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氣體傳感器
用于探測有毒氣體的設(shè)備
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。
氣體傳感器是一種將氣體的成分、濃度等信息轉(zhuǎn)換成可以被人員、儀器儀表、計(jì)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)。
簡介
物品特性
氣體傳感器是化學(xué)傳感器的一大門類。從工作原理、特性分析到測量技術(shù)，從所用材料到制造工藝，從檢測對象到應(yīng)用領(lǐng)域，都可以構(gòu)成獨(dú)立的分類標(biāo)準(zhǔn)，衍生出一個(gè)個(gè)紛繁龐雜的分類體系，尤其在分類標(biāo)準(zhǔn)的問題上目前還沒有統(tǒng)一，要對其進(jìn)行嚴(yán)格的系統(tǒng)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(wěn)定性
穩(wěn)定性是指傳感器在整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)基本響應(yīng)的穩(wěn)定性，取決于零點(diǎn)漂移和區(qū)間漂移。零點(diǎn)漂移是指在沒有目標(biāo)氣體時(shí)，整個(gè)工作時(shí)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(shí)間內(nèi)的降低。理想情況下，一個(gè)傳感器在連續(xù)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(jì)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-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?？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(gè)響應(yīng)等價(jià)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?yàn)榻徊骒`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(shí)，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(diǎn)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)。
選擇事項(xiàng)
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(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?yàn)椋词故菧y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(diǎn)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(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)。
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?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，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。
響應(yīng)特性（反應(yīng)時(shí)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(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有—定延遲，希望延遲時(shí)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(dòng)態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號的特點(diǎn) (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。
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(shí)，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(shí)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(shí)，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。
用品優(yōu)缺
分類
半導(dǎo)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(jù)其機(jī)理分為電導(dǎo)型和非電導(dǎo)型，電導(dǎo)型中又分為表面型和容積控制型。
（1） SnO2半導(dǎo)體是典型的表面型氣敏元件，其傳感原理是SnO為n 型半導(dǎo)體材料。當(dāng)施加電壓時(shí)，半導(dǎo)體材科溫度升高，被吸附的氧接受了半導(dǎo)體中的電子形成了O或O原性氣體H、CO、CH存在時(shí)，使半導(dǎo)體表面電阻下降，電導(dǎo)上升，電導(dǎo)變化與氣體濃度成比倒。NiO為p型半導(dǎo)體，氧化性氣體使電導(dǎo)下降，對O敏感。ZnO半導(dǎo)體傳感器也屬于此種類型。
a. 電導(dǎo)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SnO+Pd 、ZnO十Pt 、AgO、V 、金屬酞青、Pt —SnO。表面敏感型氣體傳感器可檢測氣體為各種可燃性氣體CO、NO、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、H、CH。
FeO、TiO屬于此種，對可燃性氣體敏感。
（3）熱線性傳感器，是利用熱導(dǎo)率變化的半導(dǎo)體傳感器，又稱熱線性半導(dǎo)體傳感器，是在Pt 絲線圈上涂敷SnO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(dǎo)體變熱，表面吸氧，使自由電子濃度下降，可燃性氣體存在時(shí)，由于燃燒耗掉氧自由電子濃度增大，導(dǎo)熱率隨自由電子濃度增加而增大，散熱率相應(yīng)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(guān)系。
（4）非電導(dǎo)型的FET場效應(yīng)晶體管氣體傳感器，Pd —FET．場效應(yīng)晶體管傳感器，利用Pd 吸收H z 并擴(kuò)散達(dá)到半導(dǎo)體Si 和Pd的界面，減少Pd 的功函，這種對H、CO敏感。非電導(dǎo)型FET場效應(yīng)晶體管氣體傳感器體積小，便于集成化，多功能，是具有發(fā)展前途的氣體傳感器。
固體電解質(zhì)氣體傳感器
