各類氣體傳感器介紹

1、各類氣體傳感器介紹一、引言廣義的說，傳感器（Transducer或Sensor）是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號的器件或裝置，在有些國家或科學(xué)領(lǐng)域，也將傳感器稱為變換器、檢測器或探測器等。將物理量或化學(xué)量得變化轉(zhuǎn)變成電信號是傳感器的最終目的。國際電工委員會（IEC：International Electrotechnical Committee）的定義為：“傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號”。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 776587給傳感器的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。此處的可用輸出信

2、號，一般即指易于處理和傳輸?shù)碾娦盘枴倪@個(gè)角度也可以說傳感器即為將非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件。當(dāng)然，可以預(yù)料，將來的“可用信號201D或許是光信息或者是更先進(jìn)、更實(shí)用的其他信息。本文主要介紹氣體傳感器的工作原理及應(yīng)用場合，并對氣體傳感器的發(fā)展方向進(jìn)行一些介紹。二、工作原理傳感器之所以具有能量信息轉(zhuǎn)換的機(jī)能，在于它的工作機(jī)理是基于各種物理的、化學(xué)的和生物的效應(yīng)，并受相應(yīng)的定律和法則所支配。了解這些定律和法則，有助于我們對傳感器本質(zhì)的理解和對新效應(yīng)傳感器的開發(fā)。傳感器工作物理基礎(chǔ)的基本定律和法則有以下四種類型：（1）守恒定律。包括能量、動(dòng)量、電荷量等守恒定律。這些定律，是我們探索、研制新型傳感器時(shí)

3、，或在分析、綜合現(xiàn)有傳感器時(shí)，都必須嚴(yán)格遵守的基本法則。（2）場的定律。包括運(yùn)動(dòng)長的運(yùn)動(dòng)定律，電磁場的感應(yīng)定律等，氣相互作用與物體在空間的位置及分布狀態(tài)有關(guān)。一半可由物理方程給出，這些方程可做誒許多傳感器工作的數(shù)學(xué)模型。例如：利用靜電場定律研制的電容式傳感器；利用電磁感性定律研制的自感、互感、電渦流式傳感器；利用運(yùn)動(dòng)定律與電池感應(yīng)定律研制的磁電式傳感器等。利用場的定律構(gòu)成的傳感器，其形狀、尺寸（結(jié)構(gòu)）決定了傳感器的量程、靈敏度等主要性能，故此類傳感器可統(tǒng)稱為“結(jié)構(gòu)型傳感器”。（3）物質(zhì)定律。它是表示各種物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的定律（如胡克定律、歐姆定律等），通常以這種物質(zhì)所固有的物理常數(shù)加以描述。因

4、此，這些常數(shù)的大小決定著傳感器的主要性能。如：利用半導(dǎo)體物質(zhì)法則壓阻、熱阻、磁阻、光阻、濕阻等效應(yīng)，可分別做成壓敏、熱敏、光敏、濕敏等傳感器件；利用壓電晶體物質(zhì)法則壓電效應(yīng)，可制成壓電、聲表面波、超聲波傳感器等等。這種基于物質(zhì)定律的傳感器，可統(tǒng)稱為“物性型傳感器”。這是當(dāng)代傳感器技術(shù)領(lǐng)域中具有廣闊發(fā)展前景的傳感器。（4）統(tǒng)計(jì)法則。它是把圍觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)聯(lián)系起來的物理法則。這些法則，常常與傳感器的工作狀態(tài)有關(guān)，它是分析某些傳感器的理論基礎(chǔ)。這方面的研究尚待進(jìn)一步深入。氣體傳感器（Gas Sensor）是以氣敏器件為核心組成的能把氣體成分轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。它具有響應(yīng)快，定量分析方便，成本低廉，

5、實(shí)用性廣等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣。氣體種類繁多，性質(zhì)各異，因此，氣體傳感器種類也很多。按待檢氣體性質(zhì)可分為：用于檢測易燃易爆氣體的傳感器，如氫氣、一氧化碳、瓦斯、汽油揮發(fā)氣等；用于檢測有毒氣體的傳感器，如氯氣、硫化氫、砷烷等；用于檢測工業(yè)過程氣體的傳感器，如煉鋼爐中的氧氣、熱處理爐中的二氧化碳；用于檢測大氣污染的傳感器，如形成酸雨的NOx、CH4、O3，家庭污染如甲醛等。按氣體傳感器的結(jié)構(gòu)還可分為干式和濕式兩類；按傳感器的輸出可分為電阻式和費(fèi)電阻式兩類；按檢測院里可分為電化學(xué)法、電氣法、光學(xué)法、化學(xué)法幾類，如圖：對氣體傳感器的基本性能要求是：1.選擇性，能按要求檢測出氣體的濃度，不受其他氣體或物質(zhì)

