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                                    新聞資訊

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                                    氣敏傳感器的原理和應用

                                    作者: 長沙諾賽希斯 來源: www.ifda.icu 時間:2019-09-20 14:37 :56
                                      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。探測頭通過氣體傳感器對氣體樣品進行調理,通常包括濾除雜質和干擾氣體、干燥或制冷處理儀表顯示部分。
                                      氣體傳感器是一種將氣體的成份、濃度等信息轉換成可以被人員、儀器儀表、計算機等利用的信息的裝置!氣體傳感器一般被歸為化學傳感器的一類,盡管這種歸類不一定科學
                                      基本信息
                                      “氣體傳感器”包括:半導體氣體傳感器、電化學氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、熱導式氣體傳感器、紅外線氣體傳感器、固體電解質氣體傳感器等。
                                      特性
                                      氣體傳感器是化學傳感器的一大門類。從工作原理、特性分析到測量技術,從所用材料到制造工藝,從檢測對象到應用領域,都可以構成獨立的分類標準,衍生出一個個紛繁龐雜的分類體系,尤其在分類標準的問題上目前還沒有統一,要對其進行嚴格的系統分類難度頗大。接下來了解一下氣體傳感器的主要特性:
                                      1、穩定性
                                      穩定性是指傳感器在整個工作時間內基本響應的穩定性,取決于零點漂移和區間漂移。零點漂移是指在沒有目標氣體時,整個工作時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間內的降低。理想情況下,一個傳感器在連續工作條件下,每年零點漂移小于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,主要依賴于傳感器結構所使用的技術。大多數氣體傳感器的設計原理都采用生物化學、電化學、物理和光學。首先要考慮的是選擇一種敏感技術,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
                                      選擇性也被稱為交叉靈敏度。可以通過測量由某一種濃度的干擾氣體所產生的傳感器響應來確定。這個響應等價于一定濃度的目標氣體所產生的傳感器響應。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,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,主要通過材料的選擇來確定。選擇適當的材料和開發新材料,使氣體傳感器的敏感特性達到最優。
                                      選擇
                                      根據測量對象與測量環境
                                      根據測量對象與測量環境確定傳感器的類型。要進行—個具體的測量工作,首先要考慮采用何種原理的傳感器,這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為,即使是測量同一物理量,也有多種原理的傳感器可供選用,哪一種原理的傳感器更為合適,則需要根據被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題:量程的大小;被測位置對傳感器體積的要求;測量方式為接觸式還是非接觸式;信號的引出方法,有線或是非接觸測量;傳感器的來源,國產還是進口,價格能否承受,還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器,然后再考慮傳感器的具體性能指標。
                                      靈敏度的選擇
                                      通常,在傳感器的線性范圍內,希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時,與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大,有利于信號處理。但要注意的是,傳感器的靈敏度高,與被測量無關的外界噪聲也容易混入,也會被放大系統放大,影響測量精度。因此,要求傳感器本身應具有較高的信噪比,盡量減少從外界引入的于擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量,而且對其方向性要求較高,則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器;如果被測量是多維向量,則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。
                                      響應特性 (反應時間)
                                      傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍,必須在允許頻率范圍內保持不失真的測量條件,實際上傳感器的響應總有—定延遲,希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應高,可測的信號頻率范圍就寬,而由于受到結構特性的影響,機械系統的慣性較大,因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動態測量中,應根據信號的特點 (穩態、瞬態、隨機等)響應特性,以免產生過火的誤差。
                                      線性范圍
                                      傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講,在此范圍內,靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬,則其量程越大,并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時,當傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實際上,任何傳感器都不能保證絕對的線性,其線性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時,在一定的范圍內,可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的,這會給測量帶來極大的方便。
                                      優缺
                                      優點
                                      紅外氣體傳感器及儀器應用廣泛,適用于監測近乎各種易氣體。具有精度高、選擇性好、可靠性高、不中毒、不依賴于氧氣、受環境干擾因素較小、壽命長等顯著優點。并在未來逐步成為市場主流。
                                      缺點
                                      由于正在處于起步階段,技術壁壘高,市場占有率低,規模化生產程度低,造成成本高,基本在上千元左右。
                                      分類
                                      半導氣體傳感器
                                      這種類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,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,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型。
