傳感器原理與應(yīng)用課件

1、第十章 氣體傳感器第一節(jié) 概述 氣體傳感器是指能將被測氣體的類別、濃度和成分轉(zhuǎn)換為與其成一定關(guān)系的電量輸出的裝置或器件。氣體傳感器必須滿足下列條件：（1）能夠檢測可燃性氣體、有害氣體的允許濃度，并 能及時給出顯示、報警和控制信號；（2）對被測氣體以外的共存氣體或物質(zhì)不敏感；（3）性能長期穩(wěn)定;（4）響應(yīng)快、重復(fù)性好；（5）使用維護方便、價格便宜等。地球環(huán)境污染包括：噪聲、輻射、溫室效應(yīng)、水污染、土地沙漠化、資源不合理開采、森林亂砍亂伐、及空氣污染，這些都嚴重威脅人類的生存與發(fā)展。 氣體與人類的生存與發(fā)展息息相關(guān)，有效地檢測氣體的成分與濃度，并加以調(diào)節(jié)和控制，有利于人類改善和保護人類自身的生存環(huán)

2、境，促進人類社會的可持續(xù)發(fā)展。 被測氣體的種類繁多、性質(zhì)各異，所以不可能用一種方法或一種氣體傳感器來檢測所有的各種氣體，檢測方法應(yīng)隨氣體種類、濃度、成分和用途而異。主要分為危險與有害氣體：危險氣體指易燃、易爆氣體，如氫氣、瓦斯、液化石油氣等；有害氣體是指對人體有害的氣體，CO、SO2、氟里昂等。氣體傳感器通常在大氣工況中使用，而且被測氣體分子一般要附著于氣體傳感器的功能材料（氣敏材料）表面且與之起化學(xué)反應(yīng)，因而氣體傳感器也可歸于化學(xué)傳感。因此，氣體傳感器必須具有較強的抗環(huán)境影響能力。二、氣體傳感器的性能要求（必須滿足的條件）三、氣體傳感器的主要參數(shù) （1）靈敏度氣敏元件的阻值變化量R與氣體濃度

3、的變化量P之比稱為靈敏度K。K R/ P靈敏度是氣體傳感器的重要參數(shù)，靈敏度高表示氣體傳感器可以檢測低濃度的氣體。（2）響應(yīng)時間從氣敏元件和被測接觸，到氣敏元件的阻值達到新的穩(wěn)定值所需的時間。表示氣敏元件對被測氣體濃度的反應(yīng)速度。（3）選擇性在多種氣體共存的條件下，氣敏元件區(qū)分氣體種類的能力成為選擇性。對某種氣體的選擇性好，即氣敏元件對它有較高的的靈敏度，也是重要參數(shù)，目前較難解決，有待進一步的研究。 (4)穩(wěn)定性 當氣體濃度不變時，若其它條件發(fā)生變 化，在規(guī)定時間內(nèi)氣敏元件輸出特性保持不變的能力。穩(wěn)定性表示氣敏元件對被測氣體濃度以外的各種因素的抵抗能力。 環(huán)境大氣（空氣）中污染物濃度的表示方

4、法有兩種： 1、質(zhì)量濃度表示法：每立方米空氣中所含污染物的質(zhì) 量數(shù)，即mg/m3 。 2、體積濃度表示法：一百萬體積的空氣中所含污染物 的體積數(shù)，即ppm 。 大部分氣體檢測儀器測得的氣體濃度都是體積濃度（ppm）。而按我國規(guī)定，特別是環(huán)保部門，則要求氣體濃度以質(zhì)量濃度的單位（如：mg/m3）表示，我們國家的標準規(guī)范也都是采用質(zhì)量濃度單位（如：mg/m3）表示。 這兩種氣體濃度單位mg/m3與ppm有何關(guān)系呢？其間如何換算？ 使用質(zhì)量濃度單位（mg/m3）作為空氣污染物濃度的表示方法，可以方便計算出污染物的真正量。但質(zhì)量濃度與檢測氣體的溫度、壓力環(huán)境條件有關(guān)，其數(shù)值會隨著溫度、氣壓等環(huán)境條件的

5、變化而不同；實際測量時需要同時測定氣體的溫度和大氣壓力。而在使用ppm作為描述污染物濃度時，由于采取的是體積比，不會出現(xiàn)這個題。 濃度單位ppm與mg/m3的換算：按下式計算： 質(zhì)量濃度mg/m3=M氣體分子量/22.4*ppm數(shù)值 *273/(273+T氣體溫度)*（Ba壓力/101325） M為氣體分子量； ppm為測定的體積濃度值； T為溫度； Ba為壓力； 如果濕度很大時，例如在100%相對濕度下，還需另外一項。（5）電源電壓特性 電源電壓特性是指氣敏元件的靈敏度隨 電源電壓變化的特性。 這種反應(yīng)是可逆的，所以氣敏元件可重復(fù)使用。其電阻值的變化使伴隨著金屬氧化物半導(dǎo)體表面對氣體的吸附和

