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(cè)氣體的類(lèi)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(cè)可燃性氣體、有害氣體的允許濃度，并 能及時(shí)給出顯示、報(bào)警和控制信號(hào)；（2）對(duì)被測(cè)氣體以外的共存氣體或物質(zhì)不敏感；（3）性能長(zhǎng)期穩(wěn)定;（4）響應(yīng)快、重復(fù)性好；（5）使用維護(hù)方便、價(jià)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(kāi)采、森林亂砍亂伐、及空氣污染，這些都嚴(yán)重威脅人類(lèi)的生存與發(fā)展。 氣體與人類(lèi)的生存與發(fā)展息息相關(guān)，有效地檢測(cè)氣體的成分與濃度，并加以調(diào)節(jié)和控制，有利于人類(lèi)改善和保護(hù)人類(lèi)自身的生存環(huán)

2、境，促進(jìn)人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。 被測(cè)氣體的種類(lèi)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(lái)檢測(cè)所有的各種氣體，檢測(cè)方法應(yīng)隨氣體種類(lèi)、濃度、成分和用途而異。主要分為危險(xiǎn)與有害氣體：危險(xiǎn)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(duì)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(cè)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(qiáng)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(chēng)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(cè)低濃度的氣體。（2）響應(yīng)時(shí)間從氣敏元件和被測(cè)接觸，到氣敏元件的阻值達(dá)到新的穩(wěn)定值所需的時(shí)間。表示氣敏元件對(duì)被測(cè)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(lèi)的能力成為選擇性。對(duì)某種氣體的選擇性好，即氣敏元件對(duì)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(jìn)一步的研究。 (4)穩(wěn)定性 當(dāng)氣體濃度不變時(shí)，若其它條件發(fā)生變 化，在規(guī)定時(shí)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(duì)被測(cè)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(wàn)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(cè)儀器測(cè)得的氣體濃度都是體積濃度（ppm）。而按我國(guó)規(guī)定，特別是環(huán)保部門(mén)，則要求氣體濃度以質(zhì)量濃度的單位（如：mg/m3）表示，我們國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算出污染物的真正量。但質(zhì)量濃度與檢測(cè)氣體的溫度、壓力環(huán)境條件有關(guān)，其數(shù)值會(huì)隨著溫度、氣壓等環(huán)境條件的

5、變化而不同；實(shí)際測(cè)量時(shí)需要同時(shí)測(cè)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(shí)，由于采取的是體積比，不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)題。 濃度單位ppm與mg/m3的換算：按下式計(jì)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(cè)定的體積濃度值； T為溫度； Ba為壓力； 如果濕度很大時(shí)，例如在100%相對(duì)濕度下，還需另外一項(xiàng)。（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(duì)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(duì)氣敏元件加熱（200400）。 當(dāng)加熱的氣敏元件表面接觸并吸附被測(cè)氣體時(shí)，首先是被吸附的分子在表面自由擴(kuò)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(shí)，則被吸附氣體分子就會(huì)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(gè)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(dāng)半導(dǎo)體氣敏傳感器在潔凈的空氣中開(kāi)始通電加熱時(shí)，其阻值急劇下降，幾分鐘后達(dá)到穩(wěn)定，這段時(shí)間稱(chēng)為初始穩(wěn)定時(shí)間。當(dāng)電

7、阻值處于穩(wěn)定之后，會(huì)隨被測(cè)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(dá)到初始穩(wěn)定狀態(tài)以后的敏感元件才能用于氣體檢 測(cè)。 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(cè)對(duì)象有一氧化碳、甲烷、酒精等可燃性氣體。氣體檢測(cè)靈敏度隨被測(cè)氣體的種類(lèi)、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(duì)氣體的選擇性表明材料主要對(duì)哪種氣體敏感。金屬氧

8、化物半導(dǎo)體對(duì)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(shí)性能逐漸變差，都會(huì)給氣體的檢測(cè)和控制帶來(lái)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(shí)的溫度。(敏感元件的最佳工作溫度隨氣體 的種類(lèi)不同而不同） 應(yīng)該注意，以上三種方法只有在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)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(jìn)氣體分子的分解，也能加速被測(cè)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(cè)、氣體濃度超標(biāo)報(bào)警器、火災(zāi)煙霧報(bào)警等。 設(shè)計(jì)報(bào)警時(shí)，重要的是如何確定開(kāi)始報(bào)警的濃度，一般情況下，對(duì)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(guó)產(chǎn)QM-N、日本費(fèi)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(chǎng)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(dá)到一定濃度、觸及火種可引起燃燒的氣體稱(chēng)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(chǎng)合，檢測(cè)碳?xì)浠衔锟扇夹詺怏w的濃度，是否達(dá)到危險(xiǎn)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(cè)氣體的種類(lèi)固定不變，氣敏傳感器的電阻變化量與被測(cè)氣體的濃度成正比，即 RKm接觸燃燒式氣敏傳感器測(cè)量電路如下圖： F1是氣敏元件，F(xiàn)2是溫度補(bǔ)償元件，F(xiàn)1F2均為鉑絲電阻絲。F1F2與R3R4組成惠斯登電橋，當(dāng)不存在可燃性氣體時(shí)，電橋處于平衡；當(dāng)有可燃性氣體時(shí)，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(hào)，實(shí)現(xiàn)氣體濃度的檢測(cè)。 接觸燃燒式氣體傳感器的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)氣體的選擇性好，線性好，受溫度、濕度影響小，響應(yīng)塊。缺點(diǎn)是對(duì)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(zhǔn)的校正較易實(shí)現(xiàn)，所以用熱導(dǎo)變化法測(cè)氣體濃度（或成分）時(shí)，通常以空氣為基準(zhǔn)比較被測(cè)氣體。熱導(dǎo)式氣體傳感器的基本測(cè)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