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了解氣體傳感器
點擊次數(shù)：2021 發(fā)布時間：2016-12-28
氣體傳感器從原理上可以分為三大類：
A）利用物理化學性質(zhì)的氣體傳感器：如半導體式（表面控制型、體積控制型、表面電位型）、催化燃燒式、固體熱導式等。
B）利用物理性質(zhì)的氣體傳感器：如熱傳導式、光干涉式、紅外吸收式等。
C）利用電化學性質(zhì)的氣體傳感器：如定電位電解式、迦伐尼電池式、隔膜離子電極式、固定電解質(zhì)式等。
根據(jù)危害，我們將有毒有害氣體分為可燃氣體和有毒氣體兩大類。由于它們性質(zhì)和危害不同，其檢測手段也有所不同。
可燃氣體是石油化工等工業(yè)場合遇到zui多的危險氣體，它主要是烷烴等有機氣體和某些無機氣體：如一氧化碳等。
可燃氣體發(fā)生爆炸必須具備一定的條件，那就是：一定濃度的可燃氣體，一定量的氧氣以及足夠熱量點燃它們的火源，這就是爆炸三要素（如上左圖所示的爆炸三角形），缺一不可，也就是說，缺少其中任何一個條件都不會引起火災和爆炸。當可燃氣體（蒸汽、粉塵）和氧氣混合并達到一定濃度時，遇具有一定溫度的火源就會發(fā)生爆炸。我們把可燃氣體遇火源發(fā)生爆炸的濃度稱為爆炸濃度極限，簡稱爆炸極限，一般用%表示。
實際上，這種混合物也不是在任何混合比例上都會發(fā)生爆炸而要有一個濃度范圍。如上右圖所示的陰影部分。當可燃氣體濃度低于LEL（zui低爆炸限度）時（可燃氣體濃度不足）和其濃度高于UEL（zui高爆炸限度）時（氧氣不足）都不會發(fā)生爆炸。不同的可燃氣體的LEL和UEL都各不相同，這一點在標定儀器時要十分注意。
直接測量可燃氣體的體積濃度的熱導式VOL檢測器也可以在市場上得到，同時，也已經(jīng)有了LEL/VOL合二為一的檢測器。VOL可燃檢測器特別適合于在缺氧（氧氣不足）的環(huán)境中測量可燃氣體的體積（VOL）濃度。
有毒氣體既可以存在于生產(chǎn)原料中，如大多數(shù)的有機化學物質(zhì)（VOC），也可能存在于生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)的副產(chǎn)品中，如氨、一氧化碳、硫化氫等等。它們是對工作人員造成危害zui大的危險因素。這種危害不僅包括立即的傷害，如身體不適、發(fā)病、死亡等等，而且包括對于人體長期的危害，如致殘、癌變等等。對于這些有毒有害氣體的檢測是我們發(fā)展中國家應當開始引起充分重視的問題。
目前，對于特定的有毒氣體的檢測，我們使用zui多的是氣體傳感器。它可以包括上面所列的所有氣體傳感器，也包括前兩章所介紹的光離子化檢測儀。其中，檢測無機氣體zui為普遍、技術(shù)相對成熟、綜合指標的方法是定電位電解式方法，也就是我們常說的電化學傳感器。
電化學傳感器的構(gòu)成是：將兩個反應電極--工作電極和對電極以及一個參比電極放置在特定電解液中，然后在反應電極之間加上足夠的電壓，使透過涂有重金屬催化劑薄膜的待測
氣體進行氧化還原反應，再通過儀器中的電路系統(tǒng)測量氣體電解時產(chǎn)生的電流，然后由其中的微處理器計算出氣體的濃度。
目前，可以檢測到特定氣體的電化學傳感器包括：一氧化碳、硫化氫、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、氨氣、氯氣、氰氫酸、環(huán)氧乙烷、氯化氫等等。
氧氣也是在工業(yè)環(huán)境中，尤其是密閉環(huán)境中需要十分注意因素。一般我們將氧氣含量超過23.5%稱為氧氣過量（富氧），此時很容易發(fā)生爆炸的危險；而氧氣含量低于19.5%為氧氣不足（缺氧），此時很容易發(fā)生工人窒息、昏迷以至死亡的危險。正常的氧氣含量應當在20.9%左右。氧氣檢測儀也是電化學傳感器的一種。
選擇
根據(jù)測量對象與測量環(huán)境
根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型。 要進行—個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進口，價格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。
靈敏度的選擇
通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的于擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。
響應特性 （反應時間）
傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有—定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動態(tài)測量中，應根據(jù)信號的特點 (穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等)響應特性，以免產(chǎn)生過火的誤差。
線性范圍
傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感器都不能保證的線性，其線性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。
分類
半導氣體傳感器
這種類型的傳感器在氣體傳感器中約占60%，根據(jù)其機理分為電導型和非電導型，電導型中又分為表面型和容積控制型.
