Classificação e princípio do sensor de dióxido de carbono

Classificação e princípio do sensor de dióxido de carbono

O dióxido de carbono é um gás incolor e inodoro, sendo um dos componentes importantes da atmosfera. Como principal reagente da fotossíntese, sua concentração está diretamente relacionada à eficiência fotossintética das culturas, determinando seu crescimento, desenvolvimento, maturação, resistência ao estresse, qualidade e produtividade. No entanto, concentrações excessivamente altas não só produzem diversos efeitos, como o efeito estufa, mas também representam um risco para a saúde humana. Pessoas com concentrações de 0,3% podem sentir dores de cabeça intensas e tonturas entre 4% e 5%. Ambientes internos, especialmente em salas com ar-condicionado, são relativamente fechados. A falta de ventilação prolongada leva ao aumento gradual da concentração de dióxido de carbono, o que é prejudicial à saúde. De acordo com o padrão de qualidade do ar interior implementado em 2003, o valor padrão da fração volumétrica média diária de dióxido de carbono não deve ultrapassar 0,1%. Com o desenvolvimento contínuo da ciência e da tecnologia, a melhoria dos padrões de vida das pessoas e a crescente ênfase na proteção ambiental, o monitoramento e o controle quantitativos do dióxido de carbono tornaram-se uma necessidade cada vez maior. Os sensores de dióxido de carbono têm uma ampla gama de aplicações em diversos campos, como indústria, agricultura, defesa nacional, medicina e saúde, proteção ambiental e aeroespacial.

Permita-me apresentar o princípio de funcionamento do sensor de dióxido de carbono . Qualquer substância possui seu espectro de emissão característico e o espectro de absorção correspondente, assim como as moléculas de dióxido de carbono. A vibração da rede cristalina do material cerâmico exerce um efeito obstrutivo sobre o movimento dos elétrons. À medida que a temperatura aumenta, a vibração da rede se intensifica e a amplitude aumenta, o que dificulta a intensificação da ação dos elétrons. De acordo com a teoria da absorção seletiva de gases, quando o comprimento de onda de emissão da fonte de luz coincide com o comprimento de onda de absorção do gás, ocorre a absorção ressonante, e a intensidade da absorção está relacionada à concentração do gás. A concentração do gás pode ser medida pela medição da intensidade de absorção da luz. Atualmente, existem muitos tipos de sensores de dióxido de carbono. Com base em seus princípios, eles são divididos em sensores de condutividade térmica, densímetros, de absorção por radiação, de condutividade, de absorção química, de eletroquímica, de cromatografia, de espectrometria de massa e de infravermelho. Sensores ópticos, entre outros, utilizam a absorção por infravermelho para detectar o dióxido de carbono. O sensor de dióxido de carbono por absorção infravermelha baseia-se no princípio de que o espectro de absorção do gás varia de acordo com a substância. O sensor de dióxido de carbono controla a lâmpada infravermelha interna para emitir luz infravermelha de comprimento de onda fixo através do circuito de acionamento. Após a absorção do gás a ser medido, a amplitude da luz infravermelha se altera, e a concentração do gás é calculada pela detecção dessa alteração. Ou seja, o sinal de saída do sensor é filtrado, amplificado e convertido por um conversor analógico-digital (ADC), sendo então enviado ao microprocessador. O sistema de microprocessador realiza o processamento de compensação de temperatura e pressão correspondente, de acordo com os valores coletados, e finalmente calcula o valor da concentração de dióxido de carbono a ser medida, enviando-o para o equipamento de exibição. Existem principalmente tecnologias de espectroscopia de absorção por laser de diodo sintonizável, espectroscopia fotoacústica, espectroscopia de cavidade ressonante e espectroscopia infravermelha não dispersiva. Os sensores de absorção infravermelha apresentam diversas vantagens, como alta sensibilidade, velocidade de análise e boa estabilidade.

O sensor eletroquímico de dióxido de carbono é um tipo de sensor químico que converte a concentração (ou pressão parcial) de dióxido de carbono em um sinal elétrico por meio de uma reação eletroquímica. De acordo com o sinal elétrico detectado, os sensores eletroquímicos são divididos em tipo potencial, tipo corrente e tipo capacitivo. De acordo com a forma do eletrólito, existem eletrólitos líquidos e eletrólitos sólidos. Desde a década de 1970 até hoje, os sensores de dióxido de carbono com eletrólito sólido têm recebido a atenção da maioria dos pesquisadores científicos. O princípio do sensor de dióxido de carbono com eletrólito sólido é que o material sensível ao gás gera íons ao passar pelo gás, formando assim uma força eletromotriz, e a medição dessa força eletromotriz permite medir a fração volumétrica do gás. O uso de dióxido de carbono e outros gases para fabricar um sensor de dióxido de carbono do tipo condutividade térmica também foi o primeiro sensor a detectar dióxido de carbono. No entanto, sua sensibilidade é baixa. O sensor de gás de onda acústica de superfície reveste um cristal piezoelétrico com um filme sensível a gases que adsorve seletivamente um determinado gás. Quando o filme sensível a gases interage com o gás a ser medido, a qualidade e a adesão do filme, bem como alterações em propriedades como elasticidade e condutividade elétrica, causam a variação da frequência da onda acústica de superfície do cristal piezoelétrico, permitindo a detecção da concentração do gás. O sensor de gás por onda acústica de superfície é um tipo de sensor sensível à massa. Além disso, o sensor de gás por microbalança de cristal de quartzo possui um princípio de funcionamento semelhante ao do sensor de onda acústica de superfície, sendo também um sensor sensível à massa. O sensor sensível à massa em si não possui seletividade para gases ou vapores, e sua seletividade como sensor químico depende exclusivamente da natureza do material de revestimento da superfície. Sensores de dióxido de carbono semicondutores utilizam semicondutores como sensores de gás. Os sensores de dióxido de carbono semicondutores de óxido metálico caracterizam-se por resposta rápida, alta resistência ambiental e estrutura estável.

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