Металооксидният (MOX) сензор
Зрънце от калаен оксид (SnO₂, също ZnO или WO₃) се нагрява с малък нагревател до 200–500 °C. По повърхността му се залепва кислород от въздуха и взима електрони. Между зърната на оксида се вдига бариера и съпротивлението е голямо. Дойде ли редуциращ газ (CO, водород, метан, спирт), той реагира с кислорода и връща електроните. Бариерата пада и съпротивлението пада. Зависимостта е степенна, т.е. в логаритмична скала е права. Затова сензорът усеща и няколко ppm, и няколко хиляди.
Сензорът е горе в делител с товарен резистор R_L. Колкото повече газ, толкова по-малко Rs и толкова по-високо напрежение. Компаратор пали алармата над праг. Тук прагът съответства на 50 ppm CO, т.е. 1,38 V. Във въздуха има CO 0 ppm и спирт 0 ppm: сензорът е 200 kΩ, а изходът е 0,238 V – алармата мълчи.
Каталожната крива на сензора
CO етанол (спирт)
В лог-лог скала кривите са почти прави – степенна зависимост. Пусни разлята ракия: 80 ppm спирт свалят съпротивлението повече, отколкото 50 ppm CO, и алармата пищи, макар да няма никаква опасност. Сензорът вижда само колко пада съпротивлението, а не кой газ го сваля. Затова детекторите на CO в домовете са по-често електрохимични, а MOX се ползва там, където лъжливата аларма не е беда, или в електронен нос: няколко различни MOX сензора и алгоритъм, който разпознава газа по „подписа“ от всичките.
Другите видове
| Вид | Принцип | Плюсове | Минуси / приложение |
|---|---|---|---|
| Полимерни (фталоцианини) | p-тип полупроводник, проводимостта се мени от газа | термично и химически устойчиви | влияе им кислородът |
| Каталитични (пелистори) | Pt намотка в оксид с Pt/Pd катализатор; газът изгаря и я загрява → R расте | прости | взривоопасни газове в индустрията |
| Електрохимични | анод и катод с реакция; потенциометрични (U при ток ≈ 0) и амперометрични (ток ~ концентрация); с твърд електролит ZrO₂ над 300 °C | универсални, селективни | ламбда сондата в колата (O₂), котли, металургия |
| Оптични | газът поглъща или разсейва светлина: LED/лазер + фотоприемник, IR, UV и Раман спектроскопия, плазмонен резонанс | най-висока селективност | най-скъпи |
| Гравиметрични | залепналите молекули правят пиезокристала по-тежък → честотата пада | чисто физичен, без реакция | лабораторни |
| MOS структури | гейт от Pd, Pt, Ni; газът мести праговото напрежение | интегрируеми | детектори на водород |
Оптичният (NDIR) сензор за CO₂
Всеки газ поглъща инфрачервена светлина на свои дължини на вълната, като отпечатък. CO₂ поглъща при 4,26 μm. Лампа свети в кювета с въздух, на другия край има филтър за 4,26 μm и детектор. Колкото повече CO₂, толкова по-малко светлина стига, по закона на Ламберт–Беер. Другите газове не поглъщат там, затова сензорът е селективен: мери точно CO₂.
Слабото място е лампата. С времето свети по-слабо, а това изглежда точно като повече CO₂. Затова до активния има опорен канал при 3,9 μm, където нищо не поглъща. Той вижда само лампата и делението на двата канала маха остаряването.
В класната стая има 1200 ppm – време е да се проветри. Лампата е отслабнала с 0 %. Само с активния канал сензорът показва 1200 ppm, а с опорния – 1200 ppm.
Какво показва сензорът
само активен канал с опорен канал
Без опорния канал 10 % по-слаба лампа добавят около 1000 ppm, т.е. колкото цял клас деца за час. С опорния канал показанието не мърда. Чистият въздух навън е около 420 ppm, над 1000 ppm в стаята е време да се проветри.
Самопроверка
1. Защо MOX сензорът трябва да е нагрят?
Реакцията между газа и залепналия по повърхността кислород става бързо и обратимо само при 200–500 °C; при стайна температура сензорът е бавен и „залепва“.
2. Какво значи ниска селективност и защо е проблем за детектора на CO?
Сензорът реагира на много газове – спирт, метан, водород сваля съпротивлението като CO. Детекторът дава лъжлива аларма.
3. Как работи NDIR сензорът и защо е селективен?
Мери колко инфрачервена светлина при 4,26 μm поглъща газът (Ламберт–Беер). На тази дължина на вълната поглъща само CO₂.
4. За какво служи опорният канал?
Вижда само лампата (дължина на вълната без поглъщане); делението на двата канала маха остаряването на лампата и замърсяването на оптиката.
5. Какво мери ламбда сондата и какъв сензор е?
Кислорода в изгорелите газове на колата; електрохимичен сензор с твърд електролит ZrO₂ (над 300 °C).