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1、第十章第十章 气体传感器气体传感器第一节第一节 概述概述 气体传感器是指能将被测气体的类别、浓度和成气体传感器是指能将被测气体的类别、浓度和成分转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。分转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。气体传感器必须满足下列条件：气体传感器必须满足下列条件：（1）能够检测可燃性气体、有害气体的允许浓度，并）能够检测可燃性气体、有害气体的允许浓度，并 能及时给出显示、报警和控制信号；能及时给出显示、报警和控制信号；（2）对被测气体以外的共存气体或物质不敏感；）对被测气体以外的共存气体或物质不敏感；（3）性能长期稳定）性能长期稳定;（4）响应快、重复性好；）响应快、
2、重复性好；（5）使用维护方便、价格便宜等。）使用维护方便、价格便宜等。地球环境污染包括：噪声、辐射、温室效应、水地球环境污染包括：噪声、辐射、温室效应、水污染、土地沙漠化、资源不合理开采、森林乱砍污染、土地沙漠化、资源不合理开采、森林乱砍乱伐、及空气污染，这些都严重威胁人类的生存乱伐、及空气污染，这些都严重威胁人类的生存与发展。与发展。 气体与人类的生存与发展息息相关，有效地检气体与人类的生存与发展息息相关，有效地检测气体的成分与浓度，并加以调节和控制，有利测气体的成分与浓度，并加以调节和控制，有利于人类改善和保护人类自身的生存环境，促进人于人类改善和保护人类自身的生存环境，促进人类社会的可持
3、续发展。类社会的可持续发展。 被测气体的种类繁多、性质各异，所以不可能被测气体的种类繁多、性质各异，所以不可能用一种方法或一种气体传感器来检测所有的各种用一种方法或一种气体传感器来检测所有的各种气体，检测方法应随气体种类、浓度、成分和用气体，检测方法应随气体种类、浓度、成分和用途而异。途而异。主要分为危险与有害气体：危险气体指易燃、易主要分为危险与有害气体：危险气体指易燃、易爆气体，如氢气、瓦斯、液化石油气等；有害气爆气体，如氢气、瓦斯、液化石油气等；有害气体是指对人体有害的气体，体是指对人体有害的气体，CO、SO2、氟里昂等。氟里昂等。气体传感器通常在大气工况中使用，而且气体传感器通常在大气
4、工况中使用，而且被测气体分子一般要附着于气体传感器的被测气体分子一般要附着于气体传感器的功能材料（气敏材料）表面且与之起化学功能材料（气敏材料）表面且与之起化学反应，因而气体传感器也可归于化学传感。反应，因而气体传感器也可归于化学传感。因此，气体传感器必须具有较强的抗环境因此，气体传感器必须具有较强的抗环境影响能力。影响能力。一、气体传感器的分类一、气体传感器的分类气体传感器是一种气电转换元件。气体传感器是一种气电转换元件。结构上分为两类：干式和湿式。结构上分为两类：干式和湿式。干式：构成气体传感器的材料为固体；干式：构成气体传感器的材料为固体；湿式：构成气体传感器的材料为液体。湿式：构成气体
5、传感器的材料为液体。按工作原理分：按工作原理分：半导体式、接触燃烧式、化学反应式、热半导体式、接触燃烧式、化学反应式、热传导式、光干涉式等。传导式、光干涉式等。本章主要介绍半导体式、接触燃烧式气体本章主要介绍半导体式、接触燃烧式气体传感器。传感器。二、气体传感器的性能要求（必须满足的条件）二、气体传感器的性能要求（必须满足的条件）三、气体传感器的主要参数三、气体传感器的主要参数 （1）灵敏度）灵敏度气敏元件的阻值变化量气敏元件的阻值变化量R与气体浓度的变化量与气体浓度的变化量P之比称为灵敏度之比称为灵敏度K。K R/ P灵敏度是气体传感器的重要参数，灵敏度高表示气灵敏度是气体传感器的重要参数，
