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1、2020/9/1,1,章文斌,氣體傳感器簡介及其發(fā)展趨勢,氣體傳感器簡介及其發(fā)展趨勢,,2氣體傳感器的分類及常用傳感器的工作原理,1前言,3氣體傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢,氣體傳感器是用來檢測氣體的成份和含量的傳感器。一般認(rèn)為，氣體傳感器是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電信號的轉(zhuǎn)換器。探測頭通過氣體傳感器對氣體樣品進(jìn)行調(diào)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。 1964年，由Wickens和Hatman利用氣體在電極上的氧化還原反應(yīng)研制出了第一個氣敏傳感器，1982年英國Warwick大學(xué)的Persaud等提出了利用氣敏傳感器模擬動物嗅覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1，自此后氣體傳感器飛速發(fā)展

2、，應(yīng)用于各種場合，比如氣體泄漏檢測，環(huán)境檢測、樣品采集、數(shù)據(jù)處理等。 現(xiàn)在各國研究主要針對的是有毒性氣體和可燃燒性氣體，研究的主要方向是如何提高傳感器的敏感度和工作性能、惡劣環(huán)境中的工作時間以及降低成本和智能化等。,1前言,,2氣體傳感器的分類及常用傳感器的工作原理,氣體傳感器主要有半導(dǎo)體傳感器（電阻型和非電阻型）、絕緣體傳感器（接觸燃燒式和電容式）、電化學(xué)式（恒電位電解式、伽伐尼電池式），還有紅外吸收型、石英振蕩型、光纖型、熱傳導(dǎo)型、聲表面波型、氣體色譜法等。 下面集中介紹幾種常用傳感器的工作原理優(yōu)缺點(diǎn)及其發(fā)展趨勢。,2.1半導(dǎo)體氧化物型氣體傳感器,半導(dǎo)體氧化物型氣體傳感器是利用一些金屬氧

3、化物半導(dǎo)體材料，在一定溫度下，電導(dǎo)率隨著環(huán)境氣體成份的變化而變化的原理制造的。,由Seiyama T在1962年首先報道的2，利用ZnO薄膜的表面電導(dǎo)在氣體中的變化來檢測可燃性氣體。同年，田口尚義發(fā)明了二氧化錫基氣體傳感器3，并通過貴金屬摻雜大幅度地提高了對可燃性氣體的靈敏度4，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。雖然后來開發(fā)了一些新型半導(dǎo)體氧化物氣體敏感材料，例如，In203、- Fe203、-Fe203、W03和ABO3。等5-9，但由于SnO2具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，商品化的半導(dǎo)體氧化物型傳感器主要是以二氧化錫為基體敏感材料。,優(yōu)點(diǎn)：這種傳感器成本低廉，具有快速、簡便等優(yōu)點(diǎn)。并且適宜于民用氣體檢測的

4、需求。 缺點(diǎn)：這些氧化物半導(dǎo)體的純相是光譜性敏感材料，具有靈敏度低、選擇性不好、穩(wěn)定性較差、且有的電阻大等缺點(diǎn)，同時受環(huán)境影響較大；尤其，每一種傳感器的選擇性都不是唯一的，輸出參數(shù)也不能確定。因此，不宜應(yīng)用于計量準(zhǔn)確要求的場所。,適用氣體：半導(dǎo)體氧化物型氣體傳感器可以有效地用于：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、酒精、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙炔、氯乙烯、苯乙烯、丙烯酸等很多氣體地檢測?？梢詮V泛用于空氣質(zhì)量檢測、食品、香精、香水的質(zhì)量評定及生產(chǎn)過程控制，甲烷（天然氣、沼氣）、酒精、一氧化碳（城市煤氣）、硫化氫、氨氣（包括胺類，肼類）。高質(zhì)量的傳感器完全可以滿足工業(yè)檢測的需要。,目前這種傳感器的主