6、的干擾；2.重復(fù)性，可以重復(fù)多次使用，有較長的使用壽命和穩(wěn)定性；3.實(shí)時(shí)性，即動(dòng)態(tài)特性要好等。下介紹幾種較為常見的氣體傳感器件。1.半導(dǎo)體氣敏器件半導(dǎo)體氣敏器件可分為電阻型和非電阻型(結(jié)型、MOSFET型、電容型)。電阻型氣敏器件的原理是氣體分子引起敏感材料電阻的變化；非電阻型氣敏器件主要有M()s二極管和結(jié)型二極管以及場效應(yīng)管(M()SFET)，它利用了敏感氣體會改變MOSFET開啟電壓的原理，其原理結(jié)構(gòu)與ISFET離子敏傳感器件相同。電阻型半導(dǎo)體氣敏器件1作用原理人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)SnO2、ZnO、Fe2O3、Cr2O3、MgO、NiO2等材料都存在氣敏效應(yīng)。用這些金屬氧化物制成的氣敏薄膜是一種

7、阻抗器件，氣體分子和敏感膜之間能交換離子，發(fā)生還原反應(yīng)，引起敏感膜電阻的變化。作為傳感器還要求這種反應(yīng)必須是可逆的，即為了消除氣體分子還必須發(fā)生一次氧化反應(yīng)。傳感器內(nèi)的加熱器有助于氧化反應(yīng)進(jìn)程。SnO2薄膜氣敏器件因具有良好的穩(wěn)定性、能在較低的溫度下工作、檢驗(yàn)氣體種類多、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，是目前的主流產(chǎn)品。此外，F(xiàn)e2O3也是目前廣泛應(yīng)用和研究的材料。除了傳統(tǒng)的SnO、SnO2和Fe2O3三大類外，目前又研究開發(fā)了一批新型材料，包括單一金屬氧化物材料、復(fù)合金屬氧化物材料以及混合金屬氧化物材料。這些新型材料的研究和開發(fā)，大大提高了氣體傳感器的特性和應(yīng)用范圍。選擇性是氣體傳感器的關(guān)鍵性能。如SnO2

8、薄膜對多種氣體都敏感，如何提高SnO2氣敏器件的選擇性和靈敏度一直是研究的重點(diǎn)。主要措施有：在基體材料中加入不同的貴金屬或金屬氧化物催化劑，設(shè)置合適的工作溫度，利用過濾設(shè)備或透氣膜外過濾敏感氣體。在SnO2材料內(nèi)摻雜是改善傳感器選擇性的主要方法，添加Pt、Pd、Ir等貴金屬不僅能有效地提高元件的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間，而且，催化劑不同，導(dǎo)致不同的吸附傾向，從而改善選擇性。例如在SnO2氣敏材料中摻雜貴金屬Pt、Pd、Au可以提高對CH4的靈敏度，摻雜Ir可降低對CH4的靈敏度，摻雜Pt、Au提高對H2的靈敏度，摻雜Pd降低對H2的靈敏度。工作溫度對傳感器的靈敏度有影響。下圖左圖為SnO2氣敏器件對各

9、種氣體溫度的電阻特性曲線。由圖可見，器件在不同溫度下對各種氣體的靈敏度不同，利用這一特性可以識別氣體種類。制備工藝對SnO2的氣敏特性也有很大的影響。如在SnO2中添加ThO2，改變燒結(jié)溫度和加熱溫度就可以產(chǎn)生不同的氣敏效應(yīng)。按質(zhì)量計(jì)算，在SnO2中加入35的ThO2，5的Sm2在600的H2氣氛中燒結(jié)，制成厚膜器件，工作溫度為400。則可作為CO檢測器件。上圖右圖是燒結(jié)溫度為600時(shí)氣敏器件的特性?？煽闯?，工作溫度在170200范圍內(nèi)，對H2的靈敏度曲線呈拋物線，而對CO改變工作溫度則影響不大，因此，利用器件這一特性可以檢測H2。而燒結(jié)溫度為400制成的器件，工作溫度為200時(shí)，對H2、CO

