二氧化碳传感器TGS4160的原理及应用

　　1　概述

　　TGS4160二氧化碳传感器是FIGARO(弗加罗)公司生产的固态电化学型气体敏感元件。这种二氧化碳传感器除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特点外，同时还具有耐高湿低温的特性可广泛用于自动通风换气系统或是CO2气体的长期监测等应用场合。但是，由于TGS4160的预热时间较长(一般为2小时)，所以，该器件比较适合于在室温下长时间通电连续工作。此外，为了方便客户使用，FI-GARO公司还专门设计了带温度补偿的传感器处理模块AM-4。该模块采用微处理器进行控制，CO2气体浓度的输出信号电平为0.0～3.0V，相当于0～3000ppm的浓度，并有中继转接控制口，可输出高、低两种门限信号以供外接控制使用。TGS4160传感器的主要技术参数如下：

　　●测量范围：0～5000ppm;

　　●使用寿命：2000天;

　　●加热器电压：5.0±0.2VDC;

　　●加热器电流：250mA;

　　●加热器功耗：1.25W;

　　●内部热敏电阻(补偿用)：100kΩ±5%;

　　●使用温度：-10～+50℃

　　●使用湿度5～95%RH;

　　●产品尺寸：最大外径Φ24mm，高24mm，引脚长5.8mm。

　　2　内部结构

　　TGS4160二氧化碳传感器是一种内含热敏电阻的混合式CO2敏感元件。该元件在两个电极之间充有阳离子固体电解质。它的阴极由锂碳酸盐和镀金材料制成，而阳极只是镀金材料。该敏感元件的基衬是用对苯二酯聚乙烯和玻璃纤维加固，然后采用不锈钢网做圆柱型封装。元件的内层采用100目双层不锈钢网套在镀镍铜环上，并用高强度树脂粘合剂与基衬固定在一起。其外层顶盖上又罩上了一层60目的不锈钢网。为了达到降低干扰气体影响的目的，TGS4160在内外两层不锈钢网之间还填充有吸附材料(沸石)。传感器的6个引脚通过0.1mm的箔导线与内部相连。其等效的内部结构见图1所示。图中，阳极与传感器的第3脚S(+)相连，阴极与传感器的第4脚S(-)相连，Pt加热器与传感器的第1，6脚相连，内部热敏电阻与传感器的第2，5脚相连。内部热敏电阻的作用是通过该电阻探测环境温度，以便对该传感器进行温度补偿，从而使校正后的测量值更加准确。

　　3　工作原理

　　TGS4160型CO2传感器是一种电化学型气体的敏感元件，当该元件暴露在CO2气体环境中时，就会产生电化学反应。其反应式如下：

　　阴极反应方程：

　　4Li++2 CO2+O2+4e-=2Li2CO3

　　阳极反应方程：

　　4Na++O2 +4e-=2Na2O

　　总的化学反应方程：

　　Li2CO3+2Na+=Na2O+2Li++CO2