,盡管在氣敏傳感器生產(chǎn)過程中采用了很多先進(jìn)的制作工藝,采取了各種措施來提高傳感器穩(wěn)定性,但是環(huán)境溫濕度變化影響仍舊是導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生測量一誤差的一個重要因素。有效降低甚至避免溫濕度影響,是氣體檢測應(yīng)用中需要特別注意的問題。???
為了克服環(huán)境溫濕度變化對測量的影響,人們采取在原有測量電路上與負(fù)載電阻串聯(lián)熱敏電阻和濕敏電阻的方法來補償由于環(huán)境溫濕度變化引入的誤差。這種方法在一定程度上克服了環(huán)境溫濕度變化對測量帶來的干擾,但在具體應(yīng)用中卻很難找到和氣敏傳感器敏感元件溫濕度效應(yīng)相匹配的熱敏和濕敏電阻。因此,采用串并聯(lián)熱濕敏電阻的補償方法其效果很有限。
同樣是基于串聯(lián)熱濕敏電阻來補償環(huán)境變化影響的思路。采用兩支同型號的乙醇?xì)饷魝鞲衅鳎恢в脕頇z測待測氣體,另一支作為負(fù)載電阻并與待測氣體隔離,使之不受待測氣體的影響,而只受環(huán)境因素的影響。同型號的乙醇?xì)饷魝鞲衅骶哂邢嗤臒釢衩籼匦裕?dāng)環(huán)境溫濕度變化導(dǎo)致傳感器氣敏元件的電阻值產(chǎn)生變化時,作為負(fù)載電阻的傳感器的敏感元件電阻值也會發(fā)生相應(yīng)的變化,從而補償了由于環(huán)境變化對測量帶來的干擾。
使用同型號的氣敏傳感器作為負(fù)載電阻,如圖2-5所示。-△Rb是檢測傳感器與補償傳感器受溫濕度等環(huán)境干擾影響導(dǎo)致的敏感元件電阻值的變化值。由于用于補償?shù)膫鞲衅髅舾性佑|被測氣體后同樣會產(chǎn)生電阻值變化,因此需要設(shè)法使補償傳感器與被測氣體隔絕而只感受環(huán)境的變化。
根據(jù)電路原理,采用補償傳感器方法的負(fù)載輸出電壓為
則由于環(huán)境干擾而引入的輸出誤差為
式中,△RL'為理想情況下,補償傳感器在無干擾影響下的電壓輸出值; 為有干擾情況下的輸出值。對2-10式進(jìn)行化簡,可得
在實際應(yīng)用中,如果所檢測的氣體濃度不是很高,則氣敏傳感器的變化將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于敏感元件的電阻值,即△Rs< 在實際使用中,每種氣敏傳感器對于負(fù)載電阻都有一定的取值范圍要求,例如TGS2620要求負(fù)載電阻RL的取值最低為450Ω,為了符合要求,一般還要在測量電路中串接一個電阻,這個電阻同時可以起到傳感器過電流保護(hù)的作用,這個電阻應(yīng)盡可能選擇溫濕敏特性比較穩(wěn)定的電阻以減小溫濕度變化帶來的測量誤差。