传感器知识及防护专题

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1、基础知识培训1传感器及防爆防护基础知识河南汉威电子股份有限公司售后服务部基础知识培训2传感器知识 第一节 传感器的基本概念 .3第二节 半导体气体传感器的基本原理及应用 .4第三节 催化燃烧式气体传感器基本原理及应用 .14第四节 电化学气体传感器的基本原理及应用 .22第五节 热线式气体传感器基本原理 .26第六节 热传导式气体传感器基本原理 .28第七节 红外原理传感器基本原理 .30第八节 传感器中毒 .33防爆、防护知识 第一节 基本知识 .35第二节 防爆标志解析 .37第三节 防爆应用 .41第四节 防护等级 .43基础知识培训3传感器知识第一节 传感器的基本概念一、传感器的基本概

2、念1、 传感器：传感器是能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子线路所组成。国家标准是这样定义“传感器”的：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。国际电工委员会(IEC:International Electrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号” 。2、 气体传感器：是将空气中的气体含量转化为电信号的器件。传感器产生的电信号经电子线路处理、

3、放大和转换后，实现气体含量的显示和报警。可见，传感器是气体检测报警仪的基础的、核心的部件，它的优劣决定了气体检测报警仪的质量和功能指标。 二、气体传感器的分类：1、 物理类：热传导式气体传感器（MD）2、 化学类：半导体式气体传感器、接触燃烧（催化燃烧）式气体传感器、电化学式气体传感器、热线式气体传感器三、考查气体传感器的应用指标传感器在现场使用，承受各种恶劣环境和气氛的影响，特别是固定式仪器的传感器，长期连续运转，又有防爆和供电容量的限制，因此对气体传感器的要求非常严格。 一般考察传感器有以下几个项目： 检测范围和分辨率； 抗中毒能力和寿命； 检测精度和重复性； 抗环境（温湿度）影响能力；

4、稳定性和零点漂移； 安全性，防爆性能； 反应速度； 互换性和检修方便； 选择性和抗干扰能力； 体积小，重量轻； 电流小、节电性好。四、传感器的标定为了保证传感器的精度和系统的完整性，气体传感器需要被标定。1、零点设置通常，假设该工作区域的空气是清新的，使用周围的空气作为传感器的零点参考点。因此，区域内传感器的一个好参考点，总是应该空气清新，因为它将代表探测器安装周围的空气条件。2、量程的标定量程的标定可以是相当容易或非常复杂和昂贵，这取决于该气体的种类和浓度的范围。按照原则，为了到达满意的精度，目标气体与背景环境气体的平衡混合物是最好的标定气体。然而，虽然可以做到，但对操作工的技能要求比正常的

5、要高。实际上，大多数的标定气体是从化学工厂买来的。基础知识培训4第二节 半导体气体传感器的基本原理及应用一、半导体气体传感器基本原理1、半导体气体传感器的基本工作原理：其敏感体主要是由半导体材料制成的，其中应用最为广泛的半导体材料不是常见的硅、锗半导体，而是金属氧化物半导体，在气体传感器领域中应用最多的金属氧化物是 SnO2，ZnO，Fe 2O3，WO 3 等。半导体式气体传感器的基本工作原理：就是在一定条件（温度）下，在被测气体到半导体表面并与吸附在半导体表面的氧发生化学反应的过程中伴随电荷转移，进一步引起半导体电阻的变化，通过测量半导体电阻的变化就可以实现对气体的检测。2、半导体气体传感器

6、工作原理说明：金属氧化物半导体在空气中被加热到一定温度时，氧原子被吸附在带负电荷的半导体表面，半导 体表面的电子会被转移到吸附氧上，氧原子就变成了氧负离子，同时在半导体表面形成一个正的空间电荷层，导致表面势垒升高，从而阻碍电子流动（见图 1） 。 在敏感材料内部，自由电子必须穿过金属氧化物半导体微晶粒的结合部位（晶界）才能形成电流。由氧吸附产生的势垒同样存在于晶界而阻碍电子的自由流动，传感器的电阻即缘于这种势垒。在工作条件下当传感器遇到还原性气体时，氧负离子因与还原性气体发生氧化还原反应而导致其表面浓度降低，势垒随之降低。导致传感器的阻值减小。 （图2）在给定的工作条件下和适当的气体浓度范围内

7、，传感器的电阻值和还原性气体浓度之间的关系可以近似由下面方程表示： Rs=AC- 1/2O2+(SnO2-X)O -ad (SnO2-X)其中：Rs传感器电阻 CO+ O-ad (SnO2-X) CO 2+(SnO2-X) A 常数； C气体浓度； Rs 曲线的斜率 二、半导体气体传感器的分类：1、 按传感器所使用的敏感材料的差异可分为：SnO 2 类，ZnO 类、 Fe2O3 类等。因为掺杂种类繁多，此分类不准确；2、 按传感器内部结构的差异可分为旁热式、直热式、常温式三类。被测气体在半导体表面与氧发生化学反应时通常需要一定的温度，要获得所需要的温度就必须通过加热器给传感器通电加热。当加热器

8、与半导体材料为隔离状态时，这一类结图 2-晶粒间势垒模型(还原性气体出现时)图 1-晶粒间势垒模型(洁净空气)基础知识培训5构的传感器就是旁热式气体传感器；当加热器与半导体材料直接接触时，这一类结构的传感器即为直热式气体传感器；不需要附加加热器的传感器就是常温式气体传感器。分 类 加热器与半导体材料状态 图示 型 号旁热式 隔离状态 MQ-2-3-4-5-6-7-8-9MQ-135、138、139直接式 直接接触 MQ-300 系列常温式 无加热器 MQ-200 系列三类传感器的基本结构图三、半导体气体传感器的性能1、灵敏度：R0/Rs(或 Vs/V0)5 即传感器材料在洁净空气中的电阻与其在

