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(shuō)，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(hào)的器件或裝置，在有些國(guó)家或科學(xué)領(lǐng)域，也將傳感器稱為變換器、檢測(cè)器或探測(cè)器等。將物理量或化學(xué)量得變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)是傳感器的最終目的。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC：International Electrotechnical Committee）的定義為：“傳感器是測(cè)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(cè)量的信號(hào)”。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 776587給傳感器的定義是：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)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(hào)，一般即指易于處理和傳輸?shù)碾娦盘?hào)。從這個(gè)角度也可以說(shuō)傳感器即為將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。當(dāng)然，可以預(yù)料，將來(lái)的“可用信號(hào)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(chǎng)合，并對(duì)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(duì)傳感器本質(zhì)的理解和對(duì)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(chǎng)的定律。包括運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)定律，電磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(lái)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(hào)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(lái)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(cè)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(cè)有毒氣體的傳感器，如氯氣、硫化氫、砷烷等；用于檢測(cè)工業(yè)過(guò)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(cè)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(cè)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(duì)氣體傳感器的基本性能要求是：1.選擇性，能按要求檢測(cè)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(zhǎng)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(jiàn)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(chǎng)效應(yīng)管(M()SFET)，它利用了敏感氣體會(huì)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(duì)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(guò)濾設(shè)備或透氣膜外過(guò)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(duì)CH4的靈敏度，摻雜Ir可降低對(duì)CH4的靈敏度，摻雜Pt、Au提高對(duì)H2的靈敏度，摻雜Pd降低對(duì)H2的靈敏度。工作溫度對(duì)傳感器的靈敏度有影響。下圖左圖為SnO2氣敏器件對(duì)各

9、種氣體溫度的電阻特性曲線。由圖可見(jiàn)，器件在不同溫度下對(duì)各種氣體的靈敏度不同，利用這一特性可以識(shí)別氣體種類。制備工藝對(duì)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(cè)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(duì)H2的靈敏度曲線呈拋物線，而對(duì)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(cè)H2。而燒結(jié)溫度為400制成的器件，工作溫度為200時(shí)，對(duì)H2、CO

10、的靈敏度曲線形狀都近似呈直線，但對(duì)CO的靈敏度要高得多，可以制成對(duì)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(cè)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(jiǎn)單，使用方便，可以檢測(cè)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?？諝鈼l件下的阻值。工作電阻Rs表示氣體傳感器在一定濃度被測(cè)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(cè)氣體中元件阻值之比來(lái)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(wèn)來(lái)表示。(4)恢復(fù)時(shí)問(wèn)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(cè)氣體起，直到傳感器電阻值恢復(fù)至

12、正?？諝鈼l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(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、對(duì)濕度敏感低和電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。不足之處是必須工作于高溫下，對(duì)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(cè)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(jiàn)的半導(dǎo)體氣敏器件，這類器件使用方便，無(wú)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(lái)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(duì)氫氣具有選擇性，它與半導(dǎo)體接觸形成接觸勢(shì)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(méi)有變化，這是肖特基二極管的整流特性。在檢測(cè)氣氛中，由于對(duì)氫氣的吸附作用，貴金屬的功函數(shù)改變，接觸勢(shì)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(huì)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(guò)測(cè)量二極管的正向電流可以檢測(cè)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(chǎng)效應(yīng)管的柵極，將使場(chǎng)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(cè)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(huì)降低。(2)

15、對(duì)氣體選擇性 鈀原子間的“空隙”恰好能讓氫原子通過(guò)，因此，鈀柵只允許氫氣通過(guò)，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(zhǎng)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(guò)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(guò)。另外，由于PdMOSFET對(duì)氫氣有較高的靈敏度，而對(duì)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(guò)。鈀對(duì)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(wú)需使氣體經(jīng)過(guò)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(wèn)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(huì)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(huì)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(huì)被鈣離子替代，生成(ZrO·CaO)。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(huì)在晶體內(nèi)產(chǎn)生氧離子O2-空穴，這是(ZrO·CaO)在高溫下傳遞氧離子的原因，結(jié)果是(ZrO·CaO)在300

