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气体传感器

气敏传感器的类型:常见的气体传感器种类

发布日期:2022-10-09 点击率:68


气敏传感器的类型:常见的气体传感器种类

原标题:常见的气体传感器种类

可燃气体和有毒气体是石油化工、天然气加工等特殊工业场合最常见的危险气体,主要包括烷烃等有机气体和一氧化碳等无机气体。随着石油和天然气行业开发步伐不断扩大,安全成为这些行业的头等大事,有毒有害气体检测仪器的作用也越来越大。

气体传感器是气体检测仪的关键部件,按使用原理可分为三大类:

1.物理化学性质的气体传感器

半导体式(表面控制型、体积控制型、表面电位型)、催化燃烧式、固体热导式等。

2.物理性质的气体传感器

如热传导式、光干涉式、红外吸收式等。

3.电化学性质的气体传感器

如定电位电解式、迦伐尼电池式、隔膜离子电极式、固定电解质式等。

根据危害,行业内将有毒有害气体分为可燃气体和有毒气体两大类。检测这些气体需要考虑它们自身的性质和危害,根据实际条件选用不同的气体检测仪器不同和气体传感器。返回搜狐,查看更多

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气敏传感器的类型:气敏传感器

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气敏传感器
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气敏传感器是用来检测气体浓度和成分的传感器,它对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的,由于检测现场温度、湿度的变化很大, 又存在大量粉尘和油雾等,所以其工作条件较恶劣,而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物,附着在元件表面,往往会使其性能变差。所以对气敏传感器有下列要求:能够检测报警气体的允许浓度和其他标准数值的气体浓度,能长期稳定工作,重复性好,响应速度快,共存物质所产生的影响小等。
[1]
中文名
气敏传感器
外文名
gas sensor
目    的
检测气体浓度和成分
领    域
硬件
目录
1
概述
2
工作原理
3
分类
4
应用
气敏传感器概述
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语音
气敏传感器的应用主要有:一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂(R11、R12)的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号,根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息,从而可以进行检测、监控、报警;还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。
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气敏传感器工作原理
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语音
声波器件表面的波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜,当该气敏薄膜与待测气体相互作用(化学作用或生物作用,或者是物理吸附),使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时,引起压电晶体的声表面波频率发生漂移;气体浓度不同,膜层质量和导电率变化程度亦不同,即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以获得准确的反应气体浓度的变化值。
[1]
气敏传感器分类
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语音
1970年,荷兰科学家Bergveld研制出了对氢离子响应的离子敏感场效应晶体管,标志着离子敏半导体传感器的诞生。半导体传感器以其易于实现集成化,微型化、灵敏度高等诸多优点,一直引起世界各国科学家的重视和兴趣。由于电子技术的飞速发展,以半导体传感器为代表的各种固态传感器相继问世。这类传感器主要是以半导体为敏感材料,在各种物理量的作用下引起半导体材料内载流子浓度或分布的变化,通过检测这些物理特性的变化,即可反映被测参数值。它与各种结构型传感器相比,具有如下特点:由于传感器原理是基于物理变化的,因而没有相对运动部件,可以做到结构简单,微型化;灵敏度高,动态性能好,输出为电量;采用半导体为敏感材料容易实现传感器集成化,智能化;功耗低,安全可靠。同时,半导体传感器也存在以下一些缺点:线性范围窄,在精度要求高的场合应采用线性化补偿电路;与所有半导体元件一样,输出特性易受温度影响而漂移,所以应采用补偿措施;性能参数离散性大。虽然存在上述问题,但半导体传感器仍是传感器发展的重要方向,尤其是大规模集成电路技术的不断发展,半导体传感器的技术也日臻完善。从所使用的材料来看,凡是使用半导体为材料的传感器都属于半导体式传感器,如,霍尔元件、光敏、磁敏、二极管和三极管热敏电阻、压阻式传感器、光电池、气敏、湿敏、色敏和离子敏等传感器。有些内容与其他传感器互相交叉,已在其它章中介绍。本章主要介绍气敏、湿敏、磁敏、色敏和离子敏半导体式传感器。
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气敏传感器应用
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语音
气敏传感器的应用主要有:一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂勠11、R12蓠检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息从而可以进行检测、监控、报警还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。 由于气体种类繁多, 性质各不相同不可能用一种传感器检测所有类别的气体因此能实现气-电转换的传感器种类很多按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。实际使用最多的是半导体气敏传感器因此本文主要讲述半导体气敏元件的有关原理及应用。半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时,产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。 按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部,可分为表面控制型和体控制型,前者半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子接受,结果使半导体的电导率等物理性质发生变化,但内部化学组成不变,后者半导体与气体的反应,使半导体内部组成发生变化而使电导率变化。 按照半导体变化的物理特性,又可分为电阻型和非电阻型,电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时,其阻值变化来检测气体的成分或浓度厂半导体式气敏元件则是根据气体的吸附和反应,使其某些关系特性发生改变无对气体进行直接或间接的检测,如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体的。
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气敏传感器在电工电路中的控制关系
本期我们的主题是气敏传感器在电工电路中的控制关系。气敏传感器是一种将某种气体的有无或浓度转换为电信号的器件,可检测出环境中某种气体及其浓度,并转换成相应的电信号,主要用于可燃或有毒气体泄漏的报警电路中。图3-26为气敏传感器在实际电路中的连接关系。精彩演示图3-26 气敏传...
2020-03-112
阅读91
参考资料
1.

