介绍
环境气体检测传感器是一种用于追踪影响人类健康的各种空气污染物（如一氧化碳 (CO)、二氧化碳 (CO2)、挥发性有机化合物 (VOC)、二氧化硫 (SO2) 和二氧化氮 (NO2)）的设备。人们发现高浓度的二氧化碳可能会降低认知能力。尽管典型的人类鼻子可以闻到超过 1 万亿种不同的气味，但我们大多数人仍然无法识别周围大气中存在的气体浓度或类型。这就是传感器的作用所在。气体传感器可检测有毒气体浓度的不平衡，以维持安全系统并避免意外威胁。不同的气体传感器可检测不同的气体，如氧气、氮气、甲烷、二氧化碳和 VOC。这些传感器可检测有害气体的泄漏并监测工业设施、办公室和家庭的空气质量。本文讨论了 CO、CO2 和 VOC 气体对健康的危害，以及相关传感器，包括其结构、类型、功能和应用。
CO、CO2 和 VOC 气体及其健康危害
CO（一氧化碳）是一种无色无味的有毒气体。它是由燃烧碳基材料或燃料产生的。一氧化碳通常来自燃料在车辆、发动机、炉灶、火炉、灯笼、烤架和壁炉中燃烧时产生的烟雾。它可能在室内积聚，对呼吸该空气的动物和人类有毒。吸入 CO 可能导致头痛、恶心和头晕。较高浓度的 CO 可能导致昏迷甚至死亡。长期暴露于高浓度甚至中等浓度的 CO 也与心脏病风险增加有关。急性 CO 中毒后幸存下来的人可能会遭受根深蒂固的健康问题。
CO2（二氧化碳）是大气中含量第四多的气体。它在室温下是一种不可燃、无色、无味的气体，由燃烧化石燃料或腐烂的植被形成。它也是我们呼气时正常细胞功能的结果。接触二氧化碳可能会影响我们做出决策、保持高质量工作和进行有效沟通的能力。它会产生各种健康影响，包括头痛、头晕、呼吸困难、出汗、疲倦、心率过快、高血压、昏迷、窒息和抽搐。表 1 显示了二氧化碳水平和相关的生理反应。
VOC（挥发性有机化合物）包括参与大气光化学反应的任何碳化合物（一氧化碳、碳酸、碳酸铵、金属碳化物或碳酸盐和二氧化碳除外）。VOC 以气体形式从一些特定固体或液体中排放出来。它们包括许多化学物质，其中一些可能会在短期和长期内对健康造成不利影响。室内的 VOC 浓度通常高于室外。VOC 的常见来源包括建筑材料，例如油漆、填缝剂、复合木制品、粘合剂、地毯和乙烯基地板。吸烟、干洗、烹饪和燃烧木材等活动也会喷出 VOC。短期接触 VOC 的常见健康影响包括眼睛、鼻子、喉咙刺激、头痛、恶心和哮喘。长期接触可能导致癌症、肝肾损伤以及中枢神经系统损伤。
气体检测传感器及类型
气体传感器，也称为气体检测器，是一种识别和追踪不同气体的电子设备。这些设备用于检测爆炸性或有毒气体。它们还可以测量气体浓度。安装在工厂和制造厂中的气体传感器可以识别气体泄漏。它们还可以检测住宅中的一氧化碳和烟雾。气体传感器在传感能力、范围和尺寸（便携式和固定式）方面差异很大。它们通常是大型嵌入式系统的组成部分。传感过程和物理配置可能会有很大差异，这取决于传感器之间的环境和预期功能。根据传感元件的类型，气体传感器通常分为几种类型，例如电化学气体传感器、催化燃烧传感器、红外 (IR) 传感器、光电离检测器和金属氧化物气体传感器。我们将讨论一些基于这些技术的气体传感器及其结构和操作。
一氧化碳（CO）气体传感器
CO 传感器是一种检测一氧化碳 (CO) 气体是否存在以防止一氧化碳中毒的设备。它通常用于检测汽车尾气或炉子泄漏产生的一氧化碳 (CO) 等有毒气体。CO 气体扩散到传感器顶部的膜中，然后与传感电极的化学物质发生反应产生电流。测量并显示该电流。如果没有 CO 分子，则不会发生反应，也不会产生电流。其他类型的 CO 传感器包括：