6、釋放而產(chǎn)生的，為加速這種反應(yīng)，通常要用加熱器對氣敏元件加熱（200400）。 當加熱的氣敏元件表面接觸并吸附被測氣體時，首先是被吸附的分子在表面自由擴散（物理吸附）而失去功能，這期間，一部分分子被蒸發(fā)掉，剩下的一部分則因熱分解而固定在吸附位置上（化學(xué)吸附）。若元件材料的功函數(shù)比被吸附氣體分子的電壓親和力為小時，則被吸附氣體分子就會從元件表面奪取電子而以陰離子形式吸附。 功函數(shù)(work function)在固體物理中被定義成:把一個電子從固體內(nèi)部剛剛移到此物體表面所需的最少的能量。 當半導(dǎo)體氣敏傳感器在潔凈的空氣中開始通電加熱時，其阻值急劇下降，幾分鐘后達到穩(wěn)定，這段時間稱為初始穩(wěn)定時間。當電

7、阻值處于穩(wěn)定之后，會隨被測氣體的吸附情況而變化。電阻值的變化規(guī)律視半導(dǎo)體材料定： 氧化性氣體吸附N型阻值上升；P型阻值下降。 還原性氣體吸附N型阻值下降；P型阻值上升。 注：只有達到初始穩(wěn)定狀態(tài)以后的敏感元件才能用于氣體檢 測。 目前使用較多的電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器常用的金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏元件是Fe2O3和SnO2。 SnO2的歷史最久，制作工藝較成熟。其檢測對象有一氧化碳、甲烷、酒精等可燃性氣體。氣體檢測靈敏度隨被測氣體的種類、工作溫度、催化劑的不同差異很大。 半導(dǎo)體氣敏傳感器主要特性及改善： 1、氣體選擇性及改善 半導(dǎo)體氣敏傳感器的氣敏材料對氣體的選擇性表明材料主要對哪種氣體敏感。金屬氧

8、化物半導(dǎo)體對各種氣體敏感的靈敏度幾乎相同。因此，要制造出氣體選擇性好的元件很不容易，其選擇性能不好或使用時性能逐漸變差，都會給氣體的檢測和控制帶來很大響。 改善氣敏元件的氣體選擇性常用方法：（1）向氣敏材料參雜其他金屬氧化物或其它添加物；（2）控制氣敏元件的燒結(jié)溫度；（3）改善元件工作時的溫度。(敏感元件的最佳工作溫度隨氣體 的種類不同而不同） 應(yīng)該注意，以上三種方法只有在實驗的基礎(chǔ)上進行不同的組合應(yīng)用，才能獲得較為理想的氣敏選擇性。 2、靈敏度的提高 為提高氣敏傳感器的靈敏度，一般采用金屬或金屬氧化物材料作催化劑，它們能促進氣體分子的分解，也能加速被測氣體的吸附或解吸的反應(yīng)速度。 典型的氣敏

9、半導(dǎo)體材料有SnO2、ZnO等。 半導(dǎo)體氣體傳感器主要應(yīng)用于氣體濃度的檢測、氣體濃度超標報警器、火災(zāi)煙霧報警等。 設(shè)計報警時，重要的是如何確定開始報警的濃度，一般情況下，對于甲烷、丙烷、丁烷等氣體，都選定在其爆炸下限的十分之一。 常用的氣敏傳感器有國產(chǎn)QM-N、日本費加羅TGS型以及UL型等。 2、非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器的工作原理 非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用MOS二極管的電容電壓特性的變化、MOS場效應(yīng)晶體管的 閾值電壓的變化等物理特性制成的半導(dǎo)體氣敏元件。第三節(jié)接觸燃燒式氣敏傳感器 一般將在空氣中達到一定濃度、觸及火種可引起燃燒的氣體稱為可燃性氣體。 接觸燃燒式氣敏傳感器普遍用于石油化

10、工廠、礦井及隧道等場合，檢測碳氫化合物可燃性氣體的濃度，是否達到危險程度。一、接觸燃燒式氣敏傳感器的工作原理 結(jié)構(gòu)原理如圖： 將金屬鉑線圈埋設(shè)在氧化催化劑中，經(jīng)燒 結(jié)而成，外表敷有鉑等金屬催化層。 如果氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)、材料已確定，而被測氣體的種類固定不變，氣敏傳感器的電阻變化量與被測氣體的濃度成正比，即 RKm接觸燃燒式氣敏傳感器測量電路如下圖： F1是氣敏元件，F(xiàn)2是溫度補償元件，F(xiàn)1F2均為鉑絲電阻絲。F1F2與R3R4組成惠斯登電橋，當不存在可燃性氣體時，電橋處于平衡；當有可燃性氣體時，F(xiàn)1的電阻值增量R，使電橋失去平衡，輸出與可燃性氣體濃度成比例的電信號，實現(xiàn)氣體濃度的檢測。 接觸燃燒式氣體傳感器的優(yōu)點是對氣體的選擇性好，線性好，受溫度、濕度影響小，響應(yīng)塊。缺點是對低濃度的可燃性氣體靈敏度低，敏感元件受催化劑侵蝕后其特性銳減，金屬絲易斷。第四節(jié) 熱導(dǎo)式氣體傳感器 每種氣體都有固定的熱導(dǎo)率，混合氣體的熱導(dǎo)率也可近似求得。由于以空氣為比較基準的校正較易實現(xiàn)，所以用熱導(dǎo)變化法測氣體濃度（或成分）時，通常以空氣為基準比較被測氣體。熱導(dǎo)式氣體傳感器的基本測量電路是直流電橋，如圖： 其中F1 F2可用不帶催化劑的白金線圈制作，也