6、灵敏度高表示气体传感器可以检测低浓度的气体。体传感器可以检测低浓度的气体。（2）响应时间）响应时间从气敏元件和被测接触，到气敏元件的阻值达到新从气敏元件和被测接触，到气敏元件的阻值达到新的稳定值所需的时间。表示气敏元件对被测气体浓的稳定值所需的时间。表示气敏元件对被测气体浓度的反应速度。度的反应速度。（3）选择性）选择性在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能力成为选择性。对某种气体的选择性好，即气的能力成为选择性。对某种气体的选择性好，即气敏元件对它有较高的的灵敏度，也是重要参数，目敏元件对它有较高的的灵敏度，也是重要参数，目前较难解决，有
7、待进一步的研究。前较难解决，有待进一步的研究。 (4)稳定性稳定性 当气体浓度不变时，若其它条件发生变当气体浓度不变时，若其它条件发生变 化，在规定化，在规定时间内气敏元件输出特性保持不变的能力。稳定性表示时间内气敏元件输出特性保持不变的能力。稳定性表示气敏元件对被测气体浓度以外的各种因素的抵抗能力。气敏元件对被测气体浓度以外的各种因素的抵抗能力。 环境大气（空气）中污染物浓度的表示方法有两种：环境大气（空气）中污染物浓度的表示方法有两种： 1、质量浓度表示法：每立方米空气中所含污染物的质、质量浓度表示法：每立方米空气中所含污染物的质 量数，即量数，即mg/m3 。 2、体积浓度表示法：一百万
8、体积的空气中所含污染物、体积浓度表示法：一百万体积的空气中所含污染物 的体积数，即的体积数，即ppm 。 大部分气体检测仪器测得的气体浓度都是体积浓度大部分气体检测仪器测得的气体浓度都是体积浓度（ppm）。而按我国规定，特别是环保部门，则要求气）。而按我国规定，特别是环保部门，则要求气体浓度以质量浓度的单位（如：体浓度以质量浓度的单位（如：mg/m3）表示，我们国）表示，我们国家的标准规范也都是采用质量浓度单位（如：家的标准规范也都是采用质量浓度单位（如：mg/m3）表示。表示。 这两种气体浓度单位这两种气体浓度单位mg/m3与与ppm有何关系呢？有何关系呢？其间如何换算？其间如何换算？ 第二
9、节第二节 半导体气敏传感器半导体气敏传感器一、半导体气敏传感器的工作原理一、半导体气敏传感器的工作原理 气敏传感器分电阻型和非电阻型。气敏传感器分电阻型和非电阻型。 电阻型半导体气敏传感器大多采用半导体材料作为电阻型半导体气敏传感器大多采用半导体材料作为气敏元件，分气敏元件，分N、P型；型；N型有型有SnO2、ZnO等；等；P型型有有PbO、CuO等。等。 非电阻型气敏传感器主要有非电阻型气敏传感器主要有MOS型气敏传感器。型气敏传感器。1、电阻型半导体气敏传感器的工作原理、电阻型半导体气敏传感器的工作原理 电阻型半导体气敏传感器气敏元件的敏感部分电阻型半导体气敏传感器气敏元件的敏感部分是金属
10、氧化物微结晶粒子烧结体，当它的表面吸附是金属氧化物微结晶粒子烧结体，当它的表面吸附有被测气体时，半导体微结晶粒子接触界面的导电有被测气体时，半导体微结晶粒子接触界面的导电电子比例就会发生变化，使气敏元件的电阻值随被电子比例就会发生变化，使气敏元件的电阻值随被测气体的浓度的改变而变化。测气体的浓度的改变而变化。 这种反应是可逆的，所以气敏元件可重复使这种反应是可逆的，所以气敏元件可重复使用。其电阻值的变化使伴随着金属氧化物半导体用。其电阻值的变化使伴随着金属氧化物半导体表面对气体的吸附和释放而产生的，为加速这种表面对气体的吸附和释放而产生的，为加速这种反应，通常要用加热器对气敏元件加热（反应，通