10、的靈敏度曲線形狀都近似呈直線，但對CO的靈敏度要高得多，可以制成對CO敏感的氣體傳感器。2結(jié)構(gòu)及參數(shù)SnO2電阻型氣敏器件通常采用燒結(jié)工藝。以多孔SnO2陶瓷為基底材料，再添加不同的其他物質(zhì)，用制陶工藝燒結(jié)而成，燒結(jié)時(shí)埋入加熱電阻絲和測量電極。此外，也有用蒸發(fā)和濺射等工藝制成的薄膜器件和多層膜器件，這類器件靈敏度高，動(dòng)態(tài)特性好。還有采用絲網(wǎng)印刷工藝制成的厚膜器件和混合膜器件，這類器件具有集成度高，組裝容易，使用方便，便于批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。下圖是電阻型氣體傳感器的一種典型結(jié)構(gòu)，它主要南SnO2敏感元件、加熱器、電極引線、底座及不銹鋼網(wǎng)罩組成。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可以檢測還原性氣體、可燃性

11、氣體、蒸氣等。電阻型氣體傳感器的主要特性參數(shù)有：(1)固有電阻R0和工作電阻Rs 固有電阻Ro又稱正常電阻，表示氣體傳感器在正常空氣條件下的阻值。工作電阻Rs表示氣體傳感器在一定濃度被測氣體中的阻值。(2)靈敏度S 通常用S=RsR0表示，有時(shí)也用兩種不同濃度C1、C2)檢測氣體中元件阻值之比來表示：S=Rs(C2)R0(C1)。(3)響應(yīng)時(shí)間T1 反映傳感器的動(dòng)態(tài)特性，定義為傳感器阻值從接觸一定濃度的氣體起到該濃度下的穩(wěn)定值所需時(shí)間。也常用達(dá)到該濃度下電阻值變化率的63時(shí)的時(shí)問來表示。(4)恢復(fù)時(shí)問T2 又稱脫附時(shí)間。反映傳感器的動(dòng)態(tài)特性，定義為傳感器從脫離檢測氣體起，直到傳感器電阻值恢復(fù)至

12、正常空氣條件下的阻值，這段時(shí)間稱為恢復(fù)時(shí)間。(5)加熱電阻RH和加熱功率PH RH為傳感器提供工作溫度的電熱絲阻值，PH為保持正常工作溫度所需要的加熱功率。電阻型氣體傳感器具有成本低廉、制造簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長、對濕度敏感低和電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。不足之處是必須工作于高溫下，對氣體的選擇性較差，元件參數(shù)分散，穩(wěn)定性不夠理想，功率要求高，當(dāng)探測氣體中混有硫化物時(shí)，容易中毒。2.非電阻型氣敏器件非電阻型也是一類較為常見的半導(dǎo)體氣敏器件，這類器件使用方便，無需設(shè)置工作溫度，易于集成化，得到了廣泛應(yīng)用。主要有結(jié)型和MOSFET型兩種。1結(jié)型氣敏器件結(jié)型氣敏傳感器件又稱氣敏二極管，這類氣敏器件是

13、利用氣體改變二極管的整流特性來工作的。其結(jié)構(gòu)如下圖左圖所示。它的原理是：貴金屬Pd對氫氣具有選擇性，它與半導(dǎo)體接觸形成接觸勢壘。當(dāng)二極管加正向偏壓時(shí)，從半導(dǎo)體流向金屬的電子將增加，因此正向是導(dǎo)通的。當(dāng)加負(fù)向偏壓時(shí)，載流子基本沒有變化，這是肖特基二極管的整流特性。在檢測氣氛中，由于對氫氣的吸附作用，貴金屬的功函數(shù)改變，接觸勢壘減弱導(dǎo)致載流子增多，正向電流增加，二極管的整流特性曲線會發(fā)生左移。下圖右圖為PdTiO2氣敏二極管在不同濃度H2的空氣中的特性曲線。因此，通過測量二極管的正向電流可以檢測氫氣濃度。2MOSFET型氣敏器件氣敏二極管的特性曲線左移可以看作二極管導(dǎo)通電壓發(fā)生改變，這一特性如果發(fā)