18、800成為氧離子的導(dǎo)體。但要真正能夠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ZrO·CaO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(shì)用能斯特方程表示： 可見(jiàn)，在一定溫度下，固定PO2(1)，有上式可求出傳感器(+)極待測(cè)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

19、電極可以是空氣或其他混合氣體，如：H2一H2O，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(cè)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(lái)測(cè)CO、SO2、NH4等氣體。近年來(lái)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(cè)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

20、(如高分子氣體傳感器)和新原理(如光學(xué)氣體傳感器)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(guò)測(cè)量高分子氣敏材料的電阻來(lái)測(cè)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(guò)測(cè)量聲波的速度或頻率來(lái)測(cè)量氣體體積分

21、數(shù)?？捎脕?lái)測(cè)量苯乙烯和甲苯等有機(jī)物的蒸汽。(4)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(hào)加在器件上時(shí)，器件會(huì)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(guò)測(cè)定共振頻率的變化來(lái)識(shí)別氣體。高分子氣體傳感器對(duì)特定氣體分子的靈敏度高、選擇性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)測(cè)

22、量和分析紅外吸收峰來(lái)檢測(cè)氣體。已經(jīng)研制開發(fā)了流體切換式、流程直接測(cè)定式和傅立葉變換式在線紅外分析儀。近年來(lái)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器主要采用上面已經(jīng)介紹過(guò)的SnO2型半導(dǎo)體氣體傳感器。工作原理已經(jīng)介紹過(guò)，不再

23、贅述。這種氣體傳感器對(duì)不同氣體的靈敏度特性如右圖所示 ,敏感元件的阻值R 與空氣中被測(cè)氣體的濃度C 成對(duì)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(duì)于可燃性氣體來(lái)說(shuō),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(huì)由于測(cè)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(cè)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(cè)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Lambe

24、rt-Beer定律,即若對(duì)兩個(gè)分子以上的氣體照射紅外光,則分子的動(dòng)能發(fā)生變化,吸收特定波長(zhǎng)光,這種特定波長(zhǎng)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(cè)得氣體濃度。信號(hào)探測(cè)部分主要由發(fā)射器、探測(cè)室和接受器組成,在正常情況下,發(fā)射器發(fā)送檢測(cè)氣體對(duì)應(yīng)特定吸收波長(zhǎng)的脈沖紅外光束,經(jīng)過(guò)氣體探測(cè)室照射到接收器的光敏元件上。探測(cè)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(cè)氣體進(jìn)入探測(cè)室,接收器接收經(jīng)由檢測(cè)室氣體吸收衰減的紅外輻射能量,從而由紅外特征波長(zhǎng)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(cè)試分

25、析氣體,能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)校正、自動(dòng)運(yùn)行的功能。紅外吸收式氣體傳感器可以檢測(cè)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(guò)測(cè)量電解時(shí)流過(guò)的電流來(lái)檢測(cè)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(cè)CO、NO、NO2、O2、SO2等氣體。電量式氣體傳感器通過(guò)被測(cè)氣體與電解質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的電流來(lái)檢測(cè)氣體的濃度。離子電極式氣體傳感器出現(xiàn)得較早,通過(guò)測(cè)量離子極化電流來(lái)檢測(cè)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(cè)氣體的靈敏度高,選擇性好。表2 為以上三

26、種氣體傳感器性能比較。下面是三種傳感器的對(duì)比：檢測(cè)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(jiǎn)易度采樣系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性測(cè)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(jiǎn)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(jiǎn)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(jué)形成過(guò)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(jí)嗅覺(jué)神經(jīng)元。由具有廣譜響應(yīng)特性、交叉靈敏度較大、對(duì)不同氣味氣體靈敏度

27、不同的氣敏元件組成。通常,氣敏傳感器陣列可以采用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(hào)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(duì)氣味或氣體的響應(yīng)可用強(qiáng)度來(lái)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(duì)多種氣味和氣體進(jìn)行辨識(shí)的關(guān)鍵所在。(2) 信號(hào)預(yù)處理單元,它對(duì)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(shí)中,采用歸一化算法可在一定程度上消除濃度對(duì)傳感器輸出的影響。(3) 模式識(shí)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