                                      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、V2O5 、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CO、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和TiO2、CO-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系。
                                      Fe2O8、TiO2屬于此種,對可燃性氣體敏感。
                                      (3)熱線性傳感器,是利用熱導率變化的半導體傳感器,又稱熱線性半導體傳感器,是在Pt 絲線圈上涂敷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,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性關系。
                                      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場效應晶體管氣體傳感器,Pd —FET.場效應晶體管傳感器,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,是具有發展前途的氣體傳感器。
                                      固體電解質氣體傳感器
                                      這種傳感器元件為離子對固體電解質隔膜傳導,稱為電化學池,分為陽離子傳導和陰離子傳導,是選擇性強的傳感器,研究較多達到實用化的是氧化鋯固體電解質傳感器,其機理是利用隔膜兩側兩個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傳感器已成功地應用于鋼水中氧的測定和發動機空燃比成分測量等。
                                      為彌補固體電解質導電的不足,近幾年來在固態電解質上鍍一層氣敏膜,把圍周環境中存在的氣體分子數量和介質中可移動的粒子數量聯系起來。
                                      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。可燃氣體接觸表面催化劑
                                      Pt 、Pd 時燃燒、破熱,燃燒熱與氣體濃富有關。這類傳感器的應用面廣、體積小、結構簡單、穩定性好,缺點是選擇性差。
                                      電化學氣體傳感器
                                      電化學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下電離,由流經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,缺點是透水逸散吸潮,電極易中毒。
                                      光學氣體傳感器
                                      (1)直接吸收式氣體傳感器
                                      紅外線氣體傳感器是典型的吸收式光學氣體傳感器,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、非分散紫外線吸收、相關分光、二次導數、自調制光吸收法對NO、NO2、SO2、烴類( 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生色變引起光強度吸收等光學特性改變,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)氣體光學特性的新傳感器
                                      光導纖維溫度傳感器為這種類型,在光纖頂端涂敷觸媒與氣體反應、發熱。溫度改變,導致光纖溫度改變。利用光纖測溫已達到實用化程度,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發,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目的,第一是測爆,第二是測毒。所謂測爆是檢測危險場所可燃氣含量,超標報警,以避免爆炸事故的發生;測毒是檢測危險場所有毒氣體含量,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型,一般有固定式和便攜式。生產或貯存崗位長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,客戶在選擇氣體傳感器的時候如果自己不是很清楚可以咨詢傳感器廠家的技術人員,讓他們為你選擇合適的氣體傳感器,或者請傳感器技術人員上面勘察以便更好的選擇氣體傳感器。
                                      發展
                                      一、著重于新氣敏材料與制作工藝的研究開發
                                      對氣體傳感器材料的研究表明,金屬氧化物半導體材料ZnO,SiO2,Fe2O3等己趨于成熟化,特別是在C比,C2H5OH,CO等氣體檢測方面。這方面的工作主要有兩個方向:
                                      1、是利用化學修飾改性方法,對現有氣體敏感膜材料進行摻雜、改性和表面修飾等處理,并對成膜工藝進行改進和優化,提高氣體傳感器的穩定性和選擇性;
                                      2、是研制開發新的氣體敏感膜材料,如復合型和混合型半導體氣敏材料、高分子氣敏材料,使得這些新材料對不同氣體具有高靈敏度、高選擇性、高穩定性。由于有機高分子敏感材料具有材料豐富、成本低、制膜工藝簡單、易于與其它技術兼容、在常溫下工作等優點,已成為研究的熱點。
                                      二、新型氣體傳感器的研制
                                      用傳統的作用原理和某些新效應,優先使用晶體材料(硅、石英、陶瓷等),采用先進的加工技術和微結構設計,研制新型傳感器及傳感器系統,如光波導氣體傳感器、高分子聲表面波和石英諧振式氣體傳感器的開發與使用,微生物氣體傳感器和仿生氣體傳感器的研究。隨著新材料、新工藝和新技術的應用,氣體傳感器的性能更趨完善,使傳感器的小型化、微型化和多功能化具有長期穩定性好、使用方便、價格低廉等優點。
                                      三、氣體傳感器智能化
                                      隨著人們生活水平的不斷提高和對環保的日益重視,對各種有毒、有害氣體的探測,對大氣污染、工業廢氣的監測以及對食品和居住環境質量的檢測都對氣體傳感器提出了更高的要求。納米、薄膜技術等新材料研制技術的成功應用為氣體傳感器集成化和智能化提供了很好的前提條件。氣體傳感器將在充分利用微機械與微電子技術、計算機技術、信號處理技術、傳感技術、故障診斷技術、智能技術等多學科綜合技術的基礎上得到發展。研制能夠同時監測多種氣體的全自動數字式的智能氣體傳感器將是該領域的重要研究方向。
                                      應用
                                      應用于建設環境物聯網。氣體傳感器在有毒、可燃、易爆、二氧化碳等氣體探測領域有著廣泛的應用,環境問題一直是全國乃至全世界最關心的話題之一,人類賴以生存的環境一直在遭受著嚴重的破壞,如何保護環境就需要建立環境監管機制,建設物聯網成為必要,而氣體傳感器作為環境檢測的必備傳感器將有助于建設環境物聯網。
                                      傳感器是物聯網最核心和最基礎的環節,是各種信息和人工智能的橋梁,其技術領域中重要門類之一的氣體傳感器,橫跨功能材料、電子陶瓷、光電子元器件、MEMS技術、納米技術、有機高分子等眾多基礎和應用學科。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,提高實時預測事故的準確性,不斷消除事故隱患,大幅度減少事故特別是重大事故的發生。能有效實現安全監察和安全生產監督管理的電子化,變被動救災為主動防災,使安全生產向科學化管理邁進。
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