氣體傳感器原理應用以及型號參數和特性詳解

　　前言：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(xué)傳感器的一類(lèi)，盡管這種歸類(lèi)不一定科學(xué)。“氣體傳感器”包括：半導體氣體傳感器、電化學(xué)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(xiàn)氣體傳感器等。

　　氣體傳感器原理應用

　　氣體傳感器，是指利用各種化學(xué)、物理效應將氣體成分、濃度按一定規律轉換成電信號輸出的器件。隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，氣體傳感器的開(kāi)發(fā)研究越來(lái)越引起人們的重視，各種氣體傳感器應運而生。綜合氣體傳感器的應用情況，主要有以下幾種用途：

　　有毒和可燃性氣體檢測　

　有毒和可燃性氣體檢測是氣敏傳感器最大的市場(chǎng)。主要應用于石油、采礦、半導體工業(yè)等工礦企業(yè)以及家庭中環(huán)境檢測和控制。在石油、石化、采礦工業(yè)中，硫化氫、一氧化碳、氯氣、甲烷和可燃的碳氫化合物是主要檢測氣體。在半導體工業(yè)中最主要是檢測磷、砷和硅烷。家庭中主要是檢測煤氣和液化氣的泄漏以及是否通風(fēng)。

　　燃燒控制　

　 汽車(chē)工業(yè)是氣體傳感器又一重要市場(chǎng)。采用氧傳感器檢測和控制發(fā)動(dòng)機的空燃比，使燃燒過(guò)程最佳化。在大型工業(yè)鍋爐燃燒過(guò)程中采用帶有氣體傳感器的控制以提高燃燒效率減少廢氣排出，節省能源。氣體傳感器還可以用來(lái)檢測汽車(chē)或煙囪中排出的廢氣量。這些廢氣包括二氧化碳、二氧化硫和一氧化碳。

食品和飲料加工

　　在食品和飲料加工過(guò)程中，二氧化硫傳感器是極有用的器件。二氧化硫常用于許多食品和飲料的保存和檢測，使之含有保持特定的味道和香味所需最小的二氧化硫濃度。另外，氣體傳感器還被用來(lái)檢測葡萄酒、啤酒、高梁酒的發(fā)酵程度以保證產(chǎn)品均勻性和降低成本。

　　醫療診斷　　
可用氣體傳感器進(jìn)行病人狀況診斷測試，如口臭檢測，血液中二氧化碳和氧濃度檢測等?！?br />　表1例舉了氣體傳感器的主要檢測氣體和應用場(chǎng)合。

　　氣體傳感器的品種繁多，限于篇幅，不可能一一敘述。本篇主要介紹應用較為廣泛，國內又有一定生產(chǎn)能力的氣體傳感器，它們是半導體氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器、接觸式氣體傳感器和熱傳導式氣體傳感器。有關(guān)光學(xué)類(lèi)等其它氣體傳感器，請讀者參閱其他有關(guān)書(shū)籍。氣體傳感器主要特性

　　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-old limit value）或最低爆炸限（LEL-lower explosive limit）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)。

　　1新氣敏材料與制作工藝的研究開(kāi)發(fā)

　　對氣體傳感器材料的研究表明，金屬氧化物半導體材料Zn0，SIlo2，Fe203等己趨于成熟化，特別是在C比，C2H5OH，CO等氣體檢測方面?，F在這方面的工作主要有兩個(gè)方向：一是利用化學(xué)修飾改性方法，對現有氣體敏感膜材料進(jìn)行摻雜、改性和表面修飾等處理，并對成膜工藝進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，提高氣體傳感器的穩定性和選擇性；二是研制開(kāi)發(fā)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(jiǎn)單、易于與其它技術(shù)兼容、在常溫下工作等優(yōu)點(diǎn)，已成為研究的熱點(diǎn)。

　　2新型氣體傳感器的研制

　　沿用傳統的作用原理和某些新效應，優(yōu)先使用晶體材料（硅、石英、陶瓷等），采用先進(jìn)的加工技術(shù)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(kāi)發(fā)與使用，微生物氣體傳感器和仿生氣體傳感器的研究。隨著(zhù)新材料、新工藝和新技術(shù)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(cháng)期穩定性好、使用方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

　　3氣體傳感器智能化

　　隨著(zhù)人們生活水平的不斷提高和對環(huán)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(yè)廢氣的監測以及對食品和居住環(huán)境質(zhì)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(shù)等新材料研制技術(shù)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(shù)、計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、傳感技術(shù)、故障診斷技術(shù)、智能技術(shù)等多學(xué)科綜合技術(shù)的基礎上得到發(fā)展。研制能夠同時(shí)監測多種氣體的全自動(dòng)數字式的智能氣體傳感器將是該領(lǐng)域的重要研究方向。氣體傳感器的選擇

　　1、根據測量對象與測量環(huán)境

　　根據測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類(lèi)型。 要進(jìn)行—個(gè)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(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問(wèn)題：量程的大??；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(xiàn)或是非接觸測量；傳感器的來(lái)源，國產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問(wèn)題之后就能確定選用何種類(lèi)型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。

　　2、靈敏度的選擇

　　通常，在傳感器的線(xiàn)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(shí)，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(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì )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。

　　3、響應特性 （反應時(shí)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(shí)際上傳感器的響應總有—定延遲，希望延遲時(shí)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(dòng)態(tài)測量中，應根據信號的特點(diǎn) （穩態(tài)、瞬態(tài)、隨機等）響應特性，以免產(chǎn)生過(guò)火的誤差。

　　4、線(xiàn)性范圍

　　傳感器的線(xiàn)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(xiàn)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(shí)，當傳感器的種類(lèi)確定以后首先要看其量程是否滿(mǎn)足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對的線(xiàn)性，其線(xiàn)性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內，可將非線(xiàn)性誤差較小的傳感器近似看作線(xiàn)性的，這會(huì )給測量帶來(lái)極大的方便，