１　二氧化碳傳感器TGS4160概述

TGS4160二氧化碳傳感器是FIGARO（弗加羅）公司生產(chǎn)的固態(tài)電化學(xué)型氣體敏感元件。這種二氧化碳傳感器除具有體積小、壽命長(zhǎng)、選擇性和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)外，同時(shí)還具有耐高濕低溫的特性可廣泛用于自動(dòng)通風(fēng)換氣系統(tǒng)或是ＣＯ２氣體的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)合。但是，由于TGS4160的預(yù)熱時(shí)間較長(zhǎng)（一般為２小時(shí)），所以，該器件比較適合于在室溫下長(zhǎng)時(shí)間通電連續(xù)工作。此外，為了方便客戶使用，F(xiàn)I-GARO公司還專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了帶溫度補(bǔ)償?shù)膫鞲衅魈幚砟KＡＭ－４。該模塊采用微處理器進(jìn)行控制，ＣＯ２氣體濃度的輸出信號(hào)電平為０．０～３．０Ｖ，相當(dāng)于０～３０００ｐｐｍ的濃度，并有中繼轉(zhuǎn)接控制口，可輸出高、低兩種門(mén)限信號(hào)以供外接控制使用。TGS4160傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下：

●測(cè)量范圍：０～５０００ｐｐｍ；

●使用壽命：２０００天；

●加熱器電壓：５．０±０．２ＶＤＣ；

●加熱器電流：２５０ｍＡ；

●加熱器功耗：１．２５Ｗ；

●內(nèi)部熱敏電阻（補(bǔ)償用）：１００ｋΩ±５％；

●使用溫度：－１０～＋５０℃

●使用濕度５～９５％ＲＨ；

●產(chǎn)品尺寸：最大外徑Φ２４ｍｍ，高２４ｍｍ，引腳長(zhǎng)５．８ｍｍ。

２　二氧化碳傳感器TGS4160內(nèi)部結(jié)構(gòu)

TGS4160二氧化碳傳感器是一種內(nèi)含熱敏電阻的混合式CO2敏感元件。該元件在兩個(gè)電極之間充有陽(yáng)離子固體電解質(zhì)。它的陰極由鋰碳酸鹽和鍍金材料制成，而陽(yáng)極只是鍍金材料。該敏感元件的基襯是用對(duì)苯二酯聚乙烯和玻璃纖維加固，然后采用不銹鋼網(wǎng)做圓柱型封裝。元件的內(nèi)層采用１００目雙層不銹鋼網(wǎng)套在鍍鎳銅環(huán)上，并用高強(qiáng)度樹(shù)脂粘合劑與基襯固定在一起。其外層頂蓋上又罩上了一層６０目的不銹鋼網(wǎng)。為了達(dá)到降低干擾氣體影響的目的，TGS4160在內(nèi)外兩層不銹鋼網(wǎng)之間還填充有吸附材料（沸石）。傳感器的６個(gè)引腳通過(guò)０．１ｍｍ的箔導(dǎo)線與內(nèi)部相連。其等效的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖１所示。圖中，陽(yáng)極與傳感器的第３腳Ｓ（＋）相連，陰極與傳感器的第４腳Ｓ（－）相連，Ｐｔ加熱器與傳感器的第１，６腳相連，內(nèi)部熱敏電阻與傳感器的第２，５腳相連。內(nèi)部熱敏電阻的作用是通過(guò)該電阻探測(cè)環(huán)境溫度，以便對(duì)該傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而使校正后的測(cè)量值更加準(zhǔn)確。

３　二氧化碳傳感器TGS4160工作原理

TGS4160型CO2傳感器是一種電化學(xué)型氣體的敏感元件，當(dāng)該元件暴露在CO2氣體環(huán)境中時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。其反應(yīng)式如下：

陰極反應(yīng)方程：

４Ｌｉ＋＋２ ＣＯ２＋Ｏ２＋４ｅ－＝２Ｌｉ２ＣＯ３

陽(yáng)極反應(yīng)方程：

４Ｎａ＋＋Ｏ２ ＋４ｅ－＝２Ｎａ２Ｏ

總的化學(xué)反應(yīng)方程：

Ｌｉ２ＣＯ３＋２Ｎａ＋＝Ｎａ２Ｏ＋２Ｌｉ＋＋ＣＯ２

作為電化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，根據(jù)耐斯特方程（Ｎｅｒｎｓｔ），該過(guò)程將產(chǎn)生如下電勢(shì)（ＥＭＦ）：

ＥＭＦ＝Ｅｃ－（ＲＦ）／（２Ｆ）ｌｎ（ＰＣＯ２ ）

式中：ＰＣＯ２ 為ＣＯ２的分壓；Ｅｃ為常數(shù)；Ｒ是氣體常數(shù)； Ｔ為溫度值（Ｋ）；Ｆ是法拉第常數(shù)。

從上式看出，通過(guò)監(jiān)測(cè)Ｓ（＋）、Ｓ（－）兩個(gè)電極之間所產(chǎn)生的電勢(shì)值ＥＭＦ，就可以測(cè)量ＣＯ２的濃度值。為了使該傳感器保持在最敏感的溫度上，一般需要給加熱器提供加熱電壓進(jìn)行加熱，但加熱電壓的變化將直接影響傳感器的穩(wěn)定性，因此加熱電壓必須穩(wěn)定，其范圍應(yīng)在５．０±０．２ＶＤＣ之內(nèi)。為了保證ＣＯ２的準(zhǔn)確測(cè)量，除了保證加熱電壓穩(wěn)定及對(duì)環(huán)境溫度的變化進(jìn)行溫度補(bǔ)償外，更主要的是要測(cè)量?jī)呻姌O之間變化的電勢(shì)值ΔＥＭＦ，而不是絕對(duì)電勢(shì)值ＥＭＦ，因?yàn)?Delta;ＥＭＦ與ＣＯ２濃度變化之間有一個(gè)較好的線性關(guān)系。雖然ＥＭＦ絕對(duì)值隨環(huán)境溫度的上升而上升，ΔＥＭＦ卻保持常量，而且它在－１０℃～＋５０℃溫度范圍內(nèi)，基本不受溫度的影響。