《氣體傳感器綜述論》PPT課件.ppt

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1、2020/9/1,1,章文斌,氣體傳感器簡(jiǎn)介及其發(fā)展趨勢(shì),氣體傳感器簡(jiǎn)介及其發(fā)展趨勢(shì),,2氣體傳感器的分類(lèi)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(shì),氣體傳感器是用來(lái)檢測(cè)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(duì)應(yīng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。探測(cè)頭通過(guò)氣體傳感器對(duì)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(gè)氣敏傳感器，1982年英國(guó)Warwick大學(xué)的Persaud等提出了利用氣敏傳感器模擬動(dòng)物嗅覺(jué)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(chǎng)合，比如氣體泄漏檢測(cè)，環(huán)境檢測(cè)、樣品采集、數(shù)據(jù)處理等。 現(xiàn)在各國(guó)研究主要針對(duì)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(shí)間以及降低成本和智能化等。,1前言,,2氣體傳感器的分類(lèi)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(shì)。,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(bào)道的2，利用ZnO薄膜的表面電導(dǎo)在氣體中的變化來(lái)檢測(cè)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(guò)貴金屬摻雜大幅度地提高了對(duì)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(lái)開(kāi)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(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。并且適宜于民用氣體檢測(cè)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(shí)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(jì)量準(zhǔn)確要求的場(chǎng)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(cè)。可以廣泛用于空氣質(zhì)量檢測(cè)、食品、香精、香水的質(zhì)量評(píng)定及生產(chǎn)過(guò)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(lèi)，肼類(lèi)）。高質(zhì)量的傳感器完全可以滿(mǎn)足工業(yè)檢測(cè)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(guó)，最近有新加入了韓國(guó)，其他國(guó)家如美國(guó)在這方面也有相當(dāng)?shù)墓ぷ?，但是始終沒(méi)有匯入主流。 我國(guó)流行于市場(chǎng)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(chǎng)進(jìn)步，民營(yíng)資本的進(jìn)一步興起，中國(guó)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(guó)內(nèi)的研究趨勢(shì)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(jì) 按照使用要求對(duì)材料進(jìn)行理論計(jì)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(cè)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(shí)對(duì)鉑絲通以電流，保持300400的高溫，此時(shí)若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒，因此，鉑絲的溫度會(huì)上升，鉑絲的電阻值也上升；通過(guò)測(cè)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(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)。當(dāng)存在可燃性氣體時(shí)，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(hào)。,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(cè)和報(bào)警。該傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對(duì)處于爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測(cè)。,優(yōu)點(diǎn)：催化燃燒式氣體傳感器對(duì)氣體選擇性好，線性好，受溫度、濕度影響下，響應(yīng)快。而且計(jì)量準(zhǔn)確，響應(yīng)快速，壽命較長(zhǎng)。傳感器的輸出與環(huán)境的爆炸危險(xiǎn)直接相關(guān)，在安全檢測(cè)領(lǐng)域是一類(lèi)主導(dǎo)地位的傳感器。 缺點(diǎn)：在可燃性氣體范圍內(nèi)，無(wú)選擇性。暗火工作，有引燃爆炸的危險(xiǎn)。大部分元素有機(jī)蒸汽對(duì)傳感器都有中毒作用。同

8、時(shí)對(duì)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(guó)、日本、英國(guó)（發(fā)明國(guó)）。目前中國(guó)是這種傳感器的最大用戶(hù)（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(huì)對(duì)這種傳感器的認(rèn)識(shí)，但是畢竟，催化燃燒式氣體傳感器的主流制造商在國(guó)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(wèn)題： （1）、電解液的蒸發(fā)或污染常會(huì)導(dǎo)致傳感器信號(hào)衰降，使用壽命短（一般來(lái)說(shuō)，電化學(xué)傳感器的壽命只有一年左右，最長(zhǎng)不過(guò)兩年）； （2）

9、、催化劑長(zhǎng)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(dòng)，會(huì)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(wèn)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(lèi)傳感器的微型化。 因此，隨著人們對(duì)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(zhǎng)使用壽命、便攜式、微型化、智能化?？梢詳嘌?，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(guò)二十

10、多年的發(fā)展，它己應(yīng)用在社會(huì)生活的許多方面：工業(yè)氣體在線監(jiān)測(cè)、有害氣體分析、環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)和爆炸氣體檢測(cè)以及對(duì)火山噴發(fā)氣體的分析28-32。工業(yè)上的需要和人們對(duì)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(guó)1996年一2002年光纖氣體傳感器年均增長(zhǎng)率為27%-30%，而我國(guó)對(duì)光纖傳感器的市場(chǎng)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(jiǎn)單的一類(lèi)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(cè)，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(shí)折射率會(huì)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(cè)參數(shù)變化量就可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)，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(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能量，同一種物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外輻射吸收程度不同，如果將不同波長(zhǎng)的紅外輻射按順序通過(guò)某物質(zhì)，逐一測(cè)量其吸收程度，并記錄下來(lái)，就得到該物質(zhì)在測(cè)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的吸收光譜曲線。,,由光學(xué)部件和測(cè)量電路構(gòu)成，測(cè)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(zhǎng)從1m到1520m,用于檢測(cè)通過(guò)氣室的紅外光能,抽取式測(cè)

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(lèi)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(guò)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(xiě)）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(wú)霸，減小到2毫升（拇指大?。┳笥?。使用無(wú)需調(diào)制光源的紅外探測(cè)器使得儀器完全沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(lèi)，準(zhǔn)確測(cè)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(cè)。目前這種“傳感器”的供應(yīng)商在歐洲，中國(guó)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(chǎng)吸引的原理制備的。 這種傳感器只能用于氧氣的檢測(cè)，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(chǎng)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(shí)，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(chǎng)，其透射深度一般約為幾個(gè)波

14、長(zhǎng)。光波導(dǎo)在光纖芯中傳播時(shí)，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(chǎng)區(qū)域存在吸收介質(zhì)(被測(cè)氣體或燃料指示劑)，則全反射光能量減少，通過(guò)測(cè)量光能的衰減量就可以計(jì)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(zhǎng)激勵(lì)光照射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生波長(zhǎng)大于激勵(lì)波長(zhǎng)的熒光，其波長(zhǎng)差稱(chēng)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(cè)量熒光的強(qiáng)度變化量;二是測(cè)量熒光的壽命變化量。,光纖傳感技術(shù)是一個(gè)綜合交叉的新興探測(cè)技術(shù)。光源的發(fā)展、新型特殊光纖的研制技術(shù)和探測(cè)方法的改進(jìn)，都將極大地推動(dòng)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(shì)主要有四個(gè)方面:小型化、遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)控、多點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)化和多氣體成分探測(cè)。 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(cè)、醫(yī)學(xué)應(yīng)用、可燃性氣體及毒性氣體的實(shí)時(shí)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(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，顯示出其巨大應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力。,3氣體傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),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(wèn)題，目前已得到迅猛發(fā)展。這幾年作為研究開(kāi)發(fā)的技術(shù)動(dòng)向有： (1)開(kāi)展新材料研究，并通過(guò)控制材料的微細(xì)結(jié)構(gòu)來(lái)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(guò)對(duì)單一或多個(gè)敏感元件輸出信號(hào)微機(jī)處理提高氣體的識(shí)別能力; (3)以污染地球環(huán)境的各種氣體為對(duì)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(cè)對(duì)象的新型敏感材料及傳感器的開(kāi)發(fā)。,