氣敏傳感器在測量中受環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說明了環境溫濕度變化給測量帶來的影響。
圖中Rs為乙醇氣敏傳感器敏感元件的電阻值,-△Rs為氣敏傳感器正常工作時待測氣體濃度導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、濕度等環境因素影響導致的電阻值的變化值; 是采樣電阻,一般選用金屬膜電阻,溫濕度等環境變化對它的影響很小。此外,采樣電阻本身產生的溫度影響可以忽略不計。 來源:東海儀表網
根據電路原理,圖2-3中取樣電阻凡在有環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,可以得到由于環境變化導致的輸出誤差,即
對2-7式進行因式分解并化簡可得
由2-8式可知,由于環境因素對乙醇氣敏傳感器的影響,采用標準的氣敏傳感器取樣電路進行電壓信號提取將會導致采集的信號出現誤差。尤其是在環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,得益于現代制作工藝的發展以及各種更高性能的敏感材料的應用,氣敏傳感器的檢測精度已經獲得了很大提高,環境溫濕度變化對測量的影響己經得到了很大的改善。但是正如上文分析的那樣,環境因素的干擾,仍是制約乙醇氣敏傳感器測量精度的一個重要的因素。
如圖2-4是TGS2620乙醇氣敏傳感器的溫濕度特性,其中Ro是20℃濕度為65%條件下的傳感器敏感元件的電阻值,Rs為300ppm乙醇氣體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過程中采用了很多先進的制作工藝,采取了各種措施來提高傳感器穩定性,但是環境溫濕度變化影響仍舊是導致傳感器產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,是氣體檢測應用中需要特別注意的問題。???
為了克服環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載電阻串聯熱敏電阻和濕敏電阻的方法來補償由于環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境溫濕度變化對測量帶來的干擾,但在具體應用中卻很難找到和氣敏傳感器敏感元件溫濕度效應相匹配的熱敏和濕敏電阻。因此,采用串并聯熱濕敏電阻的補償方法其效果很有限。
同樣是基于串聯熱濕敏電阻來補償環境變化影響的思路。采用兩支同型號的乙醇氣敏傳感器,一支用來檢測待測氣體,另一支作為負載電阻并與待測氣體隔離,使之不受待測氣體的影響,而只受環境因素的影響。同型號的乙醇氣敏傳感器具有相同的熱濕敏特性,當環境溫濕度變化導致傳感器氣敏元件的電阻值產生變化時,作為負載電阻的傳感器的敏感元件電阻值也會發生相應的變化,從而補償了由于環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境干擾影響導致的敏感元件電阻值的變化值。由于用于補償的傳感器敏感元件接觸被測氣體后同樣會產生電阻值變化,因此需要設法使補償傳感器與被測氣體隔絕而只感受環境的變化。
根據電路原理,采用補償傳感器方法的負載輸出電壓為
則由于環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式進行化簡,可得
在實際應用中,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遠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載電阻都有一定的取值范圍要求,例如TGS2620要求負載電阻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的作用,這個電阻應盡可能選擇溫濕敏特性比較穩定的電阻以減小溫濕度變化帶來的測量誤差。