1、傳感器的基本概念

 在實(shí)際應(yīng)用中zui先被大規(guī)模應(yīng)用的氣體傳感器是半導(dǎo)體傳感器，其次是催化燃燒傳感器和電化學(xué)傳感器。20世紀(jì)初*只半導(dǎo)體傳感器誕生于英國(guó)，并一直在歐洲發(fā)展和應(yīng)用，直到20世紀(jì)50年代半導(dǎo)體氣體傳感技術(shù)才流傳到日本，并有日本人把這項(xiàng)技術(shù)推進(jìn)到了。而歐洲人在發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體傳感器的種種不足后開(kāi)始研究催化傳感器和電化學(xué)傳感器。氣體傳感器的理論直到70年代才傳入到我們國(guó)家，80年代我國(guó)才開(kāi)始研制氣體傳感器，整個(gè)生產(chǎn)技術(shù)主要繼承于德國(guó) 。

1. 什么是傳感器？

能夠采集信息并把采集到的信息轉(zhuǎn)化為人們更易識(shí)別的信號(hào)（如電信號(hào)、聲信號(hào)、光信號(hào)、數(shù)字信號(hào)等）,凡是具有這種功能的部件或裝置，統(tǒng)稱為傳感器。

1. 什么是氣體傳感器？

能夠采集氣體的某些信息（如：濃度、種類）并把采集到的信息轉(zhuǎn)化為人們更易識(shí)別的信號(hào)（如電信號(hào)、聲信號(hào)、光信號(hào)、數(shù)字信號(hào)等）,凡是具有這種功能的部件或裝置，就是氣體傳感器。

1. 氣體傳感器的分類

氣體傳感器大致可以分為兩大類即：物理類氣體傳感器和化學(xué)類氣體傳感器。

所謂的物理類氣體傳感器就是在傳感器的工作過(guò)程中利用氣體的物理性質(zhì)，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的氣體傳感器；反之則稱為化學(xué)類的氣體傳感器。

化學(xué)類的氣體傳感器雖然可靠性稍差，但由于它具有體積小巧、使用方便、探測(cè)迅速靈敏、價(jià)格低廉等突出優(yōu)點(diǎn)而成為氣體探測(cè)領(lǐng)域用量zui大、zui廣泛的品種。

2、化學(xué)類氣體傳感器

化學(xué)類氣體傳感器是一類可靠性不高的傳感器，但是因?yàn)樗w積小巧、探測(cè)迅速、使用方便、價(jià)格低廉，因而它仍然得到了的應(yīng)用。

常見(jiàn)的化學(xué)類氣體傳感器主要包括：半導(dǎo)體式氣體傳感器、接觸燃燒（催化燃燒）式氣體傳感器、電化學(xué)式氣體傳感器，式氣體傳感器等

1) 半導(dǎo)體式氣體傳感器

其敏感體主要是由半導(dǎo)體材料制成的，其中應(yīng)用的半導(dǎo)體材料不是常見(jiàn)的硅、鍺半導(dǎo)體，而是金屬氧化物半導(dǎo)體，在氣體傳感器領(lǐng)域中應(yīng)用zui多的金屬氧化物是SnO2，ZnO，F(xiàn)e2O3，WO3等。

半導(dǎo)體式氣體傳感器的基本工作原理：就是在一定條件（溫度）下，在被測(cè)氣體到達(dá)半

• 導(dǎo)體表面并與吸附在半導(dǎo)體表面的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中伴隨電荷轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步引起半導(dǎo)體電阻的變化，通過(guò)測(cè)量半導(dǎo)體電阻的變化就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)。它的優(yōu)點(diǎn)主要是在低濃度氣體中輸出變化大、靈敏度高，使用壽命長(zhǎng)，選擇性相對(duì)比較好。
• 它缺點(diǎn)是線形度不好，所以只適合定性測(cè)量不適合定量測(cè)量。它在較高濃度下幾乎飽和，所以只能在濃度很底的情況下測(cè)量。另外他對(duì)毒性氣體的測(cè)量能力較差，所以現(xiàn)在的應(yīng)用范圍基本局限在對(duì)可燃?xì)怏w的測(cè)量。

1. 接觸燃燒式（催化燃燒）氣體傳感器

主要是由接觸燃燒催化載體和感溫元件制成的。其基本工作原理為：在一定的條件下（溫度），被測(cè)可燃性氣體到達(dá)傳感器表面與吸附氧發(fā)生劇烈的燃燒反應(yīng)，放出大量的熱，導(dǎo)致感溫線圈電阻發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)感溫線圈電阻的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)，由于環(huán)境溫度的變化也會(huì)引起感溫線圈電阻的變化，因此，元件通常配對(duì)使用，其中一只為補(bǔ)償元件（白元件）對(duì)氣體無(wú)反應(yīng)，另一只為檢測(cè)元件（黑元件）可與氣體發(fā)生反應(yīng)，白元件用以抵消（補(bǔ)償）環(huán)境因素帶來(lái)的影響。