(1 ) SnO2半導體是典型的表面型氣敏元件，其傳感原理是SnO2為n 型半導體材料。當施加電壓時，半導體材科溫度升高，被吸附的氧接受了半導體中的電子形成了O2或O2原性氣體H2、CO、CH4存在時，使半導體表面電阻下降，電導上升，電導變化與氣體濃度成比倒。NiO為p型半導體，氧化性氣體使電導下降，對O2敏感。ZnO半導體傳感器也屬于此種類型。
半導體氣體傳感器
a. 電導型的傳感器元件分為表面敏感型和容積控制型，表面敏感型傳感材料為SnO2+Pd 、ZnO十Pt 、AgO、V 205 、金屬酞青、Pt —SnO2。 表面敏感型氣體傳感器可檢測氣體為各種可燃性氣體C0、NO2、 氟利昂。傳感材料Pt —SnO2 的氣體傳感器可檢測氣體為可燃性氣體CO、H2、CH4 。
b. 容積控制型傳感材料為Fe2O8、la1-SSrxCOO8 和TiO2、CoO-MgO —SnO2體傳感器可檢測氣體為各種可燃性氣體CO、NO2 氟利昂。。傳感材料Pt —SnO2
容積控制型半導體氣體傳感器可檢測氣體為液化石油氣、酒精、空燃比控制、燃燒爐氣尾氣。
( 2) 容積控制型的是晶格缺陷變化導致電導率變化，電導變化與氣體濃度成比例關(guān)系。
Fe2O8、TiO2屬于此種，對可燃性氣體敏感。
(3) 性傳感器，是利用熱導率變化的半導體傳感器，又稱性半導體傳感器，是在Pt 絲線圈上涂敷SnO2層，Pt絲除起加熱作用外，還有檢測溫度變化的功能。施加電壓半導體變熱，表面吸氧，使自由電子濃度下降，可燃性氣體存在時，由于燃燒耗掉氧自由電子濃度增大，導熱率隨自由電子濃度增加而增大，散熱率相應增高，使Pt 絲溫度下降，阻值減小，P t絲阻值變化與氣體濃度為線性關(guān)系。
這種傳感器體積小、穩(wěn)定、抗毒，可檢測低濃度氣體，在可燃氣體檢測中有重要作用。
( 4) 非電導型的FET場效應晶體管氣體傳感器，Pd —FET．場效應晶體管傳感器，利用Pd 吸收H z 并擴散達到半導體Si 和Pd的界面，減少Pd 的功函，這種對H2、CO敏感。非電導型FET場效應晶體管氣體傳感器體積小，便于集成化，多功能，是具有發(fā)展前途的氣體傳感器。
固體電解質(zhì)氣體傳感器
這種傳感器元件為離子對固體電解質(zhì)隔膜傳導，稱為電化學池，分為陽離子傳導和陰離子傳導，是選擇性強的傳感器，研究較多達到實用化的是氧化鋯固體電解質(zhì)傳感器，其機理是利用隔膜兩側(cè)兩個電池之間的電位差等于濃差電池的電勢。穩(wěn)定的氧化鉻固體電解質(zhì)傳感器已成功地應用于鋼水中氧的測定和發(fā)動機空燃比成分測量等。
為彌補固體電解質(zhì)導電的不足，近幾年來在固態(tài)電解質(zhì)上鍍一層氣敏膜，把圍周環(huán)境中存在的氣體分子數(shù)量和介質(zhì)中可移動的粒子數(shù)量起來。
接觸燃燒式氣體傳感器
接觸燃燒式傳感器適用于可燃性氣H2、CO、CH4的檢測。可燃氣體接觸表面催化劑
Pt 、Pd 時燃燒、破熱，燃燒熱與氣體濃富有關(guān)。這類傳感器的應用面廣、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，缺點是選擇性差。
電化學氣體傳感器
電化學方式的氣體傳感器常用的有兩種
( 1 )恒電位電解式傳感器
是將被測氣體在特定電場下電離，由流經(jīng)的電解電流測出氣體濃度，這種傳感器靈敏度高，改變電位可選擇的檢洌氣體，對毒性氣體檢測有重要作用。
( 2) 原電池式氣體傳感器
在KOH電解質(zhì)溶液中，Pt —Pb或Ag —Pb 電極構(gòu)成電池，已成功用于檢測O2，其靈敏度高，缺點是透水逸散吸潮，電極易中毒。
光學氣體傳感器
( 1 )直接吸收式氣體傳感器
紅外線氣體傳感器是典型的吸收式光學氣體傳感器，是根據(jù)氣體分別具有各自固有的光譜吸收譜檢測氣體成分，非分散紅外吸收光譜對SO2、CO、CO2、NO等氣體具有較高的靈敏度。
另外紫外吸收、非分散紫外線吸收、相關(guān)分光、二次導數(shù)、自調(diào)制光吸收法對NO、NO2、SO2、烴類( CH4) 等氣體具有較高的靈敏度。
( 2)光反應氣體傳感器
光反應氣體傳感器是利用氣體反應產(chǎn)生色變引起光強度吸收等光學特性改變，傳感元件是理想的，但是氣體光感變化受到限制，傳感器的自由度小。
( 3 )氣體光學特性的新傳感器
光導纖維溫度傳感器為這種類型，在光纖頂端涂敷觸媒與氣體反應、發(fā)熱。溫度改變，導致光纖溫度改變。利用光纖測溫已達到實用化程度，檢測氣體也是成功的。
此外，利用其它物理量變化測量氣體成分的傳感器在不斷開發(fā)，如聲表面波傳感器檢測SO2、NO2、H2S、NH3、H2 等氣體也有較高的靈敏度。