28、定量辨識(shí). 電子鼻中,模式識(shí)別算法有:相關(guān)算法、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(shí)別過(guò)程可以概括為建立已知?dú)馕兜男畔?shù)據(jù)庫(kù)、處理待測(cè)氣味信息、提取待測(cè)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(duì)多種氣體進(jìn)行識(shí)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(chǎng)所可燃?xì)怏w火災(zāi)探測(cè)：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(chǎng)所對(duì)煤氣、天然氣、液化氣等可燃性氣體進(jìn)行氣體泄漏檢測(cè),可以做到極早期地預(yù)防災(zāi)害的發(fā)生?？扇?xì)?/p>

29、體監(jiān)測(cè)原理是:針對(duì)某種具體的易燃易爆氣體,選擇對(duì)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(chǔ)備、使用等車間場(chǎng)所中,及時(shí)檢測(cè)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(guò)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。現(xiàn)行的可燃?xì)怏w探測(cè)器一般都是點(diǎn)型氣體探測(cè)器,在實(shí)際應(yīng)用中存在壽命短、易中毒、探測(cè)器面積小等缺陷,因此目前現(xiàn)場(chǎng)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(cè)器在90 年代初期由英國(guó)西格公司首創(chuàng),沈陽(yáng)消防科研所填補(bǔ)了我國(guó)在此項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域的空白,自行研制開發(fā)了

30、線型紅外可燃?xì)怏w探測(cè)器,采用雙波段實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃?xì)怏w的探測(cè),一對(duì)探測(cè)器的最遠(yuǎn)探測(cè)距離可達(dá)80m ,探測(cè)靈敏度高、響應(yīng)速度快,不會(huì)因某種氣體中毒而損壞器件,也不會(huì)因可燃?xì)怏w濃度過(guò)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(hào)窄脈沖同步分離技術(shù)、探測(cè)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(duì)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(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題。其探測(cè)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(cè)利用傳統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)器如感煙探測(cè)器等和氣體傳感器結(jié)合形成多元復(fù)合火災(zāi)探測(cè)技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)早期火災(zāi)可靠探測(cè),從而改善火災(zāi)探測(cè)的準(zhǔn)確度并降低誤報(bào)率。高靈

31、敏度的光聲火災(zāi)氣體探測(cè)利用光聲氣體傳感器的高靈敏度、快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn),可以對(duì)微量火災(zāi)氣體進(jìn)行探測(cè)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(guò)對(duì)聲波信號(hào)檢測(cè)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(cè)裝置 ,通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)紅外光源的可靠穩(wěn)定。當(dāng)檢測(cè)氣體進(jìn)入約1cm3 大小的檢測(cè)室后,在氣體吸收波長(zhǎng)脈沖光源作用下產(chǎn)生聲波,通過(guò)微音器檢測(cè)送入放大處理電路,經(jīng)過(guò)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

32、檢測(cè)裝置對(duì)歐洲實(shí)驗(yàn)火TF2 氣體濃度進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn),在陰燃階段CO濃度即表現(xiàn)了一定程度的增長(zhǎng),而CO2增長(zhǎng)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(guò)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(cè)器能探測(cè)火災(zāi)早期現(xiàn)象,在火災(zāi)探測(cè)領(lǐng)域有極大的發(fā)展和應(yīng)用前景。 智能火災(zāi)探測(cè)智能火災(zāi)探測(cè)是指探測(cè)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(chǎng)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(duì)信號(hào)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)

33、控制的準(zhǔn)確性和可靠性。智能氣體探測(cè)技術(shù)近年來(lái)在火災(zāi)探測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)的工程技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行深入研究。電子鼻技術(shù)在火災(zāi)探測(cè)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(cè)的智能化和可靠性。二、酒精測(cè)試儀酒精測(cè)試儀的電路如下圖所示,該測(cè)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(cè)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(cè)到泄漏的燃?xì)鈺r(shí),氣敏傳感器的電阻變小,R上的