14、生在場效應(yīng)管的柵極，將使場效應(yīng)管的閾值電壓UT改變。利用這一原理可以制成MOSFET型氣敏器件。氫氣敏MOSFET是一種最典型的氣敏器件，它用金屬鈀(Pd)制成鈀柵。在含有氫氣的氣氛中，由于鈀的催化作用，氫氣分子分解成氫原子擴(kuò)散到鈀與二氧化硅的界面，最終導(dǎo)致MOSFET的閾值電壓UT發(fā)生變化。使用時(shí)常將柵漏短接，可以保證MOSFET工作在飽和區(qū)，此時(shí)的漏極電流ID=(UGSUT)2，利用這一電路可以測出氫氣的濃度。氫氣敏MOSFET的特點(diǎn)有：(1)靈敏度 當(dāng)氫氣濃度較低時(shí)，氫氣敏MOSFET靈敏度很高，1ppm氫氣濃度變化，UT的值可達(dá)到10mV，當(dāng)氫氣濃度較高時(shí)，傳感器的靈敏度會降低。(2)

15、對氣體選擇性 鈀原子間的“空隙”恰好能讓氫原子通過，因此，鈀柵只允許氫氣通過，有很好的選擇性。(3)響應(yīng)時(shí)間 這種器件的響應(yīng)時(shí)間受溫度、氫氣濃度的影響，一般溫度越高，氫氣濃度越高，響應(yīng)越快，常溫下的響應(yīng)時(shí)間為幾十秒。(4)穩(wěn)定性實(shí)際應(yīng)用中，存在UT隨時(shí)間漂移的特性，為此，采用在HCl氣氛中生長一層SiO2絕緣層，可以顯著改善UT的漂移。除氫氣外，其他氣體不能通過鈀柵，制作其他氣體的PdMOSFET氣敏傳感器要采用一定措施，如制作CO敏MOSFET時(shí)要在鈀柵上制作約20nm的小孔，就可以允許CO氣體通過。另外，由于PdMOSFET對氫氣有較高的靈敏度，而對CO的靈敏度卻較低，為此可在鈀柵上蒸發(fā)一

16、層厚約20nm的鋁作保護(hù)層，阻止氫氣通過。鈀對氨氣分解反應(yīng)的催化作用較弱，為此，要先在SiO2絕緣層上沉淀一層活性金屬，如Pt、Ir、La等。再制作鈀柵，可制成氨氣敏MOSFET。3固體電解質(zhì)氣體傳感器固體電解質(zhì)是一種具有與電解質(zhì)水溶液相同的離子導(dǎo)電特性的固態(tài)物質(zhì)，當(dāng)用作氣體傳感器時(shí)，它是一種電池。它無需使氣體經(jīng)過透氣膜溶于電解液中，可以避免溶液蒸發(fā)和電極消耗等問題。由于這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，幾乎在石化、環(huán)保、礦業(yè)、食品等各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，其重要性僅次子金屬氧化物一半導(dǎo)體氣體傳感器。1固體電解質(zhì)氧氣傳感器原理同體電解質(zhì)在高溫下才會有明顯的導(dǎo)電性。氧化鋯(ZrO2)是典

17、型的氣體傳感器的材料。純正的氧化鋯在常溫下是單斜晶結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度升到1000左右時(shí)就會發(fā)生同質(zhì)異晶轉(zhuǎn)變，由單斜晶結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嗑ЫY(jié)構(gòu)，并伴隨體積收縮和吸熱反應(yīng)，因此是不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在ZrO2中摻入穩(wěn)定劑如：堿土氧化鈣CaO或稀土氧化釔Y2O3，使其成為穩(wěn)定的熒石立方晶體，穩(wěn)定程度與穩(wěn)定劑的濃度有關(guān)。ZrO2加入穩(wěn)定劑后在l800氣氛下燒結(jié)，其中一部分鋯離子就會被鈣離子替代，生成(ZrOCaO)。由于Ca2+是正二價(jià)離子，Zr4+是正四價(jià)離子，為繼續(xù)保持電中性，會在晶體內(nèi)產(chǎn)生氧離子O2-空穴，這是(ZrOCaO)在高溫下傳遞氧離子的原因，結(jié)果是(ZrOCaO)在300800成為氧離子的導(dǎo)體。但要真正能夠

18、傳遞氧離子還必須在固體電解質(zhì)兩邊有不同的氧分壓(氧位差)，形成所渭的濃差電池。其結(jié)構(gòu)原理如右圖所示，兩邊是多孔的貴金屬電極，與中間致密的ZrOCaO材料制成夾層結(jié)構(gòu)。設(shè)電極兩邊的氧分壓分別為PO2(1)、PO2(2)，在兩電極發(fā)生如下反應(yīng)：(+)極：PO2(2)，2O2-O2+4e(-)極：PO1(1)，O2+4e2O2-上述反應(yīng)的電動(dòng)勢用能斯特方程表示： 可見，在一定溫度下，固定PO2(1)，有上式可求出傳感器(+)極待測氧氣的濃度。固定PO2(1)實(shí)際上是(-)極形成一個(gè)電位固定的電極，即參比電極，有氣體參比電極和共存相參比電極兩種。氣體參比電極可以是空氣或其他混合氣體，如：H2一H2O，

