新型傳感器作業(yè)

電化學(xué)氣體傳感器摘要：由于現(xiàn)代科技進步和工業(yè)的開展，工業(yè)中產(chǎn)生的各種廢氣散發(fā)的有毒氣體對人們的生活造成了巨大危害。因此，對有毒有害氣體進展定性定量檢測,及時了解環(huán)境中的有毒有害氣體的信息，對于實現(xiàn)空氣凈化設(shè)備的智能化控制具有十分重要的意義。本文設(shè)計了一個基于無線傳感器的有毒氣體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，采用多種電化學(xué)氣體傳感器采集信號，然后利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)進展數(shù)據(jù)收發(fā)和處理，從而實現(xiàn)了在線檢測空氣中的有毒氣體濃度。整個系統(tǒng)的功能具有集成化、體積小、容易與后續(xù)處理設(shè)備集成并實現(xiàn)智能控制。本文主要介紹了氣體傳感器其現(xiàn)狀和開展趨勢以及特性、系統(tǒng)的整體構(gòu)成、工作原理、傳感器的選擇，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建等。關(guān)鍵詞：有毒氣體監(jiān)測；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；電化學(xué)傳感器前言隨著電子信息技術(shù)的開展，現(xiàn)代工業(yè)蓬勃開展，人們的生活水平越來越高?，F(xiàn)代工業(yè)的開展一方面為人類創(chuàng)造出巨大的財富，另一方面卻給生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重的污染。工業(yè)生產(chǎn)中使用的氣體原料和在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氣體的種類和數(shù)量隨著工業(yè)的開展而越來越多。這些氣體中有毒性氣體和可燃性氣體，它們不僅污染環(huán)境，而且有產(chǎn)生爆炸、火災(zāi)以及使人中毒的危險。在人們生活方面，天然氣、液化氣的推廣普及，熱水器的應(yīng)用，給人們帶來了很大的方便，但是也因此引發(fā)了不少煤氣泄漏、爆炸事件。我們必須對這些氣體做出迅速準(zhǔn)確的檢測和向人們發(fā)出危險警報，確保人們生命和財產(chǎn)的平安，而氣體傳感器正是能夠定性定量地檢測出這些氣體并發(fā)出警報的裝置，氣體傳感器已經(jīng)成為現(xiàn)代生活必不可少的一種電子設(shè)備。無論是在工業(yè)生產(chǎn)還是家居生活中，人們廣泛地應(yīng)用各種各樣的氣體傳感器。氣體傳感器能夠?qū)崟r對各種氣體進展檢測和分析，通過多年的研究開展，具有較好的穩(wěn)定性和選擇性等優(yōu)點；加上微電子、微加工技術(shù)和自動化、智能化技術(shù)的迅速開展，使得氣體傳感器體積變小、價格低廉、使用方便，因此它在軍事、醫(yī)學(xué)、交通、環(huán)保、質(zhì)檢、防偽、家居等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。一、氣體傳感器的現(xiàn)狀和開展趨勢1.1氣體傳感器的現(xiàn)狀在工業(yè)興旺國家，如美國、日本、英國、德國等，氣體傳感器均己開展成為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，具有產(chǎn)品系列化、生產(chǎn)規(guī)模化、工藝技術(shù)先進、結(jié)構(gòu)形式多樣、應(yīng)用電路先進、應(yīng)用圍廣泛等特點。我國近20多年來，經(jīng)過科技攻關(guān)，氣敏元件與氣體傳感器的制造技術(shù)有了很大的進步，在設(shè)計、關(guān)鍵工藝、可靠性、產(chǎn)品開發(fā)等方面均有不同程度的突破與創(chuàng)新。氣敏元件傳感器作為新型敏感元件傳感器在國家列為重點支持，國己有一定的根底。在研究方面，隨著改革開放的深入，今年來我國在氣體傳感器材料開發(fā)、元器件的制造工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計及檢測氣體選擇性等方面都有了新的開展，主要表現(xiàn)在燒結(jié)型氣體敏感元件的工藝有了新的改良，外表參雜、外表覆膜、外表制作催化劑反響層和隔離層等外表修飾方法被引入到傳統(tǒng)的燒結(jié)型元件中，改良了元件的性能。但在先進技術(shù)方面，我國的整體水平與國外興旺國家相比仍有較大差距。主要表現(xiàn)在核心制造技術(shù)嚴(yán)重滯后于國外，國產(chǎn)品質(zhì)量不高；在研究的廣度和深度上差距也較大；產(chǎn)品品種不全、規(guī)格少，新品欠缺；科技創(chuàng)新差，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品少；而且人才資源匱乏，產(chǎn)業(yè)開展缺乏，統(tǒng)籌規(guī)劃缺乏，投資力度不夠?？