5、要供應(yīng)商在日本（發(fā)明者），其次是中國，最近有新加入了韓國，其他國家如美國在這方面也有相當(dāng)?shù)墓ぷ鳎鞘冀K沒有匯入主流。 我國流行于市場的半導(dǎo)體式氣體傳感器性能質(zhì)量都遠(yuǎn)遜于日本產(chǎn)品，相信，隨著市場進(jìn)步，民營資本的進(jìn)一步興起，中國產(chǎn)的半導(dǎo)體式氣體傳感器達(dá)到和超越日本水平已經(jīng)指日可待。 目前國內(nèi)的研究趨勢有： 1.材料的納米結(jié)構(gòu)納米化氣敏材料研究 這種結(jié)構(gòu)材料是十分理想的高性能氣體敏感材料，可以從根本上改善、提高氣體傳感器的靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性，解決材料的氣體敏感性。 2.混合體系氧化物氣敏材料 將兩種或兩種以上的氧化物材料復(fù)合成的材料體系，也許是一種具有較好氣體敏感性能的新的氧化物氣敏材料。

6、 3.材料的優(yōu)化設(shè)計 按照使用要求對材料進(jìn)行理論計算，確定為達(dá)到該性能所應(yīng)采用的配方和工藝。,2.2催化燃燒式氣體傳感器,,接觸燃燒式氣體傳感器可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式，其工作原理是的檢測元件一般為鉑金屬絲（也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層），使用時對鉑絲通以電流，保持300400的高溫，此時若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會在稀有金屬催化層上燃燒，因此，鉑絲的溫度會上升，鉑絲的電阻值也上升；通過測量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。,,催化燃燒式氣敏傳感器電路原理： F1是氣敏元件，F(xiàn)2是溫度補(bǔ)償元件，F(xiàn)1，F(xiàn)2均為白金電阻絲。Fl，F(xiàn)2與R3，R4組成惠斯登電橋

7、，當(dāng)不存在可燃性氣體時，電橋處于平衡狀態(tài)。當(dāng)存在可燃性氣體時，F(xiàn)1的電阻產(chǎn)生增量R，電橋失去平衡，輸出與可燃性氣體特征參數(shù)（如濃度）成比例的電信號。,普遍適用于石油化工廠、造船廠、礦井隧道和浴室廚房的可燃性氣體的監(jiān)測和報警。該傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對處于爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測。,優(yōu)點(diǎn)：催化燃燒式氣體傳感器對氣體選擇性好，線性好，受溫度、濕度影響下，響應(yīng)快。而且計量準(zhǔn)確，響應(yīng)快速，壽命較長。傳感器的輸出與環(huán)境的爆炸危險直接相關(guān)，在安全檢測領(lǐng)域是一類主導(dǎo)地位的傳感器。 缺點(diǎn)：在可燃性氣體范圍內(nèi)，無選擇性。暗火工作，有引燃爆炸的危險。大部分元素有機(jī)蒸汽對傳感器都有中毒作用。同

8、時對低濃度的可燃性氣體的氣體敏感度低，敏感元件受到催化劑的侵害后其特性銳減，金屬絲易斷。,目前這種傳感器的主要供應(yīng)商在中國、日本、英國（發(fā)明國）。目前中國是這種傳感器的最大用戶（煤礦），也擁有最佳的傳感器生產(chǎn)技術(shù)，盡管不斷有各種各樣的代理商在宣傳上干擾社會對這種傳感器的認(rèn)識，但是畢竟，催化燃燒式氣體傳感器的主流制造商在國內(nèi)。,2.3電化學(xué)式氣體傳感器,,2.3.2各種傳感器的工作原理,2.3.3發(fā)展方向,上述的傳感器大都是以水溶液作為電解質(zhì)溶液的，它有以下幾點(diǎn)問題： （1）、電解液的蒸發(fā)或污染常會導(dǎo)致傳感器信號衰降，使用壽命短（一般來說，電化學(xué)傳感器的壽命只有一年左右，最長不過兩年）； （2）