19、CO一CO2也能形成固定的PO2(1)。共存相參比電極是指金屬-金屬氧化物、低價(jià)金屬氧化物-高價(jià)金屬氧化物的混合粉末(固相)，這些混合物與氧氣(氣相)混合發(fā)生氧化反應(yīng)能形成同定的氧壓，因此也能作為參比電極。除了測氧外，應(yīng)用一Al2O3、碳酸鹽、NASICON等固體電解質(zhì)傳感器，還可用來測CO、SO2、NH4等氣體。近年來還出現(xiàn)了銻酸、La3F等可在低溫下使用的氣體傳感器，并可用于檢測正離子。4其他氣體傳感器隨著科技進(jìn)步和生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)以及制造技術(shù)的發(fā)展，新型氣體傳感器不斷推出，極大地改觀了氣體傳感器的面貌。新型氣體傳感器大致可分為兩類：采用新材料(如高分子氣體傳感器)和新原理(如光學(xué)氣體傳感器

20、)等。1采用新材料的氣體傳感器主要是采用高分子材料作為氣敏元件，根據(jù)所采用的換能器可分為以下四類：(1)高分子電阻式氣體傳感器 該類傳感器是通過測量高分子氣敏材料的電阻來測量氣體的體積分壓，目前主要有酞菁聚合物、聚吡咯等。(2)濃差電池式氣體傳感器 典型材料是聚乙烯醇2磷酸，其吸收氣體后具有離子導(dǎo)電能力，可制成濃差電池。(3)聲表面波(SAW)式氣體傳感器 典型材料有聚異丁烯、氟聚多元醇等。這類材料能吸附揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)。被吸附的分子增加了傳感器的質(zhì)量，使聲波在材料表面上的傳播速度或頻率發(fā)生變化，通過測量聲波的速度或頻率來測量氣體體積分?jǐn)?shù)。可用來測量苯乙烯和甲苯等有機(jī)物的蒸汽。(4)

21、石英振子式氣體傳感器 石英振子微秤(QCM)由直徑為數(shù)微米的石英振動(dòng)盤和制作在盤兩邊的電極構(gòu)成。當(dāng)振蕩信號加在器件上時(shí)，器件會在它的特征頻率(130MHz)發(fā)生共振。振動(dòng)盤上淀積了有機(jī)聚合物，聚合物吸附氣體后，使器件質(zhì)量增加，從而引起石英振子的共振頻率降低，通過測定共振頻率的變化來識別氣體。高分子氣體傳感器對特定氣體分子的靈敏度高、選擇性好，結(jié)構(gòu)簡單，可在常溫下使用，克服其他氣體傳感器的不足，發(fā)展前景良好。2光學(xué)式氣體傳感器包括紅外吸收型、光譜吸收型、熒光型、光纖化學(xué)材料型等，主要以紅外吸收型氣體分折儀為主。由于不同氣體的紅外吸收峰不同，可通過測量和分析紅外吸收峰來檢測氣體。已經(jīng)研制開發(fā)了流體

22、切換式、流程直接測定式和傅立葉變換式在線紅外分析儀。近年來還開展了微生物氣體傳感器和仿生氣體傳感器的研究。下圖為各氣體傳感器的測試范圍總結(jié)：三、應(yīng)用實(shí)例一、氣體傳感器在火災(zāi)探測中的應(yīng)用：燃燒產(chǎn)生的可用作火災(zāi)報(bào)警的燃燒釋放氣體主要有CO、CO2 、NOx、CH4 、H22、H2O、胺(-NH2) 等,目前可以用作探測可燃性氣體或火災(zāi)燃燒釋放氣體的氣體傳感器主要有:半導(dǎo)體氣體探測器, 紅外吸收式氣體傳感器,電化學(xué)傳感器以及正在發(fā)展的智能氣體傳感器或電子鼻。1.半導(dǎo)體氣體探測器主要采用上面已經(jīng)介紹過的SnO2型半導(dǎo)體氣體傳感器。工作原理已經(jīng)介紹過，不再贅述。這種氣體傳感器對不同氣體的靈敏度特性如右圖