偟目磥恚覈鴼怏w傳感器及其應(yīng)用技術(shù)有了較快進展，但與國外先進水平仍有較大的差距，必須加快氣體傳感器的開展，使其更廣泛的應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)巳粘Ｉ钪腥ァ?.2氣體傳感器開展趨勢目前，國外對氣體傳感器的研究非常活潑，跟其他傳感器一樣，特別是在新材料、新結(jié)構(gòu)等方面的研究進展很快，其開展趨勢集中表現(xiàn)為：〔1〕開發(fā)新的氣敏材料，應(yīng)用新材料、新工藝技術(shù)，并通過控制材料的微細(xì)結(jié)構(gòu)，研制出新型的氣體傳感器，使其具有更短的響應(yīng)時間，更高的靈敏度和更好的選擇性?！?〕進一步結(jié)合計算機技術(shù)，使氣體傳感器實現(xiàn)智能化和網(wǎng)絡(luò)化，研制開發(fā)仿生氣體傳感器系統(tǒng)一電子鼻，它能夠自動識別不同種類的氣體及其濃度，這是氣體傳感器開展的一個新方向。二、氣體傳感器簡介氣體傳感器是用來測量氣體的種類或濃度的傳感器，是一種能把待測氣體中的特定成分檢測出來，并將成分參量轉(zhuǎn)換成為電信號輸出的器件或裝置，可以定性或定量的檢測出氣體特定的組成成分。隨著氣體傳感器性能R益完善，其應(yīng)用圍也越來越廣泛。最初氣體傳感器用于可燃性氣體和瓦斯泄漏報警，后來推廣應(yīng)用于有毒氣體的檢測，容器或管道泄漏的檢漏，環(huán)境檢測等。氣體傳感器是傳感器中的一個重要分支，現(xiàn)在它幾乎在各個技術(shù)領(lǐng)域都涉及到氣體傳感器的應(yīng)用，如工業(yè)生產(chǎn)、軍事、科學(xué)研究、交通運輸、航空航天、環(huán)境保護、生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生、平安防和家用電器等方面?，F(xiàn)代化的生活離不開各式各樣的傳感器，未來的社會將是充滿傳感器的世界。氣體傳感器的種類有很多，分類方法也各式各樣。按工作方式的不同，可以分為干式、濕式兩大類；按基體材料的不同，可以分為金屬氧化物系、有機高分子系、固體電解質(zhì)系等；按結(jié)構(gòu)形式的不同，可以分為燒結(jié)型、薄膜型、厚膜型、結(jié)型等；按被測氣體的不同，可以分為氧敏器件、酒敏器件、氫敏器件等；按工作機理的不同，可以分為電阻型、電容型、場效應(yīng)型、頻率型、電化學(xué)型等。三、氣體傳感器的特性氣體傳感器的根本特征，即穩(wěn)定性、靈敏度、選擇性以及抗腐蝕性等，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到達最優(yōu)。穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指傳感器在整個工作時間根本響應(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%。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-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穿插靈敏度可以通過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，因為穿插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。四、系統(tǒng)設(shè)計4.1系統(tǒng)整體設(shè)計思想有毒氣體無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)主要由能實現(xiàn)對CO、甲醛、02、03、苯等氣體檢測的監(jiān)測節(jié)點和能接收各監(jiān)測點數(shù)據(jù)、發(fā)送監(jiān)控命令的中心控制平臺組成。監(jiān)測節(jié)點是系統(tǒng)的重要組成局部，它包括氣體傳感器模塊、傳感器工作電路、信號處理圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4.2系統(tǒng)硬件設(shè)計有毒氣體無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)硬件局部主要包括氣體傳感器模塊、信號調(diào)理模塊4.3傳感器的選擇在整個系統(tǒng)中，傳感器是采集氣體種類及濃度信息的主要器件，是整個系統(tǒng)的核心之一，它的選擇直接決定了整個系統(tǒng)的識別能力、識別圍、使用壽命等因此，系統(tǒng)選擇傳感器需要考慮以下幾個方面：能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測、抗干擾性好響應(yīng)速度要快、體積小、價格低、量程根據(jù)國標(biāo)選擇等。