11、常要用加热器对气敏元件加热（200400）。）。 当加热的气敏元件表面接触并吸附被测气体当加热的气敏元件表面接触并吸附被测气体时，首先是被吸附的分子在表面自由扩散（物理时，首先是被吸附的分子在表面自由扩散（物理吸附）而失去功能，这期间，一部分分子被蒸发吸附）而失去功能，这期间，一部分分子被蒸发掉，剩下的一部分则因热分解而固定在吸附位置掉，剩下的一部分则因热分解而固定在吸附位置上（化学吸附）。若元件材料的功函数比被吸附上（化学吸附）。若元件材料的功函数比被吸附气体分子的电压亲和力为小时，则被吸附气体分气体分子的电压亲和力为小时，则被吸附气体分子就会从元件表面夺取电子而以阴离子形式吸附。子就会从元
12、件表面夺取电子而以阴离子形式吸附。 功函数功函数(work function)在固体物理中被定义在固体物理中被定义成成:把一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所把一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所需的最少的能量。需的最少的能量。 具有阴离子吸附性质的气体称为具有阴离子吸附性质的气体称为氧化性氧化性气体气体，如，如O2、NOx(氮氧化合物，一氧化氮、氮氧化合物，一氧化氮、二氧化氮）。二氧化氮）。 若气敏元件材料的功函数大于被吸附气若气敏元件材料的功函数大于被吸附气体的离子化能量，被吸附气体将把电子给体的离子化能量，被吸附气体将把电子给予元件而以阳离子形式吸附。予元件而以阳离子形式吸附。 具有
13、阳离子吸附性质的气体称为具有阳离子吸附性质的气体称为还原性还原性性气体性气体，如，如H2、CO、HC（是指发动机废气中的是指发动机废气中的未燃部分，还包括供油系中燃料的蒸发和滴漏。单独的未燃部分，还包括供油系中燃料的蒸发和滴漏。单独的HC只有在浓度相当高的情况下才会对人体产生影响，一只有在浓度相当高的情况下才会对人体产生影响，一般情况下作用不大，但它却是产生化学烟雾的重要成分般情况下作用不大，但它却是产生化学烟雾的重要成分）乙醇等乙醇等。(甲烷甲烷CH4、丙烷、丙烷C3H8) 当半导体气敏传感器在洁净的空气中开始通电加热时，其当半导体气敏传感器在洁净的空气中开始通电加热时，其阻值急剧下降，几分
14、钟后达到稳定，这段时间称为阻值急剧下降，几分钟后达到稳定，这段时间称为初始稳定时初始稳定时间间。当电阻值处于稳定之后，会随被测气体的吸附情况而变化。当电阻值处于稳定之后，会随被测气体的吸附情况而变化。电阻值的变化规律视半导体材料定：电阻值的变化规律视半导体材料定： 氧化性气体吸附氧化性气体吸附N型阻值上升；型阻值上升；P型阻值下降。型阻值下降。 还原性气体吸附还原性气体吸附N型阻值下降；型阻值下降；P型阻值上升。型阻值上升。 注：只有达到初始稳定状态以后的敏感元件才能用于气体检注：只有达到初始稳定状态以后的敏感元件才能用于气体检 测。测。 目前使用较多的电阻型半导体气敏传感器常用的金属氧化目前
15、使用较多的电阻型半导体气敏传感器常用的金属氧化物半导体气敏元件是物半导体气敏元件是Fe2O3和和SnO2。 SnO2的历史最久，制作工艺较成熟。其检测对象有一氧化的历史最久，制作工艺较成熟。其检测对象有一氧化碳、甲烷、酒精等可燃性气体。气体检测灵敏度随被测气体的碳、甲烷、酒精等可燃性气体。气体检测灵敏度随被测气体的种类、工作温度、催化剂的不同差异很大。种类、工作温度、催化剂的不同差异很大。 电阻型半导体气敏传感器吸附被测气体时的电阻变化如图：图10-1 电阻型半导体（N）气敏传感器吸附被 测气体的电阻变化曲线 （还原性气体） 半导体气敏传感器主要特性及改善：半导体气敏传感器主要特性及改善： 1