23、所示 ,敏感元件的阻值R 與空氣中被測氣體的濃度C 成對數(shù)關(guān)系變化:LogR = mLogC + n (m、n 均為常數(shù))m表示隨氣體濃度而變化的傳感器的靈敏度(也稱之為氣體分離率) ,對于可燃性氣體來說,m 值多數(shù)介于1/ 2 至1/ 3 之間) ,n 與氣體靈敏度有關(guān),除了隨傳感器材料和氣體種類不同而變化外,還會由于測量溫度和激活劑的不同而發(fā)生大幅度的變化。這種氣體傳感器可以檢測甲烷、丙烷、一氧化碳、氫氣、酒精、硫化氫等可燃性氣體,并具有檢測靈敏度高、響應(yīng)速度快、實(shí)用價(jià)值大等優(yōu)點(diǎn)。2.紅外吸收式氣體傳感器紅外吸收式氣體傳感器原理基于Lambert-Beer定律,即若對兩個(gè)分子以上的氣體照射

24、紅外光,則分子的動(dòng)能發(fā)生變化,吸收特定波長光,這種特定波長光是由分子結(jié)構(gòu)決定的,由該吸收頻譜判別分子種類,由吸收的強(qiáng)弱可測得氣體濃度。信號探測部分主要由發(fā)射器、探測室和接受器組成,在正常情況下,發(fā)射器發(fā)送檢測氣體對應(yīng)特定吸收波長的脈沖紅外光束,經(jīng)過氣體探測室照射到接收器的光敏元件上。探測室可做成吸收式以提高傳感器的靈敏度并縮短響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)檢測氣體進(jìn)入探測室,接收器接收經(jīng)由檢測室氣體吸收衰減的紅外輻射能量,從而由紅外特征波長得知?dú)怏w的種類,由氣體吸收紅外光束能量的強(qiáng)弱得知?dú)怏w的濃度。該類傳感器具有高抗振能力和抗污染能力,與計(jì)算機(jī)相結(jié)合,能連續(xù)測試分析氣體,能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)校正、自動(dòng)運(yùn)行的功能。紅外吸

25、收式氣體傳感器可以檢測多種氣體,且具有靈敏度高、氣體選擇性好、可靠性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。3. 電化學(xué)式氣體傳感器電化學(xué)式氣體傳感器可分為原電池式,定電位電解式、電量式、離子電極式四種類型。定電位式傳感器是通過測量電解時(shí)流過的電流來檢測氣體的濃度,和原電池式不同的是,它需要由外界施加特定電壓,能檢測CO、NO、NO2、O2、SO2等氣體。電量式氣體傳感器通過被測氣體與電解質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的電流來檢測氣體的濃度。離子電極式氣體傳感器出現(xiàn)得較早,通過測量離子極化電流來檢測氣體的濃度。電化學(xué)式氣體傳感器主要的優(yōu)點(diǎn)是檢測氣體的靈敏度高,選擇性好。表2 為以上三種氣體傳感器性能比較。下面是三種傳感器的對比：檢

26、測方式靈敏度可靠性氣體選擇性相應(yīng)速度穩(wěn)定性處理簡易度采樣系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性測量范圍維護(hù)保養(yǎng)輔助氣體半導(dǎo)體式很好好好很好較好很簡單不要價(jià)格很低10x10-6LEL幾乎不要不要紅外吸收式較好好很好好好較復(fù)雜必要差1x10-6100%必要不要定電位電解式好好好好（2030s）好簡單必要中等大經(jīng)常必要LEL-地爆炸極限（Low Explosion Limit）4智能氣體傳感器智能氣體傳感器又名電子鼻,其工作原理是建立在模擬人的嗅覺形成過程基礎(chǔ)上的,如下圖3所示：(1) 氣敏傳感器陣列,相當(dāng)于初級嗅覺神經(jīng)元。由具有廣譜響應(yīng)特性、交叉靈敏度較大、對不同氣味氣體靈敏度不同的氣敏元件組成。通常,氣敏傳感器陣列可以采用

