《气体传感器综述论》PPT课件.ppt

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1、章文斌2023/4/221气体传感器简介及其发展趋势2气体传感器的分类及常用传感器的工作原理气体传感器的分类及常用传感器的工作原理2.1半导体氧化物型气体传感器2.2催化燃烧式气体传感器2.3电化学式气体传感器2.4红外线气体传感器2.5磁性氧气传感器1前言前言2.6光纤气体传感器3 3气体气体传感器技术的发展趋势传感器技术的发展趋势n 气体传感器是用来检测气体的成份和含量的传感器。一般认为，气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。n 1964年，由Wickens和Hatman利

2、用气体在电极上的氧化还原反应研制出了第一个气敏传感器，1982年英国Warwick大学的Persaud等提出了利用气敏传感器模拟动物嗅觉系统的结构1，自此后气体传感器飞速发展，应用于各种场合，比如气体泄漏检测，环境检测、样品采集、数据处理等。n现在各国研究主要针对的是有毒性气体和可燃烧性气体，研究的主要方向是如何提高传感器的敏感度和工作性能、恶劣环境中的工作时间以及降低成本和智能化等。1前言前言2气体传感器的分类及常用传感器的工作原理气体传感器的分类及常用传感器的工作原理n气体传感器主要有半导体传感器（电阻型和非电阻型）、绝缘体传感器（接触燃烧式和电容式）、电化学式（恒电位电解式、伽伐尼电池式

3、），还有红外吸收型、石英振荡型、光纤型、热传导型、声表面波型、气体色谱法等。n下面集中介绍几种常用传感器的工作原理优缺点及其发展趋势。2.1半导体氧化物型气体传感器2.1.1背景及发生原理 半导体氧化物型气体传感器是利用一些金属氧化物半导体材料，在一定温度下，电导率随着环境气体成份的变化而变化的原理制造的。由Seiyama T在1962年首先报道的2，利用ZnO薄膜的表面电导在气体中的变化来检测可燃性气体。同年，田口尚义发明了二氧化锡基气体传感器3，并通过贵金属掺杂大幅度地提高了对可燃性气体的灵敏度4，并实现了产业化。虽然后来开发了一些新型半导体氧化物气体敏感材料，例如，In203、-Fe20

4、3、-Fe203、W03和ABO3。等5-9，但由于SnO2具有良好的化学稳定性和热稳定性，商品化的半导体氧化物型传感器主要是以二氧化锡为基体敏感材料。背景：发生原理：2.1.2适用气体及优缺点优点：优点：这种传感器成本低廉，具有快速、简便等优点。并且适宜于民用气体检测的需求。缺点：缺点：这些氧化物半导体的纯相是光谱性敏感材料，具有灵敏度低、选择性不好、稳定性较差、且有的电阻大等缺点，同时受环境影响较大；尤其，每一种传感器的选择性都不是唯一的，输出参数也不能确定。因此，不宜应用于计量准确要求的场所。适用气体：适用气体：半导体氧化物型气体传感器可以有效地用于：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、酒精、甲醛、

5、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙炔、氯乙烯、苯乙烯、丙烯酸等很多气体地检测。可以广泛用于空气质量检测、食品、香精、香水的质量评定及生产过程控制，甲烷（天然气、沼气）、酒精、一氧化碳（城市煤气）、硫化氢、氨气（包括胺类，肼类）。高质量的传感器完全可以满足工业检测的需要。2.1.3国内外发展趋势及研究方向n目前这种传感器的主要供应商在日本（发明者），其次是中国，最近有新加入了韩国，其他国家如美国在这方面也有相当的工作，但是始终没有汇入主流。n我国流行于市场的半导体式气体传感器性能质量都远逊于日本产品，相信，随着市场进步，民营资本的进一步兴起，中国产的半导体式气体传感器达到和超越日本水平已经指日可待。n