16、、气体选择性及改善、气体选择性及改善 半导体气敏传感器的气敏材料对气体的选择性表明半导体气敏传感器的气敏材料对气体的选择性表明材料主要对哪种气体敏感。金属氧化物半导体对各种材料主要对哪种气体敏感。金属氧化物半导体对各种气体敏感的灵敏度几乎相同。因此，要制造出气体选气体敏感的灵敏度几乎相同。因此，要制造出气体选择性好的元件很不容易，其选择性能不好或使用时性择性好的元件很不容易，其选择性能不好或使用时性能逐渐变差，都会给气体的检测和控制带来很大响。能逐渐变差，都会给气体的检测和控制带来很大响。 改善气敏元件的气体选择性常用方法：改善气敏元件的气体选择性常用方法：（1）向气敏材料参杂其他金属氧化物或
17、其它添加物；）向气敏材料参杂其他金属氧化物或其它添加物；（2）控制气敏元件的烧结温度；）控制气敏元件的烧结温度；（3）改善元件工作时的温度。）改善元件工作时的温度。(敏感元件的最佳工作温度随气体敏感元件的最佳工作温度随气体 的种类不同而不同）的种类不同而不同） 应该注意，以上三种方法只有在实验的基础上进行不同的组应该注意，以上三种方法只有在实验的基础上进行不同的组合应用，才能获得较为理想的气敏选择性。合应用，才能获得较为理想的气敏选择性。 2、灵敏度的提高、灵敏度的提高 为提高气敏传感器的灵敏度，一般采用金属或金属氧化为提高气敏传感器的灵敏度，一般采用金属或金属氧化物材料作催化剂，它们能促进气
18、体分子的分解，也能加速被物材料作催化剂，它们能促进气体分子的分解，也能加速被测气体的吸附或解吸的反应速度。测气体的吸附或解吸的反应速度。 典型的气敏半导体材料有典型的气敏半导体材料有SnO2、ZnO等。等。 半导体气体传感器主要应用于气体浓度的检测、气体浓半导体气体传感器主要应用于气体浓度的检测、气体浓度超标报警器、火灾烟雾报警等。度超标报警器、火灾烟雾报警等。 设计报警时，重要的是如何确定开始报警的设计报警时，重要的是如何确定开始报警的浓度，一般情况下，对于甲烷、丙烷、丁烷等气浓度，一般情况下，对于甲烷、丙烷、丁烷等气体，都选定在其爆炸下限的十分之一。体，都选定在其爆炸下限的十分之一。 常用
19、的气敏传感器有国产常用的气敏传感器有国产QM-N、日本费加罗、日本费加罗TGS型型以及以及UL型等。型等。 2、非电阻型半导体气敏传感器的工作原理非电阻型半导体气敏传感器的工作原理 非电阻型半导体气敏传感器是利用非电阻型半导体气敏传感器是利用MOS二极管的电容二极管的电容电压特性的变化、电压特性的变化、MOS场效应晶体管的场效应晶体管的 阈值电压的变阈值电压的变化等物理特性制成的半导体气敏元件。化等物理特性制成的半导体气敏元件。第三节第三节接触燃烧式气敏传感器接触燃烧式气敏传感器 一般将在空气中达到一定浓度、触及火种可引一般将在空气中达到一定浓度、触及火种可引起燃烧的气体称为可燃性气体。起燃烧
20、的气体称为可燃性气体。 接触燃烧式气敏传感器普遍用于石油化工厂、接触燃烧式气敏传感器普遍用于石油化工厂、矿井及隧道等场合，检测碳氢化合物可燃性气体矿井及隧道等场合，检测碳氢化合物可燃性气体的浓度，是否达到危险程度。的浓度，是否达到危险程度。一、接触燃烧式气敏传感器的工作原理一、接触燃烧式气敏传感器的工作原理 结构原理如图：结构原理如图： 将金属铂线圈埋设在氧化催化剂中，经烧将金属铂线圈埋设在氧化催化剂中，经烧 结而成，外表敷有铂等金属催化层。结而成，外表敷有铂等金属催化层。 对铂丝通以电流，使其保持在对铂丝通以电流，使其保持在300600的的高温状态，当可燃性气体一旦与传感器表面接触，燃高温状