27、集成工藝制作專用的氣敏傳感器陣列,這種陣列體積小,功耗低,便于信號的集中采集與處理。單個(gè)氣敏傳感器與傳感器陣列在特性上有質(zhì)的區(qū)別,單個(gè)氣敏傳感器對氣味或氣體的響應(yīng)可用強(qiáng)度來表示,而氣敏傳感器陣列除了各個(gè)傳感器的響應(yīng)外,在全部傳感器組成的多維空間中形成響應(yīng)模式,而這正是電子鼻能對多種氣味和氣體進(jìn)行辨識的關(guān)鍵所在。(2) 信號預(yù)處理單元,它對傳感器陣列的響應(yīng)模式進(jìn)行預(yù)加工,完成特征提取。如在氣味或氣體的定性辨識中,采用歸一化算法可在一定程度上消除濃度對傳感器輸出的影響。(3) 模式識別單元,相當(dāng)于動(dòng)物和人類的大腦,它運(yùn)用一定的算法完成氣味或氣體的定性定量辨識. 電子鼻中,模式識別算法有:相關(guān)算法、

28、最小二乘法、聚類方法、主成分分析法、偏最小二乘法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法模糊邏輯法等。模式識別過程可以概括為建立已知?dú)馕兜男畔?shù)據(jù)庫、處理待測氣味信息、提取待測氣味信息的特征、特征分類和判定等5 個(gè)步驟 。電子鼻可在多種氣體共存的復(fù)雜混合氣體中定量地對多種氣體進(jìn)行識別分析,靈敏度可達(dá)幾個(gè)ppb ,具有智能、小型化等優(yōu)點(diǎn),具有廣泛而重要的應(yīng)用前途。特殊場所可燃?xì)怏w火災(zāi)探測：在煤礦、石油、化工等企業(yè),一旦發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏,極易造成大面積火災(zāi)并引發(fā)爆炸事故,所以在這些場所對煤氣、天然氣、液化氣等可燃性氣體進(jìn)行氣體泄漏檢測,可以做到極早期地預(yù)防災(zāi)害的發(fā)生?？扇?xì)怏w監(jiān)測原理是:針對某種具體的易燃易爆氣體,選擇對

29、該氣體具有一定選擇性、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短的氣體傳感器,將氣體傳感器安裝在生產(chǎn)、儲備、使用等車間場所中,及時(shí)檢測氣體含量,如果可燃性氣體含量達(dá)到預(yù)先設(shè)定閾值或氣體濃度達(dá)到氣體最低爆炸濃度界限,通過控制器啟動(dòng)報(bào)警裝置或聯(lián)動(dòng)保護(hù)系統(tǒng),從而達(dá)到預(yù)防火災(zāi)災(zāi)害、減小爆炸危險(xiǎn)的目的?，F(xiàn)行的可燃?xì)怏w探測器一般都是點(diǎn)型氣體探測器,在實(shí)際應(yīng)用中存在壽命短、易中毒、探測器面積小等缺陷,因此目前現(xiàn)場應(yīng)用一般只限于在重點(diǎn)位置安放?；跉怏w分子紅外吸收原理的大面積可燃?xì)怏w探測器在90 年代初期由英國西格公司首創(chuàng),沈陽消防科研所填補(bǔ)了我國在此項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域的空白,自行研制開發(fā)了線型紅外可燃?xì)怏w探測器,采用雙波段實(shí)現(xiàn)對可燃?xì)怏w

30、的探測,一對探測器的最遠(yuǎn)探測距離可達(dá)80m ,探測靈敏度高、響應(yīng)速度快,不會因某種氣體中毒而損壞器件,也不會因可燃?xì)怏w濃度過高而降低性能。由于該系統(tǒng)采用了雙波段互補(bǔ)技術(shù)、信號窄脈沖同步分離技術(shù)、探測器工作點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整技術(shù),最大限度地消除了灰塵、雨、雪、霧等自然環(huán)境對系統(tǒng)工作的影響,較好地解決了系統(tǒng)在較惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定運(yùn)行問題。其探測效率、壽命、性能穩(wěn)定都遠(yuǎn)優(yōu)于目前應(yīng)用的點(diǎn)型可燃?xì)怏w控制器。多參數(shù)復(fù)合火災(zāi)探測利用傳統(tǒng)火災(zāi)探測器如感煙探測器等和氣體傳感器結(jié)合形成多元復(fù)合火災(zāi)探測技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)早期火災(zāi)可靠探測,從而改善火災(zāi)探測的準(zhǔn)確度并降低誤報(bào)率。高靈敏度的光聲火災(zāi)氣體探測利用光聲氣體傳感器的高靈敏

