1、傳感器的基本概念

 在實(shí)際應(yīng)用中zui先被大規(guī)模應(yīng)用的氣體傳感器是半導(dǎo)體傳感器，其次是催化燃燒傳感器和電化學(xué)傳感器。20世紀(jì)初*只半導(dǎo)體傳感器誕生于英國(guó)，并一直在歐洲發(fā)展和應(yīng)用，直到20世紀(jì)50年代半導(dǎo)體氣體傳感技術(shù)才流傳到日本，并有日本人把這項(xiàng)技術(shù)推進(jìn)到了。而歐洲人在發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體傳感器的種種不足后開始研究催化傳感器和電化學(xué)傳感器。氣體傳感器的理論直到70年代才傳入到我們國(guó)家，80年代我國(guó)才開始研制氣體傳感器，整個(gè)生產(chǎn)技術(shù)主要繼承于德國(guó) 。

1. 什么是傳感器？

能夠采集信息并把采集到的信息轉(zhuǎn)化為人們更易識(shí)別的信號(hào)（如電信號(hào)、聲信號(hào)、光信號(hào)、數(shù)字信號(hào)等）,凡是具有這種功能的部件或裝置，統(tǒng)稱為傳感器。

1. 什么是氣體傳感器？

能夠采集氣體的某些信息（如：濃度、種類）并把采集到的信息轉(zhuǎn)化為人們更易識(shí)別的信號(hào)（如電信號(hào)、聲信號(hào)、光信號(hào)、數(shù)字信號(hào)等）,凡是具有這種功能的部件或裝置，就是氣體傳感器。

1. 氣體傳感器的分類

氣體傳感器大致可以分為兩大類即：物理類氣體傳感器和化學(xué)類氣體傳感器。

所謂的物理類氣體傳感器就是在傳感器的工作過程中利用氣體的物理性質(zhì)，沒有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的氣體傳感器；反之則稱為化學(xué)類的氣體傳感器。

化學(xué)類的氣體傳感器雖然可靠性稍差，但由于它具有體積小巧、使用方便、探測(cè)迅速靈敏、價(jià)格低廉等突出優(yōu)點(diǎn)而成為氣體探測(cè)領(lǐng)域用量zui大、zui廣泛的品種。

2、化學(xué)類氣體傳感器

化學(xué)類氣體傳感器是一類可靠性不高的傳感器，但是因?yàn)樗w積小巧、探測(cè)迅速、使用方便、價(jià)格低廉，因而它仍然得到了的應(yīng)用。

常見的化學(xué)類氣體傳感器主要包括：半導(dǎo)體式氣體傳感器、接觸燃燒（催化燃燒）式氣體傳感器、電化學(xué)式氣體傳感器，式氣體傳感器等

1) 半導(dǎo)體式氣體傳感器

其敏感體主要是由半導(dǎo)體材料制成的，其中應(yīng)用的半導(dǎo)體材料不是常見的硅、鍺半導(dǎo)體，而是金屬氧化物半導(dǎo)體，在氣體傳感器領(lǐng)域中應(yīng)用zui多的金屬氧化物是SnO2，ZnO，F(xiàn)e2O3，WO3等。

半導(dǎo)體式氣體傳感器的基本工作原理：就是在一定條件（溫度）下，在被測(cè)氣體到達(dá)半

• 導(dǎo)體表面并與吸附在半導(dǎo)體表面的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程中伴隨電荷轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步引起半導(dǎo)體電阻的變化，通過測(cè)量半導(dǎo)體電阻的變化就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)。它的優(yōu)點(diǎn)主要是在低濃度氣體中輸出變化大、靈敏度高，使用壽命長(zhǎng)，選擇性相對(duì)比較好。
• 它缺點(diǎn)是線形度不好，所以只適合定性測(cè)量不適合定量測(cè)量。它在較高濃度下幾乎飽和，所以只能在濃度很底的情況下測(cè)量。另外他對(duì)毒性氣體的測(cè)量能力較差，所以現(xiàn)在的應(yīng)用范圍基本局限在對(duì)可燃?xì)怏w的測(cè)量。