6、目前国内的研究趋势有：1.材料的纳米结构纳米化气敏材料研究 这种结构材料是十分理想的高性能气体敏感材料，可以从根本上改善、提高气体传感器的灵敏度、选择性和稳定性，解决材料的气体敏感性。2.混合体系氧化物气敏材料 将两种或两种以上的氧化物材料复合成的材料体系，也许是一种具有较好气体敏感性能的新的氧化物气敏材料。3.材料的优化设计 按照使用要求对材料进行理论计算，确定为达到该性能所应采用的配方和工艺。2.2催化燃烧式气体传感器 接触燃烧式气体传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式，其工作原理是的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持300400的

7、高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此，铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。2.2.1催化燃烧式气体传感器监测原理 催化燃烧式气敏传感器电路原理：催化燃烧式气敏传感器电路原理：F1是气敏元件，F2是温度补偿元件，F1，F2均为白金电阻丝。Fl，F2与R3，R4组成惠斯登电桥，当不存在可燃性气体时，电桥处于平衡状态。当存在可燃性气体时，F1的电阻产生增量R，电桥失去平衡，输出与可燃性气体特征参数（如浓度）成比例的电信号。2.2.2催化燃烧式气体传感器适用范围 普遍适用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道和浴室厨

8、房的可燃性气体的监测和报警。该传感器在环境温度下非常稳定，并能对处于爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测。2.2.3催化燃烧式气体传感器优缺点n优点：催化燃烧式气体传感器对气体选择性好，线性好，受温度、湿度影响下，响应快。而且计量准确，响应快速，寿命较长。传感器的输出与环境的爆炸危险直接相关，在安全检测领域是一类主导地位的传感器。n缺点：在可燃性气体范围内，无选择性。暗火工作，有引燃爆炸的危险。大部分元素有机蒸汽对传感器都有中毒作用。同时对低浓度的可燃性气体的气体敏感度低，敏感元件受到催化剂的侵害后其特性锐减，金属丝易断。2.2.4国内外使用情况 目前这种传感器的主要供应商在中国、日本、英国（

9、发明国）。目前中国是这种传感器的最大用户（煤矿），也拥有最佳的传感器生产技术，尽管不断有各种各样的代理商在宣传上干扰社会对这种传感器的认识，但是毕竟，催化燃烧式气体传感器的主流制造商在国内。2.3电化学式气体传感器2.3.1按其工作原理分类及各传感器的比较种类种类现象现象传感器材料传感器材料特点特点恒电位恒电位电解式电解式电解电解电流电流气体扩散电极，气体扩散电极，电解质水溶液电解质水溶液通过改变气体电极、电解质水溶通过改变气体电极、电解质水溶液、电极电位等，可选择被测气液、电极电位等，可选择被测气体体气体电极，气体电极，水体聚合物膜水体聚合物膜不使用酸、碱性电解质，不必担不使用酸、碱性电解质

10、，不必担心由于蒸发而消耗掉心由于蒸发而消耗掉伽伐尼伽伐尼电池式电池式电池电池电流电流贵金属作用电极、贱金属贵金属作用电极、贱金属对比电极电解质水溶液对比电极电解质水溶液贵金属作用电极、贱金属对比电贵金属作用电极、贱金属对比电极电解质水溶液极电解质水溶液金属作用电极和对比电极，金属作用电极和对比电极，有机酸胶电解质、无机盐有机酸胶电解质、无机盐不必担心电解质水溶液的消耗，不必担心电解质水溶液的消耗，但不能检测高浓度气体但不能检测高浓度气体(数百数百ppm以上）以上）离子电离子电极式极式电极电位的电极电位的变化变化离子选择电极，电解质水离子选择电极，电解质水溶液，多孔聚四氟乙烯膜溶液，多孔聚四氟乙

11、烯膜选择性好，选择性好，但被测气体不多但被测气体不多电量电量式式电解电解电流电流贵金属正负电极，电解质贵金属正负电极，电解质水溶液，多孔聚四氟乙烯水溶液，多孔聚四氟乙烯膜膜选择性好，选择性好，但被测气体不多但被测气体不多浓差电浓差电池式池式浓差测定产浓差测定产生的电势生的电势固体电解质固体电解质适合低浓度测量，大型，需消耗适合低浓度测量，大型，需消耗电力，需基准气体电力，需基准气体2.3.2各种传感器的工作原理1、恒定电位电解池型气体传感器：恒定电位电解池型气体传感器：使电极与电解质溶液的界面保持一定电位进行电解，通过改变其设定电位，有选择的使气体进行氧化或还原，从而能定量检测各种气体。对特定