接觸燃燒氣體傳感器的性能：

1. 靈敏度：(Ve-V0)>12mv/25%LEL  指在可燃性氣體濃度為25%LEL時(shí)，惠斯通電橋的電壓輸出與其在空氣中輸出的差。接觸燃燒時(shí)氣體傳感器在靈敏度方面zui大的特點(diǎn)即：在爆炸下*同一只傳感器對(duì)所有的氣體具有相同的靈敏度

（2）響應(yīng)、恢復(fù)時(shí)間  傳感器接觸被測(cè)氣體后電橋輸出變化達(dá)到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間即響應(yīng)時(shí)間。接觸燃燒式氣體傳感器的響應(yīng)時(shí)間一般會(huì)小于10s；傳感器脫離被測(cè)氣體后電橋輸出電壓值達(dá)到在空氣當(dāng)中的穩(wěn)定值所需要的時(shí)間即恢復(fù)時(shí)間。接觸燃燒式氣體傳感器的恢復(fù)時(shí)間一般小于30s。

（3）選擇性 與半導(dǎo)體氣體傳感器相同，在*未知的氣體環(huán)境中（即*不知道環(huán)境中有哪幾種氣體）接觸燃燒式傳感器不能告訴人們探測(cè)到的是什么氣體，即該類氣體傳感器不具有本質(zhì)的選擇性；在已知的氣體環(huán)境里（即人們知道要探測(cè)環(huán)境里存在哪些氣體）可實(shí)現(xiàn)相對(duì)的選擇性探測(cè)。其相對(duì)選擇性要明顯好于半導(dǎo)體氣體傳感器。尤其是對(duì)水蒸汽、乙醇蒸汽、煙霧的抗干擾能力非常好。

（4）穩(wěn)定性  環(huán)境溫度、濕度的變化會(huì)影響傳感器的熱平衡、另外干擾氣體的影響、傳感器載體材料、催化劑本身物理性質(zhì)（顆粒）的變化等都會(huì)引起傳感器特性的變化。（10%以內(nèi)）

（5）線性  100%LEL以下靈敏度與濃度呈線性關(guān)系，由于熱傳導(dǎo)和吸附效應(yīng)，在濃度較高時(shí)曲線會(huì)出現(xiàn)向下彎曲現(xiàn)象。

（6）初始穩(wěn)定特性  和半導(dǎo)體氣體傳感器一樣，催化燃燒時(shí)氣體傳感器在出廠之前要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的老化以使其性能穩(wěn)定。老化后的傳感器在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的冷置存放后，使用時(shí)要經(jīng)過(guò)1小時(shí)左右的預(yù)熱穩(wěn)定時(shí)間。

（7）功耗  同半導(dǎo)體氣體傳感器一樣，接觸燃燒式氣體傳感器工作時(shí)需要消耗一定的能量以保持工作溫度。目前常見(jiàn)的接觸燃燒式氣體傳感器的功耗在250mw-450mw。

（8）壽命  由于工作溫度要高于半導(dǎo)體氣體傳感器，以及載體催化劑本身的缺陷，其使用壽命要比半導(dǎo)體的壽命要短（5年左右）。 

（9）適用領(lǐng)域  適用于工業(yè)、領(lǐng)域爆炸下限一下可燃?xì)怏w的定性、半定量、定量檢測(cè)。

• 它的優(yōu)點(diǎn)是輸出與氣體濃度幾乎成正比，到100 % LEL時(shí)幾乎為線性 ，可做定量測(cè)量；精密度高，有*的再現(xiàn)性；并且其一般都有補(bǔ)償元件，所以受周圍的溫濕度影響較小。
• 它的缺點(diǎn)是抗震性不好；對(duì)毒性氣體反應(yīng)較差，幾乎無(wú)法應(yīng)用到毒性氣體的測(cè)量；選擇性也比較差。
  

1. 型氣體傳感器

基本原理：在一定的條件下，被測(cè)氣體到達(dá)半導(dǎo)體表面并與半導(dǎo)體表面的吸附氧以及半導(dǎo)體材料本身的晶格氧發(fā)生氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中的自由電荷濃度的變化，導(dǎo)致半導(dǎo)體電阻的變化，反應(yīng)過(guò)程中釋放的熱量導(dǎo)致感溫元件電阻的變化，兩電阻是并聯(lián)的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量二者的總變化就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)。為了減少環(huán)境因素的影響，它和催化元件一樣需要配對(duì)使用。

• 它的優(yōu)點(diǎn)是在低濃度范圍輸出的變化大、靈敏度高；使用壽命長(zhǎng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性、耐久性出色；對(duì)氣體有一定的選擇性。
• 它的缺點(diǎn)是抗震性不好；線形度也不理想。