31、度、快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn),可以對微量火災(zāi)氣體進(jìn)行探測從而實(shí)現(xiàn)火災(zāi)早期預(yù)報(bào)。這種氣體傳感器原理是:氣體吸收入射脈沖調(diào)制紅外光束后產(chǎn)生聲波,通過對聲波信號檢測得知?dú)怏w濃度。下圖左為Nebiker 等人開發(fā)的一種光聲火災(zāi)氣體檢測裝置 ,通過控制真空燈泡脈沖電流得到脈沖調(diào)制的紅外光源,這種脈沖光源省略了斬波器、馬達(dá)等設(shè)備,而且可以由燈泡的亮度、燈泡的溫度、脈沖寬度來實(shí)現(xiàn)紅外光源的可靠穩(wěn)定。當(dāng)檢測氣體進(jìn)入約1cm3 大小的檢測室后,在氣體吸收波長脈沖光源作用下產(chǎn)生聲波,通過微音器檢測送入放大處理電路,經(jīng)過數(shù)字處理后得到氣體的濃度。如下圖右 ,利用這種光聲火災(zāi)氣體檢測裝置對歐洲實(shí)驗(yàn)火TF2 氣體濃度進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)

32、,在陰燃階段CO濃度即表現(xiàn)了一定程度的增長,而CO2增長較慢,當(dāng)陰燃轉(zhuǎn)為明火時(shí),CO2氣體濃度顯著增加, 同時(shí)CO氣體濃度顯著減少,在整個(gè)過程中,始終有少量CH4氣體的釋放,最高濃度可達(dá)20ppm左右。實(shí)驗(yàn)證明光聲氣體探測器能探測火災(zāi)早期現(xiàn)象,在火災(zāi)探測領(lǐng)域有極大的發(fā)展和應(yīng)用前景。 智能火災(zāi)探測智能火災(zāi)探測是指探測系統(tǒng)采用有模糊邏輯算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能化算法以及它們的復(fù)合算法,能夠根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行參數(shù),即具有自學(xué)習(xí)功能和自適應(yīng)能力,同時(shí)對信號的處理、報(bào)警的確定以及聯(lián)動(dòng)邏輯等功能都采取智能算法,從而更接近人的感觀和實(shí)際情況,提高火災(zāi)報(bào)警和聯(lián)動(dòng)控制的準(zhǔn)確性和可靠性。智能氣體探測技術(shù)近年來在火

33、災(zāi)探測領(lǐng)域得到的一定程度的發(fā)展,最早的電子鼻火災(zāi)探測器成功地區(qū)分出了燃著的香煙和燃燒各種木材的氣味,如區(qū)分出橡木、紅木和火柴梗燃燒的不同氣味。目前利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件智能火災(zāi)氣體探測器已能隨機(jī)自動(dòng)辨認(rèn)各類火災(zāi)氣體,下一步工作是對多種類型火災(zāi)的辨認(rèn)能力、失報(bào)條件、早期報(bào)警能力和執(zhí)行持續(xù)性監(jiān)測的工程技術(shù)問題進(jìn)行深入研究。電子鼻技術(shù)在火災(zāi)探測領(lǐng)域的研究將拓展氣體傳感器的研究領(lǐng)域,擴(kuò)大氣體傳感器的應(yīng)用范圍,提高火災(zāi)探測的智能化和可靠性。二、酒精測試儀酒精測試儀的電路如下圖所示,該測試儀只要被試者向傳感器探頭吹一口氣,便可顯示出醉灑的程度。氣體傳感器可選用TGS812。IC為顯示驅(qū)動(dòng)電路,其輸出端連接發(fā)光二極管, 發(fā)光二極管可采用不同顏色,以區(qū)分酒精濃度。當(dāng)氣體傳感器探不到酒精時(shí),QM的1、4間電阻較大,使IC5腳的電平為低電平,IC不工作,發(fā)光二極管不亮;當(dāng)氣體傳感器探測到酒精時(shí),1、4間電阻變低,從而使IC5腳電平變高,推動(dòng)IC工作, 驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管點(diǎn)亮。酒精含量越高,則QM的電阻阻值越小,IC5腳的電平越高,依次點(diǎn)亮發(fā)光二極管就多。三、家庭燃?xì)鈭?bào)警器家庭燃?xì)鈭?bào)警器的組成如下圖所示。潔凈空氣中,氣敏傳感器的電阻較大,在電阻R上的輸出電壓較小;而當(dāng)檢測到泄漏的燃?xì)鈺r(shí),氣敏傳感器的電阻變小,R上的輸出電壓增大,