12、气体来说，设定电位由其固有的氧化还原电位决定，但又随电解时作用电极的材质、电解质的种类不同而变化。2、加伏尼电池型气体传感器加伏尼电池型气体传感器：通过测量电解电流来检测气体浓度。但由于传感器本身就是电池，所以不需要由外界施加电压。这种传感器主要是用于O2的检测，检测缺氧的仪器几乎都使用这种传感器。3、离子电极式气体传感器离子电极式气体传感器：其原理为气态物质溶解于电解质溶液并离解，离解生成的离子作用于离子电极产生电动势，将此电动势取出以代表气体浓度。5、浓差电池式气体传感器：、浓差电池式气体传感器：是基于固体电解质产生的浓差电势来进行测量的。4、电量式气体传感器电量式气体传感器：被测气体与电

13、解质溶液反应生成电解电流，将此电流作为传感器输出来检测气体浓度，其作用电极、对比电极都是Pt电极。发展方向n上述的传感器大都是以水溶液作为电解质溶液的，它有以下几点问题：（1）、电解液的蒸发或污染常会导致传感器信号衰降，使用寿命短（一般来说，电化学传感器的寿命只有一年左右，最长不过两年）；（2）、催化剂长期与电解液直接接触，反应的有效区域，即气、液、固三相界面容易发生移动，会使催化活性降低；（3）、在干燥的气氛中，特别是在通气条件下，传感器中的电解液很容易失水而干涸，致使传感器失效；（4）、存在漏液、腐蚀电子线路等问题；（5）、为了保证传感器有一定的使用寿命，电解液的用量不能太少，因此限制了该

14、类传感器的微型化。n因此，随着人们对电化学传感器的进一步研究和深入发展，电化学气体传感器研究将向如下方向发展：高灵敏度、高稳定性、长使用寿命、便携式、微型化、智能化。可以断言，电化学传感器的明天必将海阔天空。2.6光纤气体传感器2.6.1光纤气体传感器的背景 光纤气体传感器是80年代后期出现的一种新型传感器。经过二十多年的发展，它己应用在社会生活的许多方面：工业气体在线监测、有害气体分析、环境空气质量监测和爆炸气体检测以及对火山喷发气体的分析28-32。工业上的需要和人们对环境的关注使得光纤气体传感器的发展非常迅速。有资料表明，美国1996年一2002年光纤气体传感器年均增长率为27%-30%

15、，而我国对光纤传感器的市场需求也很大。2.6.2光纤气体传感器的分类及其原理光纤气体传感器的分类及其原理1光谱吸收型气体传感器光谱吸收型气体传感器光谱吸收型气体传感器是最重要，也是最简单的一类光纤气体传感器。它利用气体的吸收光谱因气体分子化学结构、浓度和能量分布差异产生的不同进行检测，从而具有了选择性、鉴别性和气体含量的唯一确定性等特点。2基于折射率变化型传感器基于折射率变化型传感器 在裸露纤芯表面或是端面涂敷一层与气体作用时折射率会发生变化的特殊材料，可引起波导的参数变化，如损耗、有效折射率、双折射等，运用强度模式或干涉等方法检测参数变化量就可实现对气体的成分和含量进行分析35。2.4红外线

16、气体传感器2.4.1红外线气体传感器原理 当某物质受到红外光束照射时，该物质的分子就要吸收一部分能量并将其转换为分子的振动和转动能量，同一种物质对不同波长的红外辐射吸收程度不同，如果将不同波长的红外辐射按顺序通过某物质，逐一测量其吸收程度，并记录下来，就得到该物质在测定波长范围内的吸收光谱曲线。2.4.2红外线气体传感器的基本机构 由光学部件和测量电路构成，测量电路的结构由光学部件及系统功能决定 红外辐射光源红外辐射光源使用广谱光源光谱覆盖波长从1m到1520m红外检测器红外检测器用于检测通过气室的红外光能 气室气室抽取式测量的红外仪器需要气室2.4.3红外线气体传感器的发展 在线红外气体分析