9、一定的气体浓度下电阻的比；或指在特定的测试回路中，在一定的气体浓度下回路输出的电压（负载电压）与其在空气中输出电压的比。从实用的角度一般用电压比来表示传感器的灵敏度，半导体气体传感器在低浓度范围内（数十到数千个 ppm）具有较高的灵敏度。2、 选择性选择性：指传感器对气体种类的识别能力。在完全未知的气体环境中（即完全不知道环境中有哪几种气体）传感器不能告诉人们图 3（a）-旁热式 图 3（b ） -直热式 图 3（c ） -常温式图 5 旁热式元件的灵敏度曲线MQ-4S甲 烷 灵 敏 度 特 性00.511.522.533.50 1 2 3 4 5 6%volV图 4旁热式元件的测试电路基础知

10、识培训6探测到的是什么气体，即半导体式的气体传感器不具有本质的选择性；在已知的气体环境里（即人们知道要探测环境里存在哪些气体） ，半导体式气体传感器可实现相对的选择性探测。如 GB15322 规定，可燃性气体探测器在 1000ppm 乙醇蒸气中浸泡 10 分钟不得发出警报信号，既是基于在家庭环境最常见的气体就是可燃气（如甲烷） 、乙醇（典型干扰气体） 。3、 响应、恢复时间 响应时间：传感器接触被测气体后电阻变化达到稳定值时所需要的时间。响应时间一般会小于 10s；恢复时间：传感器脱离被测气体后电阻达到在空气当中的稳定值时所需要的时间。恢复时间一般小于 30s。4、 稳定性 环境氧浓度的变化、

11、水对表面活性位的占据、环境温度的变化、干扰气体的影响、传感器敏感材料本身物理性质（颗粒）的变化等都会引起传感器特性的变化。周期性特点突出（20%以内）5、 温、湿度影响传感器的检测原理是基于气体在传感器表面的化学吸附、反应与脱附。环境温度的变化会改变化学反应速度，从而影响传感器的敏感特性。此外，水蒸气会吸附在传感器表面，湿度将会引起 RS 的降低。6、初始稳定特性 传感器出厂之前都要通过较长时间的老化以使其各项性能趋于稳定。老化后的传感器在经过冷置以后，无论时间长短，在上机调试前，都必须经过一定时间（一般在几十分钟到 48 小时不等）的老化预热，传感器的各项性能才会重新稳定下来。经过冷置存放后

12、的传感器，通电瞬间传感器敏感体的电阻会急剧下降，后逐渐变大至稳定，整个过程所需要的时间取决于MQ-4S对 甲 烷 的 响 应 恢 复 曲 线00.511.522.530 20 40 60 80秒V图 6 旁热式元件的响应恢复曲线图 7旁热式元件长期稳定性曲线（5000ppmCH4 ）00.511.522.533.50 5 10 15 20 25 30 35月V图 8旁热式元件温湿度特性曲线MQ-40.50.60.70.80.911.11.21.31.4-10 0 10 20 30 40 50TempRs/Ro33%RH85%RH初 始 恢 复 特 性0501001502002503003500

13、 2 4 6 8 10 12分K图 9 旁热式元件的初始恢复特性基础知识培训7存放环境以及冷置时间的长短，在洁净环境中存放时间不超过 10 天时初始稳定时间会在30 分钟以内，其它情况下应不少于 48 小时。7、 功耗 半导体气体传感器需要消耗能量以保持所需的工作温度，器件的功耗与敏感材料、元件结构及所要检测的气体种类密切相关。一般情况下旁热式元件的功耗会大一些（约750mw） ，直热式元件（除三氧化二铁元件外）及常温（非加热）元件功耗要小一些（一般小于 250mw） 。功耗对便携式仪器来讲是一个重要指标。8、 线性 浓度与灵敏度呈指数关系，不可避免的会出现饱和现象。图见灵敏度曲线9、 寿命

14、除机械性损伤造成传感器失效外，半导体气体传感器使用寿命一般会超过 10 年。附：不同结构的半导体气敏器件的差异a旁热式元件： 有更好的稳定性，敏感体材料与引线接触的更紧密，信号不交叉，但功耗大；b直热式元件： 体积小，功耗小，但是，敏感体材料易与引线接触不良，加热与测试信号易交叉，因此，稳定性次于旁热式元件；c常温型元件： 体积小，功耗低，使用方便，稳定性较差。比较项目 体积 功耗 稳定性旁热式 功耗大 好直热式 体积小 功耗小 次于旁热式常温式 体积小 功耗小 较差四、半导体气体传感器的应用半导体气体传感器主要应用于工业、家用领域中爆炸下限内可燃性气体及毒性气体的半定量、定性检测1、 导体气体传感器使用中必须避免的情况：1）暴露于有机硅蒸气中 如果传感器的表面吸附了有机硅蒸气，传感器的敏感材料会被包裹住，抑制传感器的敏感性，并且不可恢复。传感器要避免暴露其在硅粘接剂、发胶、硅橡胶、腻子或其它含硅塑料添加剂可能存在的地方。 2）高腐蚀性的环境传感器暴露在高浓度的腐蚀性气体（如 H2S，SO X，Cl 2， HCl 等）中，不仅会引起加热材料及传感器引线的腐蚀或破坏，并会引起敏感材料性