9、、催化劑長期與電解液直接接觸，反應(yīng)的有效區(qū)域，即氣、液、固三相界面容易發(fā)生移動，會使催化活性降低； （3）、在干燥的氣氛中，特別是在通氣條件下，傳感器中的電解液很容易失水而干涸，致使傳感器失效； （4）、存在漏液、腐蝕電子線路等問題； （5）、為了保證傳感器有一定的使用壽命，電解液的用量不能太少，因此限制了該類傳感器的微型化。 因此，隨著人們對電化學(xué)傳感器的進(jìn)一步研究和深入發(fā)展，電化學(xué)氣體傳感器研究將向如下方向發(fā)展：高靈敏度、高穩(wěn)定性、長使用壽命、便攜式、微型化、智能化。可以斷言，電化學(xué)傳感器的明天必將海闊天空。,2.6光纖氣體傳感器,光纖氣體傳感器是80年代后期出現(xiàn)的一種新型傳感器。經(jīng)過二十

10、多年的發(fā)展，它己應(yīng)用在社會生活的許多方面：工業(yè)氣體在線監(jiān)測、有害氣體分析、環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測和爆炸氣體檢測以及對火山噴發(fā)氣體的分析28-32。工業(yè)上的需要和人們對環(huán)境的關(guān)注使得光纖氣體傳感器的發(fā)展非常迅速。有資料表明，美國1996年一2002年光纖氣體傳感器年均增長率為27%-30%，而我國對光纖傳感器的市場需求也很大。,1光譜吸收型氣體傳感器 光譜吸收型氣體傳感器是最重要，也是最簡單的一類光纖氣體傳感器。它利用氣體的吸收光譜因氣體分子化學(xué)結(jié)構(gòu)、濃度和能量分布差異產(chǎn)生的不同進(jìn)行檢測，從而具有了選擇性、鑒別性和氣體含量的唯一確定性等特點(diǎn)。,2基于折射率變化型傳感器 在裸露纖芯表面或是端面涂敷一層

11、與氣體作用時折射率會發(fā)生變化的特殊材料，可引起波導(dǎo)的參數(shù)變化，如損耗、有效折射率、雙折射等，運(yùn)用強(qiáng)度模式或干涉等方法檢測參數(shù)變化量就可實(shí)現(xiàn)對氣體的成分和含量進(jìn)行分析35。,2.4紅外線氣體傳感器,當(dāng)某物質(zhì)受到紅外光束照射時，該物質(zhì)的分子就要吸收一部分能量并將其轉(zhuǎn)換為分子的振動和轉(zhuǎn)動能量，同一種物質(zhì)對不同波長的紅外輻射吸收程度不同，如果將不同波長的紅外輻射按順序通過某物質(zhì)，逐一測量其吸收程度，并記錄下來，就得到該物質(zhì)在測定波長范圍內(nèi)的吸收光譜曲線。,,由光學(xué)部件和測量電路構(gòu)成，測量電路的結(jié)構(gòu)由光學(xué)部件及系統(tǒng)功能決定,使用廣譜光源光譜覆蓋波長從1m到1520m,用于檢測通過氣室的紅外光能,抽取式測

12、量的紅外儀器需要?dú)馐?在線紅外氣體分析器常用的有五種類型：薄膜微音紅外氣體分析器，微流量紅外氣體分析器；氣體濾波相關(guān)紅外氣體分析器，半導(dǎo)體紅外氣體分析器，傅立葉紅外氣體分析器。 這種傳感器過去都是大型的分析儀器，但是近些年，隨著以MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)Micro-Electro-Mechanical Systems的英文縮寫）技術(shù)為基礎(chǔ)的傳感器工業(yè)的發(fā)展，這種傳感器的體積已經(jīng)由10升，45公斤的巨無霸，減小到2毫升（拇指大小）左右。使用無需調(diào)制光源的紅外探測器使得儀器完全沒有機(jī)械運(yùn)動部件，完全實(shí)現(xiàn)免維護(hù)化。 紅外線氣體傳感器可以有效地分辨氣體的種類，準(zhǔn)確測定氣體濃度。這種傳感器成功的用于