17、器常用的有五种类型：薄膜微音红外气体分析器，微流量红外气体分析器；气体滤波相关红外气体分析器，半导体红外气体分析器，傅立叶红外气体分析器。这种传感器过去都是大型的分析仪器，但是近些年，随着以MEMS（微机电系统Micro-Electro-Mechanical Systems的英文缩写）技术为基础的传感器工业的发展，这种传感器的体积已经由10升，45公斤的巨无霸，减小到2毫升（拇指大小）左右。使用无需调制光源的红外探测器使得仪器完全没有机械运动部件，完全实现免维护化。红外线气体传感器可以有效地分辨气体的种类，准确测定气体浓度。这种传感器成功的用于：二氧化碳、甲烷的检测。目前这种“传感器”的供应商

18、在欧洲，中国在这一领域目前是“半”空白。2.5磁性氧气传感器 这是磁性氧气分析仪的核心，但是目前也已经实现了这是磁性氧气分析仪的核心，但是目前也已经实现了“传感器化传感器化”进程。它是利用空气中的氧气可以被强磁场吸引的原理制备的。进程。它是利用空气中的氧气可以被强磁场吸引的原理制备的。这种传感器只能用于氧气的检测，选择性极好。大气环境中只有氮这种传感器只能用于氧气的检测，选择性极好。大气环境中只有氮氧化物能够产生微小的影响，但是由于这些干扰气体的含量往往很少，氧化物能够产生微小的影响，但是由于这些干扰气体的含量往往很少，所以，磁氧分析技术的选择性几乎是唯一的。所以，磁氧分析技术的选择性几乎是唯

19、一的。老牌工业产品，全世界各地都有制造商。老牌工业产品，全世界各地都有制造商。3渐逝场光纤气体传感器渐逝场光纤气体传感器 光在光密介质/光疏介质界面发生全反射时，并不是全部的光都反射回去了，而是在光疏介质中存在强度按指数规律衰减的渐逝场，其透射深度一般约为几个波长。光波导在光纤芯中传播时，包层中也存在以光轴为中心，向两侧迅速衰减的渐逝波。如果在渐逝场区域存在吸收介质(被测气体或燃料指示剂)，则全反射光能量减少，通过测量光能的衰减量就可以计算出气体的浓度。4光纤荧光气体传感器光纤荧光气体传感器 荧光物质受特定波长激励光照射时，会产生波长大于激励波长的荧光，其波长差称为strokes位移。气体分子

20、与某些荧光物质相互作用，导致荧光强度下降和荧光寿命减短，相应有两种传感机理:一是测量荧光的强度变化量;二是测量荧光的寿命变化量。2.6.3光纤气体传感器的未来 光纤传感技术是一个综合交叉的新兴探测技术。光源的发展、新型特殊光纤的研制技术和探测方法的改进，都将极大地推动光纤气体传感器的发展。光纤气体传感器的发展趋势主要有四个方面:小型化、远距离实时监控、多点或网络化和多气体成分探测。光纤气体传感器具有小型化，耐高温，抗腐蚀，成本低等优点，广泛地应用在工业控制、环境监测、医学应用、可燃性气体及毒性气体的实时监控等领域。特别是在一些恶劣环境下，光纤气体传感器表现出其它传感器无法比拟的优点，显示出其巨

21、大应用前景和市场潜力。3气体传感器技术的发展趋势 气体传感器和其它传感器一样，特别是在新材科，新结构等方面的研究进展很快。当前研究的重点除了提高元件的灵敏度、选择性、稳定性之外，还集中解决降低功耗，提高一致性等问题，目前已得到迅猛发展。这几年作为研究开发的技术动向有：(1)开展新材料研究，并通过控制材料的微细结构来提高元件的灵敏度、选择性并采用新型的元件结构，大大地降低气体传感器的功耗，并提高了元件的一致性;(2)通过对单一或多个敏感元件输出信号微机处理提高气体的识别能力;(3)以污染地球环境的各种气体为对象，进行有关气体传感器的特性改善研究;(4)以多种臭味成分为检测对象的新型敏感材料及传感器的开发。