這種傳感器元件為離子對固體電解質(zhì)隔膜傳導(dǎo)，稱為電化學(xué)池，分為陽離子傳導(dǎo)和陰離子傳導(dǎo)，是選擇性強(qiáng)的傳感器，研究較多達(dá)到實(shí)用化的是氧化鋯固體電解質(zhì)傳感器，其機(jī)理是利用隔膜兩側(cè)兩個(gè)電池之間的電位差等于濃差電池的電勢。穩(wěn)定的氧化鉻固體電解質(zhì)傳感器已成功地應(yīng)用于鋼水中氧的測定和發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比成分測量等。
為彌補(bǔ)固體電解質(zhì)導(dǎo)電的不足，近幾年來在固態(tài)電解質(zhì)上鍍一層氣敏膜，把圍周環(huán)境中存在的氣體分子數(shù)量和介質(zhì)中可移動(dòng)的粒子數(shù)量聯(lián)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H、CO、CH的檢測。可燃?xì)怏w接觸表面催化劑
Pt 、Pd 時(shí)燃燒、破熱，燃燒熱與氣體濃富有關(guān)。這類傳感器的應(yīng)用面廣、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是選擇性差。
電化學(xué)氣體傳感器
電化學(xué)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(jīng)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
光學(xué)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(xué)氣體傳感器，是根據(jù)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SO、CO、CO、NO等氣體具有較高的靈敏度。
（2）光反應(yīng)氣體傳感器
光反應(yīng)氣體傳感器是利用氣體反應(yīng)產(chǎn)生色變引起光強(qiáng)度吸收等光學(xué)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(xué)特性的新傳感器
光導(dǎo)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(yīng)、發(fā)熱。溫度改變，導(dǎo)致光纖溫度改變。利用光纖測溫已達(dá)到實(shí)用化程度，檢測氣體也是成功的。
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(gè)目的，第一是測爆，第二是測毒。所謂測爆是檢測危險(xiǎn)場所可燃?xì)夂?，超?biāo)報(bào)警，以避免爆炸事故的發(fā)生；測毒是檢測危險(xiǎn)場所有毒氣體含量，超標(biāo)報(bào)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?xì)怏w檢測報(bào)警儀，測毒選擇有毒氣體檢測報(bào)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(chǎn)或貯存崗位長期運(yùn)行的泄漏檢測選用固定式氣體傳感器；其他象檢修檢測、應(yīng)急檢測、進(jìn)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(shí)候如果自己不是很清楚可以咨詢傳感器廠家的技術(shù)人員，讓他們?yōu)槟氵x擇合適的氣體傳感器，或者請傳感器技術(shù)人員上面勘察以便更好的選擇氣體傳感器。
未來發(fā)展
一、著重于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ZnO，SiO，F(xiàn)eO等己趨于成熟化，特別是在C比，CHOH，CO等氣體檢測方面。這方面的工作主要有兩個(gè)方向：
1、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;
2、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(diǎn)，已成為研究的熱點(diǎn)。
二、新型氣體傳感器的研制
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(jì)，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(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。
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(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(jì)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(shí)監(jiān)測多種氣體的全自動(dòng)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。
實(shí)際應(yīng)用
應(yīng)用于建設(shè)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)。氣體傳感器在有毒、可燃、易爆、二氧化碳等氣體探測領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，環(huán)境問題一直是全國乃至全世界最關(guān)心的話題之一，人類賴以生存的環(huán)境一直在遭受著嚴(yán)重的破壞，如何保護(hù)環(huán)境就需要建立環(huán)境監(jiān)管機(jī)制，建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)成為必要，而氣體傳感器作為環(huán)境檢測的必備傳感器將有助于建設(shè)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)。
傳感器是物聯(lián)網(wǎng)最核心和最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，是各種信息和人工智能的橋梁，其技術(shù)領(lǐng)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(shù)、納米技術(shù)、有機(jī)高分子等眾多基礎(chǔ)和應(yīng)用學(xué)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(shí)時(shí)預(yù)測事故的準(zhǔn)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(fā)生。能有效實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)察和安全生產(chǎn)監(jiān)督管理的電子化，變被動(dòng)救災(zāi)為主動(dòng)防災(zāi)，使安全生產(chǎn)向科學(xué)化管理邁進(jìn)。
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作者