經(jīng)過對各種原理的傳感器的分析，以及市場上有售的傳感器的比照，最終選擇了由瑞士生產(chǎn)的電化學(xué)傳感器，如圖3所示。具體傳感器參數(shù)如下：圖3氣體傳感器1.一氧化碳電化學(xué)傳感器，我們選用CO/CF-1000,該產(chǎn)品帶過濾酸性氣體的置過濾器，傳感器抗干擾能力強，其測量圍為0T000ppm,最大負(fù)荷2000ppm,分辨率為0.5ppm,響應(yīng)時間〈40s，使用壽命長達3年，能滿足系統(tǒng)的要求。2?甲醛電化學(xué)傳感器，選用的是CH2O/C-10，其測量圍為0-10ppm,最大負(fù)載50ppm，分辨率為0.05ppm,響應(yīng)時間〈50s，使用壽命長達3年。3?氧氣電化學(xué)傳感器，選用的是1-02,其測量圍為0-100VoL%，響應(yīng)時間〈15seconds，使用壽命為6年。4?臭氧電化學(xué)傳感器，選用的是03/C-5,其測量圍為0-5ppm,最大負(fù)載50ppm，響應(yīng)時間〈60s,使用壽命為2年。5.二氧化硫電化學(xué)傳感器，選用的是SO2/C-100,其測量圍為0T00ppm,最大負(fù)載為500ppm,分辨率為0.5ppm,響應(yīng)時間〈25s,使用壽命為2年。4.4氣體傳感器電路傳感器采用的是恒電位式電化學(xué)氣體傳感器，它靈敏度高，精度高，氣體選擇性好。以甲醛傳感器為例，量程為OTOppm,可測氣體精度達0.05ppm。被測氣體進入傳感器，在恒電位環(huán)境下進展氧化復(fù)原反響，根據(jù)濃度變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流輸出。圖4氣體傳感器電路具體電路如圖4所示。該電路由氣體傳感器、場效應(yīng)管J177、MC3403及電子線路等組成。當(dāng)系統(tǒng)處于斷電狀態(tài)時，場效應(yīng)管J177導(dǎo)通，傳感器參考電極R和工作電極S處于短路狀態(tài)，使傳感器一直保持在“準(zhǔn)備工作〃狀態(tài)，否那么它需要一個很長的開啟時間，對氣體檢測響應(yīng)太慢。當(dāng)系統(tǒng)通電以后，場效應(yīng)管J177斷開，U2B通過對電極C向工作電極S提供電流，使工作極和參考電極之間電壓恒定，傳感器處于恒電位狀態(tài)下工作。電流信號由工作電極S輸出，經(jīng)電阻R7、C2、U2A組成的低通反向放大電路后，輸出與氣體濃度成比例的電壓信號。信號調(diào)理模塊電路氣體傳感器的信號調(diào)理電路主要用來對傳感器信號進展后續(xù)處理，以到達A/D轉(zhuǎn)換輸入電壓圍的要求。由于系統(tǒng)有多路傳感器信號輸出，為減小系統(tǒng)體積,必須對信號處理電路進展集成化設(shè)計。由于氣體傳感器的種類不同，它們輸出信號的大小、極性都不一樣，要對信號處理電路進展集成化設(shè)計，必須對這些傳感器輸出信號進展分類。0、甲醛等氣體傳感器經(jīng)工作電路處理以后輸出的是正信號，而03等氧化性氣體傳感器，由于電化學(xué)反響的電子得失和復(fù)原性氣體相反，經(jīng)過工作電路輸出的負(fù)信號。無線收發(fā)模塊電路無線收發(fā)模塊采用無線射頻CC2420模塊，。基于Chipcon公司的SmartRF03技術(shù)，使用CMOS工藝生產(chǎn)，工作電壓低、能耗低、體積小，具有數(shù)字輸出信號強度和收發(fā)頻率可編程等特點。微處理器采用Atmel公司的ATmegal28L°CC2420通過SPI接口與微控制器連接，節(jié)點與計算機之間通過RS-232進展數(shù)據(jù)通信。結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。圖5無線收發(fā)模塊穩(wěn)定性和抗干擾性設(shè)計在外界環(huán)境下，要想提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，必須在設(shè)計中考慮采取的保護和增強穩(wěn)定性的措施?！?〕電源保護：電源接反、超壓、浪涌是工業(yè)上常見的電源問題。電源接反是設(shè)備安裝接線時最容易發(fā)生的錯誤，在系統(tǒng)設(shè)計中，通過在輸入口串一只二極管即可防止接反電源時損壞電路。〔2〕退偶電容：電源端的干擾處理在電路設(shè)計中十分重要，當(dāng)電源端引入噪聲經(jīng)過放大以后，可能把原有的信號淹沒，在系統(tǒng)設(shè)計中對各個器件的電源進展退偶處理，能很好的抑制噪影響可能就很大，在系統(tǒng)設(shè)計中，通過在各級放大中設(shè)計低通濾波器，對噪聲的抑制起到很大作用。五、結(jié)論本文介紹了氣體傳感器的現(xiàn)狀和開展歷史，研究背景、分析了氣體傳感器的特性，從傳感器的選擇、氣體傳感器集成化設(shè)計、無線通訊系統(tǒng)設(shè)計、等方面進展了研究，設(shè)計了一個基于無線傳感器的有毒氣體監(jiān)測