祝诗平.传感器与检测技术:北京大学出版社,中国林业出版社,2006年:165
2.

Lang, M.A. (2001). DAN Nitrox Workshop Proceedings. Durham, NC: Divers alert Network. p. 197. Retrieved 2009-03-20.
气敏传感器的类型:常见的气体传感器种类  第1张

气敏传感器的类型:气敏传感器原理

气敏传感器种类有半导体气敏元件(电阻型、非电阻型)、固体电解质气敏元件、
接触燃烧式、电化学式等其他类型。

电阻型半导体气敏材料的导电机理:

半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值
变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态,在气体接触半导体表面而被吸附时,
被吸附的分子首先在物体表面自由扩散,失去运动能量,一部分分子被蒸发掉,另一
部分残留分子产生热分解而化学吸附在吸附处。当半导体的功函数小于吸附分子的亲
和力(气体的吸附和渗透特性),则吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附,
半导体表面呈现电荷层。例如氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或
电子接受性气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释
放出电子,而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有氢气、一氧化碳、碳氢
化合物和醇类,它们被称为还原性气体或电子供给性气体。

当氧化型气体吸附到
N
型半导体,还原型气体吸附到
P
型半导体上时,将使半导
体载流子减少,而使电阻增大。当还原型气体吸附到
N
型半导体上,氧化型气体吸附

P
型半导体上时,则载流子增多,使半导体电阻下降。由于空气中的含氧量大体上
是恒定的,因此氧化的吸附量也是恒定的,器件阻值也相对固定。若气体浓度发生变
化,其阻值也会变化。根据这一特性,可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。
半导体气敏时间(响应时间)一般不超过
1min

N
型材料有
SnO2,ZnO,TiO
等,
P

材料有
MoO2,CrO3
等。

气敏传感器通常由气敏元件、加热器和封装体等三部分组成。气敏元件从制造工
艺来分有烧结型、薄膜型和厚膜型三类。

加热器的作用是将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉,加速气体的吸附,
提高其灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在
200

~400
℃左右。在气敏材料
SnO2
中添加铂(
Pt
)或钯(
Pd
)等作为催化剂,可以提高其灵敏度和对气体的选择性。
添加剂的含量和成分,元件的烧结温度和工作温度都将影响元件的选择性。