13、：二氧化碳、甲烷的檢測。目前這種“傳感器”的供應(yīng)商在歐洲，中國在這一領(lǐng)域目前是“半”空白。,2.5磁性氧氣傳感器,這是磁性氧氣分析儀的核心，但是目前也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“傳感器化”進(jìn)程。它是利用空氣中的氧氣可以被強(qiáng)磁場吸引的原理制備的。 這種傳感器只能用于氧氣的檢測，選擇性極好。大氣環(huán)境中只有氮氧化物能夠產(chǎn)生微小的影響，但是由于這些干擾氣體的含量往往很少，所以，磁氧分析技術(shù)的選擇性幾乎是唯一的。 老牌工業(yè)產(chǎn)品，全世界各地都有制造商。,3漸逝場光纖氣體傳感器 光在光密介質(zhì)/光疏介質(zhì)界面發(fā)生全反射時，并不是全部的光都反射回去了，而是在光疏介質(zhì)中存在強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減的漸逝場，其透射深度一般約為幾個波

14、長。光波導(dǎo)在光纖芯中傳播時，包層中也存在以光軸為中心，向兩側(cè)迅速衰減的漸逝波。如果在漸逝場區(qū)域存在吸收介質(zhì)(被測氣體或燃料指示劑)，則全反射光能量減少，通過測量光能的衰減量就可以計算出氣體的濃度。,4光纖熒光氣體傳感器 熒光物質(zhì)受特定波長激勵光照射時，會產(chǎn)生波長大于激勵波長的熒光，其波長差稱為strokes位移。氣體分子與某些熒光物質(zhì)相互作用，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度下降和熒光壽命減短，相應(yīng)有兩種傳感機(jī)理:一是測量熒光的強(qiáng)度變化量;二是測量熒光的壽命變化量。,光纖傳感技術(shù)是一個綜合交叉的新興探測技術(shù)。光源的發(fā)展、新型特殊光纖的研制技術(shù)和探測方法的改進(jìn)，都將極大地推動光纖氣體傳感器的發(fā)展。光纖氣體傳感器

15、的發(fā)展趨勢主要有四個方面:小型化、遠(yuǎn)距離實(shí)時監(jiān)控、多點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)化和多氣體成分探測。 光纖氣體傳感器具有小型化，耐高溫，抗腐蝕，成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用在工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)應(yīng)用、可燃性氣體及毒性氣體的實(shí)時監(jiān)控等領(lǐng)域。特別是在一些惡劣環(huán)境下，光纖氣體傳感器表現(xiàn)出其它傳感器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，顯示出其巨大應(yīng)用前景和市場潛力。,3氣體傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢,氣體傳感器和其它傳感器一樣，特別是在新材科，新結(jié)構(gòu)等方面的研究進(jìn)展很快。當(dāng)前研究的重點(diǎn)除了提高元件的靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性之外，還集中解決降低功耗，提高一致性等問題，目前已得到迅猛發(fā)展。這幾年作為研究開發(fā)的技術(shù)動向有： (1)開展新材料研究，并通過控制材料的微細(xì)結(jié)構(gòu)來提高元件的靈敏度、選擇性并采用新型的元件結(jié)構(gòu)，大大地降低氣體傳感器的功耗，并提高了元件的一致性; (2)通過對單一或多個敏感元件輸出信號微機(jī)處理提高氣體的識別能力; (3)以污染地球環(huán)境的各種氣體為對象，進(jìn)行有關(guān)氣體傳感器的特性改善研究; (4)以多種臭味成分為檢測對象的新型敏感材料及傳感器的開發(fā)。,