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一文讀懂氣體傳感器的特性、分類(lèi)與應用 氣體傳感器是一種將某種氣體體積分數轉化成對應電信號的轉換器。探測頭通過(guò)氣體傳感器對氣體樣品進(jìn)行調理，通常包括濾除雜質(zhì)和干擾氣體、干燥或制冷處理儀表顯示部分 從工作原理、特性分析到測量技術(shù)，從所用材料到制造工藝，從檢測對象到應用領(lǐng)域，都可以構成獨立的分類(lèi)標準，衍生出一個(gè)個(gè)紛繁龐雜的分類(lèi)體系，尤其在分類(lèi)標準的問(wèn)題上目前還沒(méi)有統一，要對其進(jìn)行嚴格的系統分類(lèi)難度頗大。接下來(lái)了解一下氣體傳感器的主要特性： 氣體傳感器的特性 1、穩定性 穩定性是指傳感器在整個(gè)工作時(shí)間內基本響應的穩定性，取決于零點(diǎn)漂移和區間漂移。零點(diǎn)漂移是指在沒(méi)有目標氣體時(shí)，整個(gè)工作時(shí)間內傳感器輸出響應的變化。區間漂移是指傳感器連續置于目標氣體中的輸出響應變化，表現為傳感器輸出信號在工作時(shí)間內的降低。理想情況下，一個(gè)傳感器在連續工作條件下，每年零點(diǎn)漂移小于10%。 2、靈敏度 靈敏度是指傳感器輸出變化量與被測輸入變化量之比，主要依賴(lài)于傳感器結構所使用的技術(shù)。大多數氣體傳感器的設計原理都采用生物化學(xué)、電化學(xué)、物理和光學(xué)。首先要考慮的是選擇一種敏感技術(shù)，它對目標氣體的閥限制（TLV-thresh-oldlimitvalue）或最低爆炸限（LEL-lowerexplosivelimit）的百分比的檢測要有足夠的靈敏性。 3、選擇性 選擇性也被稱(chēng)為交叉靈敏度�？梢酝ㄟ^(guò)測量由某一種濃度的干擾氣體所產(chǎn)生的傳感器響應來(lái)確定。這個(gè)響應等價(jià)于一定濃度的目標氣體所產(chǎn)生的傳感器響應。這種特性在追蹤多種氣體的應用中是非常重要的，因為交叉靈敏度會(huì )降低測量的重復性和可靠性，理想傳感器應具有高靈敏度和高選擇性。 4、抗腐蝕 性抗腐蝕性是指傳感器暴露于高體積分數目標氣體中的能力。在氣體大量泄漏時(shí)，探頭應能夠承受期望氣體體積分數10~20倍。在返回正常工作條件下，傳感器漂移和零點(diǎn)校正值應盡可能小。氣體傳感器的基本特征，即靈敏度、選擇性以及穩定性等，主要通過(guò)材料的選擇來(lái)確定。選擇適當的材料和開(kāi)發(fā)新材料，使氣體傳感器的敏感特性達到最優(yōu)。 氣體傳感器的分類(lèi) 半導氣體傳感器 這種類(lèi)型的傳感器在氣體傳感器中約占60%，根據其機理分為電導型和非電導型，電導型中又分為表面型和容積控制型。 （1 ） SnO2半導體是典型的表面型氣敏元件，其傳感原理是SnO2為n 型半導體材料。當施加電壓時(shí)，半導體材科溫度升高，被吸附的氧接受了半導體中的電子形成了O2或O2原性氣體H2、CO、CH4存在時(shí)，使半導體表面電阻下降，電導上升，電導變化與氣體濃度成比倒。NiO為p型半導體，氧化性氣體使電導下降，對O2敏感。ZnO半導體傳感器也屬于此種類(lèi)型。 半導體氣體傳感器 a. 電導型的傳感器元件分為表面敏感型和容積控制型，表面敏感型傳感材料為SnO2+Pd 、ZnO十Pt 、AgO、V 205 、金屬酞青、Pt —SnO2。 表面敏感型氣體傳感器可檢測氣體為各種可燃性氣體C0、NO2、 氟利昂。傳感材料Pt —SnO2 的氣體傳感器可檢測氣體為可燃性氣體CO、H2、CH4 。 b. 