气敏传感器的类型:常见的气体传感器种类  第2张

气敏传感器的类型:气敏传感器的原理及应用

展开全文
半导体气体传感器:
半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件组织发生变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态,在气体接触半导体表面而被吸附时,被吸附的分子首先在物体表面自由扩散,失去运动能量,一部分分子被蒸发掉,另一部分残留分子产生热分解吸附在物体表面。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力,则吸附分子将从器件夺走电子而变成负离子吸附,半导体表面呈现电荷层。[1]例如氧气,等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放出电子,而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有氢气、一氧化碳等,它们被称为还原性气体。  当氧化型气体吸附到n型半导体,还原性气体吸附到p型半导体上时,将使半导体载流子减少,而使电阻增大。当还原型气体吸附到n型半导体上,氧化型气体吸附到p型半导体上时,则载流子增多,半导体阻值下降。  非电阻型气体传感器也是半导体气体传感器之一。它是利用mos二极管的电容-电压特性的变化以及mos场效应晶体管的阈值电压变化等特性而制成的气体传感器。由于这类传感器的制造工艺成熟,便于器件集成化,因而其性能稳定价格便宜。利用特定材料还可以使传感器对某些气体特别敏感。
催化燃烧式传感器:
可燃气体报警器的原理基本上都是催化燃烧式
催化燃烧式气体传感器是采用惠斯通电桥原理,由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥,在一定温度条件下,可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧,载体温度就升高,通过它内部的铂丝电阻也相应升高,从而使平衡电桥失去平衡,输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号,再经过后期电路的放大、稳定和处理zui终显示可靠的数值。
电化学传感器:
电化学传感器是两电极系统。其工作电极和对电极由一薄层电解液隔开并经由一个很小的电阻联通外电路。当气体 扩散进入传感器后,在敏感电极表面进行氧化或还原反应,产生电流并通过外电路流经两个电极。该电流的大小比例于气体的浓度,可通过外电路的负荷电阻予以测量。
电化学气体传感器大都是以水溶液作为电解质,电解质的蒸发或污染,常会导致传感器的信号下降,使用寿命短;由于在空气中有被测物质存在,传感器中的有效成分被消耗,因此传感器一旦被启封,就视为参加了使用,即使没用于测量,它的生命也在缩短;电化学型气体传感器的寿命期望值为2年,使用不当它的寿命可能更短,而传感器更换的费用较高。因此如何保证其使用寿命,传感器的正确维护对烟气分析仪的使用尤为重要。
电化一般应用于硫化氢、甲醛、氯气等有毒气体的检测!
光离子气体传感器(PID):
光离子气体传感器又称PID气体传感器。采用光离子电离气体的原理制成的光离子气体传感器,具有体积小,灵明度高,即插即用,本安型等特点,光离子气体传感器在有机挥发物(VOCs)等微量气体的检测方面具有无可比拟的优势,由于封装模式完全兼容City Technology - 4P封装,因此可以非常便捷的集成到手持/台式/固定式气体探测系统中
1.光离子气体传感器工作原理:
光离子气体传感器(PID)是采用光离子电离气体的原理进行气体检测的。 具体的说,就是使用离子灯产生的紫外光对目标气体进行照射/轰击,目标气体吸收了足够的紫外光能量后就会被电离,通过检测气体电离后产生的微小电流,即可检测出目标气体的浓度。
典型的光离子型气体传感器结构示意图如下:

绝大多数空气成分(N2、O2和CO2)的光离子能量都高于离子灯所能提供的能量,所以空气的成分是不会被检测到的。因此,光离子气体传感器(PID)非常适合用来检测环境气体中的有机挥发物(VOCs),而且不受空气的干扰,检测精度可以达到ppb级别.。
2.   光离子气体传感器(PID)检测气体类型:
光离子气体传感器(PID)是检测有机挥发物(VOCs)的zui便捷、zui灵敏的检测手段,特别是对于哪些浓度非常低的气体泄漏(leak)有着其他类型传感器不可比拟的优势, 概括的讲,光离子气体传感器(PID)主要用于有机挥发物(VOCs)的检测,这些挥发物包括:
 · 芳香类:苯、二甲苯、萘等;
 · 饱和烃和不饱和烃类:辛烷、乙烯、环己烷等;
· 酮、醛、醚类:丙酮、丙醛、丙甲醚等;
· 卤代烃类、硫代烃类、醇类、酯类、肼类等。
· 此外,可检测的无机物包括:砷、氨。
下列物质是不能用光离子传感器去探测的:
 · 空气,包括:N2,O2,CO2和水,
· 有毒有害气体:CO, HCN,SO2。
· 天然气:CH4、C2H6.
· 酸类:HCL,HF,HNO3。
· 其他:氟利昂、O3
 目前,光离子气体传感器(PID)已经被集成到手持、固定式、台式气体探测器以及专业的实验检测仪器上,广泛应用在化工、石油、环保、制药、酿酒等诸多行业,为安全生产、环境保护和危害检测保驾护航。
红外气体传感器:
光谱吸收法表明许多气体分子在红外波段存在特征吸收;根据朗伯-比尔定律,特征吸收强度与气体浓度成正比例关系。据此原理设计而成的红外气体分 析器可用于分析混合气体中某种或某几种待测气体组分的浓度,是一类非常重要、非常经典的气体分析器。基于气体的红外吸收光谱特性,非单元素的极性气体分子 在中红外(2.5~25μm)波段存在着分子振动能级的基频吸收谱线,因此红外气体分析器灵敏度高,既可以用于常量分析,又可以用于微量分析;且选择性好,可以实现背景气体对测量分析基本没有影响。
红外传感器的应用很广,在检测很多种的气体中都使用到它,而且它的可靠性很高,选择性很好,精度也高,没有毒,受到环境的干扰较小,寿命比较长,对氧气不依赖等等的优点,在未来的市场中很可能会成为主流的。当然,它也有缺点,因为处在刚刚起步的阶段,技术不够,而且市场上很少,制造的成本比较高,这些种种的缺点对它在市场上的使用都有一定的限制。但是,希望在未来的技术发展中,可以发现更多更好的技术让它变得更加成熟,更加实用,在市场上的占有位置更高。

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