氣體傳感器原理應(yīng)用以及型號參數(shù)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(zhuǎn)換成可以被人員、儀器儀表、計算機(jī)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，盡管這種歸類不一定科學(xué)。“氣體傳感器”包括：半導(dǎo)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(dǎo)式氣體傳感器、紅外線氣體傳感器等。

　　氣體傳感器原理應(yīng)用

　　氣體傳感器，是指利用各種化學(xué)、物理效應(yīng)將氣體成分、濃度按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號輸出的器件。隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，氣體傳感器的開發(fā)研究越來越引起人們的重視，各種氣體傳感器應(yīng)運而生。綜合氣體傳感器的應(yīng)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。主要應(yīng)用于石油、采礦、半導(dǎo)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?xì)浠衔锸侵饕獧z測氣體。在半導(dǎo)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　

　 汽車工業(yè)是氣體傳感器又一重要市場。采用氧傳感器檢測和控制發(fā)動機(jī)的空燃比，使燃燒過程最佳化。在大型工業(yè)鍋爐燃燒過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(jié)省能源。氣體傳感器還可以用來檢測汽車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(yī)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(yīng)用場合。

　　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(yīng)用較為廣泛，國內(nèi)又有一定生產(chǎn)能力的氣體傳感器，它們是半導(dǎo)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(dǎo)式氣體傳感器。有關(guān)光學(xué)類等其它氣體傳感器，請讀者參閱其他有關(guān)書籍。氣體傳感器主要特性

　　1 穩(wěn)定性

　　穩(wěn)定性是指傳感器在整個工作時間內(nèi)基本響應(yīng)的穩(wěn)定性，取決于零點漂移和區(qū)間漂移。零點漂移是指在沒有目標(biāo)氣體時，整個工作時間內(nèi)傳感器輸出響應(yīng)的變化。區(qū)間漂移是指傳感器連續(xù)置于目標(biāo)氣體中的輸出響應(yīng)變化，表現(xiàn)為傳感器輸出信號在工作時間內(nèi)的降低。理想情況下，一個傳感器在連續(xù)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(jié)構(gòu)所使用的技術(shù)。大多數(shù)氣體傳感器的設(shè)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(biāo)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

　　選擇性也被稱為交叉靈敏度?？梢酝ㄟ^測量由某一種濃度的干擾氣體所產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)來確定。這個響應(yīng)等價于一定濃度的目標(biāo)氣體所產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)。這種特性在追蹤多種氣體的應(yīng)用中是非常重要的，因為交叉靈敏度會降低測量的重復(fù)性和可靠性，理想傳感器應(yīng)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?jǐn)?shù)目標(biāo)氣體中的能力。在氣體大量泄漏時，探頭應(yīng)能夠承受期望氣體體積分?jǐn)?shù)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(yīng)盡可能小。

　　氣體傳感器的基本特征，即靈敏度、選擇性以及穩(wěn)定性等，主要通過材料的選擇來確定。選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾烷_發(fā)新材料，使氣體傳感器的敏感特性達(dá)到最優(yōu)。

　　1新氣敏材料與制作工藝的研究開發(fā)

　　對氣體傳感器材料的研究表明，金屬氧化物半導(dǎo)體材料Zn0，SIlo2，F(xiàn)e203等己趨于成熟化，特別是在C比，C2H5OH，CO等氣體檢測方面。現(xiàn)在這方面的工作主要有兩個方向：一是利用化學(xué)修飾改性方法，對現(xiàn)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(wěn)定性和選擇性；二是研制開發(fā)新的氣體敏感膜材料，如復(fù)合型和混合型半導(dǎo)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(wěn)定性。由于有機(jī)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(shù)兼容、在常溫下工作等優(yōu)點，已成為研究的熱點。

　　2新型氣體傳感器的研制

　　沿用傳統(tǒng)的作用原理和某些新效應(yīng)，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(jié)構(gòu)設(shè)計，研制新型傳感器及傳感器系統(tǒng)，如光波導(dǎo)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(fā)與使用，微生物氣體傳感器和仿生氣體傳感器的研究。隨著新材料、新工藝和新技術(shù)的應(yīng)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(wěn)定性好、使用方便、價格低廉等優(yōu)點。

　　3氣體傳感器智能化

　　隨著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(jiān)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(yīng)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(jī)械與微電子技術(shù)、計算機(jī)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(chǔ)上得到發(fā)展。研制能夠同時監(jiān)測多種氣體的全自動數(shù)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(jù)測量對象與測量環(huán)境

　　根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型。 要進(jìn)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(jù)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??；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(chǎn)還是進(jìn)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(biāo)。

　　2、靈敏度的選擇

　　通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，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(yīng)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(guān)的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)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(dāng)被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應(yīng)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(yīng)特性 （反應(yīng)時間）

　　傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應(yīng)總有—定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)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(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號的特點 （穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等）響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過火的誤差。

　　4、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(nèi)，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(dāng)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(dāng)所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內(nèi)，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，