4）電化學(xué)式氣體傳感器

zui常見(jiàn)的電化學(xué)氣體傳感器有兩種形式即：定電位電解式和伽伐尼電池式。

定電位電解式學(xué)氣體傳感的基本原理：在一定的條件下（給定電位下）被測(cè)氣體通過(guò)透氣膜到達(dá)傳感器工作電極的表面被氧化，產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移引起工作電極電位的變化，同時(shí)氧氣在對(duì)電極被還原，引起對(duì)電極電位的變化，通過(guò)檢測(cè)兩電極之間電流的變化可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)。工作時(shí)參比電極提供恒電位，以保持工作電極穩(wěn)定工作

主要性能：

1. 靈敏度  定義為：傳感器在檢測(cè)回路中的給定條件下單位濃度的被測(cè)氣體所輸出的電流。 該類傳感器在低濃度毒性氣體探測(cè)領(lǐng)域具有良好的靈敏度。100nA/ppmCO
2. 響應(yīng)、恢復(fù)特性  該類傳感器有較長(zhǎng)的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間 。一般情況下響應(yīng)時(shí)間≤ 30秒，恢復(fù)時(shí)間≤90秒。 
3. 選擇性  通過(guò)電位選擇及采取其它措施，該類傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)一定的選擇性。
4. 穩(wěn)定性 易受環(huán)境溫濕度的影響。
5. 線性   氣體濃度和輸出信號(hào)呈線性關(guān)系
6. 初始穩(wěn)定特性  調(diào)試前須8小時(shí)左右的老化時(shí)間。
7. 壽命  與其它種類的氣體傳感器相比具有較短的壽命（1-2年）
8. 適用領(lǐng)域  適用于工業(yè)、領(lǐng)域的毒性氣體的定性、半定量、定量檢測(cè)。

伽伐尼電池式：一般用于O2的檢測(cè)，O2通過(guò)透氣膜到達(dá)電池正極被還原，負(fù)極Pb被氧化，引起兩電極的電位發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量?jī)呻姌O之間電流的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)O2濃度的檢

主要性能：

1. 靈敏度  定義為：傳感器在檢測(cè)回路中的給定條件下單位濃度的被測(cè)氣體所輸出的電流。 該類傳感器對(duì)氧氣具有良好的靈敏度?！?00uA/21%氧氣（100Ω負(fù)載）
2. 響應(yīng)恢復(fù)特性  該類傳感器又較長(zhǎng)的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間 。一般情況下響應(yīng)時(shí)間≤  30秒，恢復(fù)時(shí)間≤ 90秒。 
3. 選擇性  通過(guò)氧電極材料、電解液的選擇及采取其它措施，該類傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)良好的選擇性。
4. 穩(wěn)定性 易受環(huán)境溫濕度的影響。
5. 線性   氣體濃度和輸出信號(hào)呈線性關(guān)系
6. 初始穩(wěn)定特性  調(diào)試前須至少8小時(shí)左右的老化時(shí)間。
7. 壽命 由于其本身是一個(gè)消耗性的電池 ，因此與其它種類的氣體傳感器相比具有更短的壽命（≤1年）
8. 適用領(lǐng)域  適用于工業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域氣體濃度的定性、半定量、定量檢測(cè)

• 它的優(yōu)點(diǎn)是具有*的靈敏度；良好的線形度，不僅可定量測(cè)量并且在一定濃度內(nèi)可做分析儀器使用；氣體選擇性極為出色，檢測(cè)毒性氣體；且其本身工作不消耗電能。
• 它的缺點(diǎn)是價(jià)格較為昂貴；宜受環(huán)境溫濕度的影響。

3、物理類的傳感器

3.1熱傳導(dǎo)型氣體傳感器

基本原理：不同的氣體在相同的條件下具有不同的熱傳導(dǎo)率，在一定的條件下，被測(cè)氣體濃度或組分的變化導(dǎo)致元件工作環(huán)境熱傳導(dǎo)率發(fā)生變化，從而引起元件表面溫度的變化，進(jìn)一步導(dǎo)致感溫元件電阻變化，通過(guò)測(cè)量感溫電阻的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的檢測(cè)。工作時(shí)為了抵消環(huán)境溫度的變化，通常配對(duì)使用。

3.2紅外線氣體分析儀

基本原理：對(duì)2-10μm波長(zhǎng)范圍的紅外光，不同異核氣體分子由于旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外光有特異吸收，當(dāng)紅外光透過(guò)被測(cè)氣體時(shí)，檢測(cè)紅外光譜的缺失及光強(qiáng)度的變化可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)。

我公司儀器采用的是進(jìn)口的傳感器，性能穩(wěn)定。