容積控制型傳感材料為Fe2O8、la1-SSrxCOO8 和TiO2、CoO-MgO —SnO2體傳感器可檢測氣體為各種可燃性氣體CO、NO2 氟利昂。。傳感材料Pt —SnO2 容積控制型半導體氣體傳感器可檢測氣體為液化石油氣、酒精、空燃比控制、燃燒爐氣尾氣。 （2） 容積控制型的是晶格缺陷變化導致電導率變化，電導變化與氣體濃度成比例關(guān)系。 Fe2O8、TiO2屬于此種，對可燃性氣體敏感。 （3） 熱線(xiàn)性傳感器，是利用熱導率變化的半導體傳感器，又稱(chēng)熱線(xiàn)性半導體傳感器，是在Pt 絲線(xiàn)圈上涂敷SnO2層，Pt絲除起加熱作用外，還有檢測溫度變化的功能。施加電壓半導體變熱，表面吸氧，使自由電子濃度下降，可燃性氣體存在時(shí)，由于燃燒耗掉氧自由電子濃度增大，導熱率隨自由電子濃度增加而增大，散熱率相應增高，使Pt 絲溫度下降，阻值減小，P t絲阻值變化與氣體濃度為線(xiàn)性關(guān)系。 這種傳感器體積小、穩定、抗毒，可檢測低濃度氣體，在可燃氣體檢測中有重要作用。 （ 4） 非電導型的FET場(chǎng)效應晶體管氣體傳感器，Pd —FET．場(chǎng)效應晶體管傳感器，利用Pd 吸收H z 并擴散達到半導體Si 和Pd的界面，減少Pd 的功函，這種對H2、CO敏感。非電導型FET場(chǎng)效應晶體管氣體傳感器體積小，便于集成化，多功能，是具有發(fā)展前途的氣體傳感器。 固體電解質(zhì)氣體傳感器 這種傳感器元件為離子對固體電解質(zhì)隔膜傳導，稱(chēng)為電化學(xué)池，分為陽(yáng)離子傳導和陰離子傳導，是選擇性強的傳感器，研究較多達到實(shí)用化的是氧化鋯固體電解質(zhì)傳感器，其機理是利用隔膜兩側兩個(gè)電池之間的電位差等于濃差電池的電勢。穩定的氧化鉻固體電解質(zhì)傳感器已成功地應用于鋼水中氧的測定和發(fā)動(dòng)機空燃比成分測量等。 為彌補固體電解質(zhì)導電的不足，近幾年來(lái)在固態(tài)電解質(zhì)上鍍一層氣敏膜，把圍周環(huán)境中存在的氣體分子數量和介質(zhì)中可移動(dòng)的粒子數量聯(lián)系起來(lái)。 接觸燃燒式氣體傳感器 接觸燃燒式傳感器適用于可燃性氣H2、CO、CH4的檢測�？扇細怏w接觸表面催化劑 Pt 、Pd 時(shí)燃燒、破熱，燃燒熱與氣體濃富有關(guān)。這類(lèi)傳感器的應用面廣、體積小、結構簡(jiǎn)單、穩定性好，缺點(diǎn)是選擇性差。 電化學(xué)氣體傳感器 電化學(xué)方式的氣體傳感器常用的有兩種 （ 1 ）恒電位電解式傳感器 是將被測氣體在特定電場(chǎng)下電離，由流經(jīng)的電解電流測出氣體濃度，這種傳感器靈敏度高，改變電位可選擇的檢洌氣體，對毒性氣體檢測有重要作用。 （ 2） 原電池式氣體傳感器 在KOH電解質(zhì)溶液中，Pt —Pb或Ag —Pb 電極構成電池，已成功用于檢測O2，其靈敏度高，缺點(diǎn)是透水逸散吸潮，電極易中毒。 光學(xué)氣體傳感器 （ 1 ）直接吸收式氣體傳感器 紅外線(xiàn)氣體傳感器是典型的吸收式光學(xué)氣體傳感器，是根據氣體分別具有各自固有的光譜吸收譜檢測氣體成分，非分散紅外吸收光譜對SO2、CO、CO2、NO等氣體具有較高的靈敏度。 另外紫外吸收、非分散紫外線(xiàn)吸收、相關(guān)分光、二次導數、自調制光吸收法對NO、NO2、SO2、烴類(lèi)（ CH4） 等氣體具有較高的靈敏度。 （ 2）光反應氣體傳感器 光反應氣體傳感器是利用氣體反應產(chǎn)生色變引起光強度吸收等光學(xué)特性改變，傳感元件是理想的，但是氣體光感變化受到限制，傳感器的自由度小。 （ 3 ）氣體光學(xué)特性的新傳感器 光導纖維溫度傳感器為這種類(lèi)型，在光纖頂端涂敷觸媒與氣體反應、發(fā)熱。溫度改變，導致光纖溫度改變。利用光纖測溫已達到實(shí)用化程度，檢測氣體也是成功的。 此外，利用其它物理量變化測量氣體成分的傳感器在不斷開(kāi)發(fā)，如聲表面波傳感器檢測SO2、NO2、H2S、NH3、H2 等氣體也有較高的靈敏度。 選用技巧 有害氣體檢測的氣體傳感器的一大作用，有害氣體的檢測有兩個(gè)目的，第一是測爆，第二是測毒。所謂測爆是檢測危險場(chǎng)所可燃氣含量，超標報警，以避免爆炸事故的發(fā)生;測毒是檢測危險場(chǎng)所有毒氣體含量，超標報警，以避免工作人員中毒。 有害氣體有三種情況第一、無(wú)毒或低毒可燃，第二、不燃有毒，第三、可燃有毒。針對這三種不同的情況，一般我們選擇傳感器需要選擇不同的氣體傳感器。例如測爆選擇可燃氣體檢測報警儀，測毒選擇有毒氣體檢測報警儀等。其次我們需要選擇氣體傳感器的類(lèi)型，一般有固定式和便攜式。生產(chǎn)或貯存崗位長(cháng)期運行的泄漏檢測選用固定式氣體傳感器;其他象檢修檢測、應急檢測、進(jìn)入檢測和巡回檢測等選用便攜式氣體傳感器。 氣體傳感器類(lèi)型有成百上千種，針對不同的氣體傳感器可能有不同的選用技巧，客戶(hù)在選擇氣體傳感器的時(shí)候如果自己不是很清楚可以咨詢(xún)傳感器廠(chǎng)家的技術(shù)人員，讓他們?yōu)槟氵x擇合適的氣體傳感器，或者請傳感器技術(shù)人員上面勘察以便更好的選擇氣體傳感器。 氣體傳感器的應用 應用于建設環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)。氣體傳感器在有毒、可燃、易爆、二氧化碳等氣體探測領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用，環(huán)境問(wèn)題一直是全國乃至全世界最關(guān)心的話(huà)題之一，人類(lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境一直在遭受著(zhù)嚴重的破壞，如何保護環(huán)境就需要建立環(huán)境監管機制，建設物聯(lián)網(wǎng)成為必要，而氣體傳感器作為環(huán)境檢測的必備傳感器將有助于建設環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)。 傳感器是物聯(lián)網(wǎng)最核心和最基礎的環(huán)節，是各種信息和人工智能的橋梁，其技術(shù)領(lǐng)域中重要門(mén)類(lèi)之一的氣體傳感器，橫跨功能材料、電子陶瓷、光電子元器件、MEMS技術(shù)、納米技術(shù)、有機高分子等眾多基礎和應用學(xué)科。高性能的氣體傳感器能大大提高信息采集、處理、深加工水平，提高實(shí)時(shí)預測事故的準確性，不斷消除事故隱患，大幅度減少事故特別是重大事故的發(fā)生。能有效實(shí)現安全監察和安全生產(chǎn)監督管理的電子化，變被動(dòng)救災為主動(dòng)防災，使安全生產(chǎn)向科學(xué)化管理邁進(jìn)。 以下課程可免費試聽(tīng)C語(yǔ)言、電子、PCB、STM32、Linux、FPGA、JAVA、安卓等。 想學(xué)習的你和我聯(lián)系預約就可以免費聽(tīng)課了。 宋工企鵝號：3524-6590-88 Tel/WX：173--1795--1908 |