• 仿生传感器：这些传感器使用一种会因吸收一氧化碳而改变颜色的凝胶，这种颜色的变化会引发警报。
• 金属氧化物半导体：硅芯片的电路会追踪一氧化碳并降低电阻。这一变化会触发警报。
二氧化碳（CO2）传感器
二氧化碳传感器是一种用于计算气态二氧化碳水平的设备。它们分为两种类型：基于红外和电化学。二氧化碳的反应性不强，无法使用电化学电池检测。红外传感器通过气体吸收的光量来确定气体的数量，而不是通过化学反应。气体吸收特定的光波长，而某些气体吸收特定的频率。特殊“光源”发出的光通过过滤器，该过滤器会筛选出除单个光波长组之外的所有物质，这些光波长组通常在光谱的红外部分内。图 2 展示了基于红外的二氧化碳传感器。
以下步骤描述了其操作：
• 根据比尔-朗伯定律，二氧化碳气体分子吸收红外光。非色散红外 (NDIR) 传感器模块应用了这一原理。
• 红外源通过气体样品池（波导）发射能量。经过调谐的光学滤波器会滤除目标气体（对于 CO2 约为 4.3 µm）以外的所有波长，使其不与热电堆检测器相互作用。然后，热电堆将过滤后的红外能量转换为电信号 — 气体浓度（CO2）越高，到达检测器的红外能量越低。
• 微处理器利用传感器校准常数和其他参数评估探测器的电信号，提供信号调节的气体浓度输出（ppmv）。
CO2 传感器用于 HVAC 应用中以监测空气质量。它们还用于监测发酵、有氧呼吸、光合作用和其他二氧化碳消耗或产生过程。
挥发性有机化合物 (VOC) 气体传感器
VOC 传感器是一种计算与空气质量差相关的综合“还原性气体”环境聚集度的设备，如醇、胺、醛、有机氯胺酮、有机酸以及脂肪族和芳香族烃。这些气体都会燃烧并导致 VOC 传感器 ppm 输出升高。两种常用技术用于检测 VOC：光电离和火焰电离。另一种 VOC 传感器基于金属氧化物半导体。在基于光电离的传感器中，光源不是吸收光，而是用作紫外 (UV) 光谱以电离气体分子中的电子。气体电离后，它会通过两个带电板，分裂气体离子和“自由”电子。随着气体离子流向板，可以测量两个板之间产生的电流。这种电流对应于电离分子群。然后测量并显示该电流。
应用
我们现在将使用这些传感器设计一些电子电路，供实际应用。
SGX-4CO 是一种电化学型 CO 气体传感器，具有三个电极，如图 5 所示。它提供 70 ± 20nA / ppm 的输出电流，对应于超过 0 – 2000 ppm 范围的气体浓度。由于这是一种电化学气体传感器，因此需要一个恒电位仪（偏置电路）来在参考电极和传感电极之间保持准确的偏置电位。需要一个跨阻抗放大器（也称为电流-电压转换器）来将小的电化学电流转换为有用的电压，然后可以进行测量。
民意调查：您想尝试气体检测传感器吗？环境气体检测传感器是用于追踪影响人类健康的各种空气污染物（如一氧化碳 (CO)、二氧化碳 (CO2)、挥发性有机化合物 (VOC)、二氧化硫 (SO2) 和二氧化氮 (NO2)）的设备。不同的气体传感器可检测不同的气体，如氧气、氮气、甲烷、二氧化碳和 VOC。这些传感器可检测有害气体的泄漏并监测工业设施、学校、办公室和家庭的空气质量。
注：本文信息来源于element14，版权归原作者所有。如有侵权，请联系我们移除，谢谢。
关于我们
金瑞铭深耕于AIOT领域，致力于智能传感器、AI视觉识别与低功耗无线通信等物联网核心技术产品的研发和应用，目前产品涉及各类环境监测类传感器、设备状态监测类传感器、资产追踪定位器、智慧本地显示类相关产品，产品广泛应用于智能制造、仓储、交通、电力等应用领域。针对不同的应用场景和客户需求，提供个性化的ODM定制化服务，满足客户对信息化和智能化各类改造需求。