１ 概述
TGS4160二氧化碳传感器是ＦＩＧＡＲＯ（弗加罗）公司出产的固态电化学型气体灵敏元件。这种二氧化碳传感器除具有体积小、寿命长、挑选性和安稳性好等特色外，一起还具有耐高湿低温的特性可广泛用于主动通风换气体系或是ＣＯ２气体的长时刻监测等运用场合。可是，因为TGS4160的预热时刻较长（一般为２小时），所以，该器材比较适合于在室温下长时刻通电接连作业。此外，为了便利客户运用，ＦＩ-ＧＡＲＯ公司还专门规划了带温度补偿的传感器处理模块ＡＭ－４。该模块选用微处理器进行操控，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，并有中继转接操控口，可输出高、低两种门限信号以供外接操控运用。TGS4160传感器的首要技术参数如下：
●丈量规模：０～５０００ｐｐｍ；
●运用寿命：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％；
●运用温度：－１０～＋５０℃
●运用湿度５～９５％ＲＨ；
●产品尺度：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灵敏元件。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资料制成，而阳极仅仅镀金资料。该灵敏元件的基衬是用对苯二酯聚乙烯和玻璃纤维加固，然后选用不锈钢网做圆柱型封装。元件的内层选用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意图不锈钢网。为了到达下降搅扰气体影响的意图，TGS4160在表里两层不锈钢网之间还填充有吸附资料（沸石）。传感器的６个引脚经过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经过该电阻勘探环境温度，以便对该传感器进行温度补偿，从而使校正后的丈量值愈加精确。
３ 作业原理
TGS4160型ＣＯ２传感器是一种电化学型气体的灵敏元件，当该元件暴露在ＣＯ２气体环境中时，就会发生电化学反响。其反响式如下：
阴极反响方程：
４Ｌｉ＋＋２ ＣＯ２＋Ｏ２＋４ｅ－＝２Ｌｉ２ＣＯ３
阳极反响方程：
４Ｎａ＋＋Ｏ２ ＋４ｅ－＝２Ｎａ２Ｏ
总的化学反响方程：
Ｌｉ２ＣＯ３＋２Ｎａ＋＝Ｎａ２Ｏ＋２Ｌｉ＋＋ＣＯ２
作为电化学反响的成果，依据耐斯特方程（Ｎｅｒｎｓｔ），该进程将发生如下电势（ＥＭＦ）：
ＥＭＦ＝Ｅｃ－（ＲＦ）／（２Ｆ）ｌｎ（ＰＣＯ２ ）
式中：ＰＣＯ２ 为ＣＯ２的分压；Ｅｃ为常数；Ｒ是气体常数； Ｔ为温度值（Ｋ）；Ｆ是法拉第常数。
从上式看出，经过监测Ｓ（＋）、Ｓ（－）两个电极之间所发生的电势值ＥＭＦ，就能够丈量ＣＯ２的浓度值。为了使该传感器坚持在最灵敏的温度上，一般需要给加热器供给加热电压进行加热，但加热电压的改变将直接影响传感器的安稳性，因而加热电压有必要安稳，其规模应在５．０±０．２ＶＤＣ之内。为了确保ＣＯ２的精确丈量，除了确保加热电压安稳及对环境温度的改变进行温度补偿外，更首要的是要丈量两电极之间改变的电势值ΔＥＭＦ，而不是肯定电势值ＥＭＦ，因为ΔＥＭＦ与ＣＯ２浓度改变之间有一个较好的线性关系。尽管ＥＭＦ肯定值随环境温度的上升而上升，ΔＥＭＦ却坚持常量，并且它在－１０℃～＋５０℃温度规模内，根本不受温度的影响。
图2
ΔＥＭＦ值可由下式求得：
ΔＥＭＦ＝ＥＭＦ１－ＥＭＦ２
其间，ＥＭＦ１为３５０ｐｐｍ的ＣＯ２中的ＥＭＦ值；ＥＭＦ２为所丈量的ＣＯ２的ＥＭＦ值。
在温度为２０℃±２℃、湿度为６５±５％ＲＨ、加热电压为５．０±０．０５ＶＤＣ、预热时刻为７天或大于７天的条件下，测得传感器在浓度为３５０ｐｐｍ中的ＥＭＦ值是２２０～４９０ｍＶ，而ΔＥＭＦ在３５０～３５００ｐｐｍ的ＣＯ２浓度中的值是４４～７２ｍＶ，因而在实践丈量运用电路中，要依据传感器的特色要求，除运用高输入阻抗（≥１００ＧΩ）、低偏置电流（≤１ｐＡ）的运算扩大器外，还要对测得的信号进行处理。处理该信号一般有两种计划可供挑选：一是运用费加罗（ＦＩＧＡＲＯ）公司的ＦＩＣ９８６４６专用处理器模块，二是选用其它类型的单片机并经过自己编程进行信号处理。
４ 根本运用
运用TGS4160传感器并经过高输入阻抗、低偏置电流的运放进行扩大，再作一些简略的运算处理，就能够在ＣＯ２浓度为３００～５０００ｐｐｍ的规模内测得信号，该信号为０～几百毫伏的电压信号，能够供高精度Ａ／Ｄ采样运用。假如运用费加罗（ＦＩＧＡＲＯ）公司供给的ＡＭ－４ ＣＯ２传感器模块，则可直接运用于主动通风换气体系或是ＣＯ２气体监测。该模块内部带有Ａ／Ｄ转换器，并已对数据进行了采样并作了处理。它输出的电压信号与ＣＯ２浓度值呈线性关系，输出的电压信号为０～３．０Ｖ，相当于０～３０００ｐｐｍ的ＣＯ２浓度。别的，该模块还供给有中继转接操控信号。当ＣＯ２浓度高于设定值时，输出的转接操控信号为高电平５Ｖ，该信号能够使得红ＬＥＤ点亮；反之，它将转接操控信号为低电平０Ｖ以使绿ＬＥＤ点亮。可是，该模块的设定值是分档的，而不是接连可调的。共分为四档（可经过线路板上的跳线来完成），表１和表２别离给出了门限开关信号的浓度值及跳线衔接办法。ＡＭ－４模块的有用电路原理图见图２所示。
表1 门限信号浓度
操控信号门限
层次开关
Ⅰ800ppm720ppm
Ⅱ1000ppm900ppm
Ⅲ1500ppm1350ppm
Ⅳ2000ppm1800ppm
表2 跳线衔接
连 接 方 式
层次JP5JP6JP7JP8
Ⅰ连连连断
Ⅱ连连断连
Ⅲ连断连连
Ⅳ断连连连
假如以为运用ＡＭ－４模块不便利或是以为价格太高，也能够自行规划电路，并自行编写程序进行处理。
５ 结束语
TGS4160型ＣＯ２传感器特别适合于接连监测ＣＯ２的场所，它不需断电，其安稳性好。但TGS4160传感器不适于做便携式或手持式ＣＯ２丈量仪器。因为预热时刻太长，不能即时丈量，一起传感器的功率也较大。此外，传感器暴露在某些气体中（如氯气）会下降灵敏度，因为沸石能够对某些搅扰气体（如乙醇）加以滤除。因而，不用时可置于干燥剂中，并用专用袋进行密封。