21、态，当可燃性气体一旦与传感器表面接触，燃烧热进一步使金属丝温度升高，铂丝线圈的电阻值增烧热进一步使金属丝温度升高，铂丝线圈的电阻值增大。测量出铂丝电阻的变化量的大小，就可测量出传大。测量出铂丝电阻的变化量的大小，就可测量出传感器所处环境中可燃性气体的浓度。感器所处环境中可燃性气体的浓度。 设铂丝线圈电阻值的变化量为设铂丝线圈电阻值的变化量为R,则则 R=h/c=amQ/c气敏传感器的温度系数；气敏传感器的温度系数；由气体燃烧引起的温度上升值；由气体燃烧引起的温度上升值；h气体燃烧产生的热量；气体燃烧产生的热量；C气敏传感器的热容量；气敏传感器的热容量；m气体的浓度；气体的浓度；Q气体分子的燃烧
22、热；（由气体种类决定）气体分子的燃烧热；（由气体种类决定）a传感器催化能决定的常数；传感器催化能决定的常数； 如果气敏传感器的结构、材料已确定，而被如果气敏传感器的结构、材料已确定，而被测气体的种类固定不变，气敏传感器的电阻变化测气体的种类固定不变，气敏传感器的电阻变化量与被测气体的浓度成正比，即量与被测气体的浓度成正比，即 RKm接触燃烧式气敏传感器测量电路如下图：接触燃烧式气敏传感器测量电路如下图： F1是气敏元件，是气敏元件，F2是温度补偿元件，是温度补偿元件，F1F2均为铂丝电阻丝。均为铂丝电阻丝。F1F2与与R3R4组成惠斯组成惠斯登电桥，当不存在可燃性气体时，电桥处登电桥，当不存在
23、可燃性气体时，电桥处于平衡；当有可燃性气体时，于平衡；当有可燃性气体时，F1的电阻值的电阻值增量增量R，使电桥失去平衡，输出与可燃性，使电桥失去平衡，输出与可燃性气体浓度成比例的电信号，实现气体浓度气体浓度成比例的电信号，实现气体浓度的检测。的检测。 接触燃烧式气体传感器的优点是对气体接触燃烧式气体传感器的优点是对气体的选择性好，线性好，受温度、湿度影响的选择性好，线性好，受温度、湿度影响小，响应块。缺点是对低浓度的可燃性气小，响应块。缺点是对低浓度的可燃性气体灵敏度低，敏感元件受催化剂侵蚀后其体灵敏度低，敏感元件受催化剂侵蚀后其特性锐减，金属丝易断。特性锐减，金属丝易断。二、接触燃烧式气敏传
24、感器的主要参数二、接触燃烧式气敏传感器的主要参数 几种典型的接触燃烧式气敏传感器的主要参数几种典型的接触燃烧式气敏传感器的主要参数如表：如表：三、接触燃烧式气传感器的应用三、接触燃烧式气传感器的应用 接触燃烧式气传感器主要用于可燃性气体的检接触燃烧式气传感器主要用于可燃性气体的检测及报警。作报警时，有气体报警浓度表，可参测及报警。作报警时，有气体报警浓度表，可参考设定传感器的控制参数值。考设定传感器的控制参数值。第四节第四节 热导式气体传感器热导式气体传感器 每种气体都有固定的热导率，混合气体的热导率也可近似求得。由于以空气为比较基准的校正较易实现，所以用热导变化法测气体浓度（或成分）时，通常
25、以空气为基准比较被测气体。热导式气体传感器的基本测量电路是直流电桥，如图： 其中其中F1 F2可用不带催化剂的白金线圈制作，可用不带催化剂的白金线圈制作，也可用热敏电阻。也可用热敏电阻。F2内封入已知的比较气体，内封入已知的比较气体，F1与外界相通，当被测气体与其接触时，由于热导与外界相通，当被测气体与其接触时，由于热导率相异而使率相异而使F1的温度变化，的温度变化，F1的阻值也发生变化，的阻值也发生变化，电桥失去平衡，电桥输出信号的大小与被测气体电桥失去平衡，电桥输出信号的大小与被测气体的浓度或成分有确定的关系。的浓度或成分有确定的关系。 热导率式气敏传感器不用催化剂，所以不存热导率式气敏传感器不用催化剂，所以不存在催化剂影响而使传感器特性变差的问题。除了在催化剂影响而使传感器特性变差的问题。除了用于测量可燃性气体外，也可用于无机气体及其用于测量可燃性气体外，也可用于无机气体及其浓度的检测。浓度的检测。