1. 接觸燃燒式（催化燃燒）氣體傳感器

主要是由接觸燃燒催化載體和感溫元件制成的。其基本工作原理為：在一定的條件下（溫度），被測(cè)可燃性氣體到達(dá)傳感器表面與吸附氧發(fā)生劇烈的燃燒反應(yīng)，放出大量的熱，導(dǎo)致感溫線圈電阻發(fā)生變化，通過檢測(cè)感溫線圈電阻的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)，由于環(huán)境溫度的變化也會(huì)引起感溫線圈電阻的變化，因此，元件通常配對(duì)使用，其中一只為補(bǔ)償元件（白元件）對(duì)氣體無(wú)反應(yīng)，另一只為檢測(cè)元件（黑元件）可與氣體發(fā)生反應(yīng)，白元件用以抵消（補(bǔ)償）環(huán)境因素帶來的影響。

接觸燃燒氣體傳感器的性能：

1. 靈敏度：(Ve-V0)>12mv/25%LEL  指在可燃性氣體濃度為25%LEL時(shí)，惠斯通電橋的電壓輸出與其在空氣中輸出的差。接觸燃燒時(shí)氣體傳感器在靈敏度方面zui大的特點(diǎn)即：在爆炸下*同一只傳感器對(duì)所有的氣體具有相同的靈敏度

（2）響應(yīng)、恢復(fù)時(shí)間  傳感器接觸被測(cè)氣體后電橋輸出變化達(dá)到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間即響應(yīng)時(shí)間。接觸燃燒式氣體傳感器的響應(yīng)時(shí)間一般會(huì)小于10s；傳感器脫離被測(cè)氣體后電橋輸出電壓值達(dá)到在空氣當(dāng)中的穩(wěn)定值所需要的時(shí)間即恢復(fù)時(shí)間。接觸燃燒式氣體傳感器的恢復(fù)時(shí)間一般小于30s。

（3）選擇性 與半導(dǎo)體氣體傳感器相同，在*未知的氣體環(huán)境中（即*不知道環(huán)境中有哪幾種氣體）接觸燃燒式傳感器不能告訴人們探測(cè)到的是什么氣體，即該類氣體傳感器不具有本質(zhì)的選擇性；在已知的氣體環(huán)境里（即人們知道要探測(cè)環(huán)境里存在哪些氣體）可實(shí)現(xiàn)相對(duì)的選擇性探測(cè)。其相對(duì)選擇性要明顯好于半導(dǎo)體氣體傳感器。尤其是對(duì)水蒸汽、乙醇蒸汽、煙霧的抗干擾能力非常好。

（4）穩(wěn)定性  環(huán)境溫度、濕度的變化會(huì)影響傳感器的熱平衡、另外干擾氣體的影響、傳感器載體材料、催化劑本身物理性質(zhì)（顆粒）的變化等都會(huì)引起傳感器特性的變化。（10%以內(nèi)）

（5）線性  100%LEL以下靈敏度與濃度呈線性關(guān)系，由于熱傳導(dǎo)和吸附效應(yīng)，在濃度較高時(shí)曲線會(huì)出現(xiàn)向下彎曲現(xiàn)象。

（6）初始穩(wěn)定特性  和半導(dǎo)體氣體傳感器一樣，催化燃燒時(shí)氣體傳感器在出廠之前要經(jīng)過一定時(shí)間的老化以使其性能穩(wěn)定。老化后的傳感器在經(jīng)過一段時(shí)間的冷置存放后，使用時(shí)要經(jīng)過1小時(shí)左右的預(yù)熱穩(wěn)定時(shí)間。

（7）功耗  同半導(dǎo)體氣體傳感器一樣，接觸燃燒式氣體傳感器工作時(shí)需要消耗一定的能量以保持工作溫度。目前常見的接觸燃燒式氣體傳感器的功耗在250mw-450mw。

（8）壽命  由于工作溫度要高于半導(dǎo)體氣體傳感器，以及載體催化劑本身的缺陷，其使用壽命要比半導(dǎo)體的壽命要短（5年左右）。 

（9）適用領(lǐng)域  適用于工業(yè)、領(lǐng)域爆炸下限一下可燃?xì)怏w的定性、半定量、定量檢測(cè)。

• 它的優(yōu)點(diǎn)是輸出與氣體濃度幾乎成正比，到100 % LEL時(shí)幾乎為線性 ，可做定量測(cè)量；精密度高，有*的再現(xiàn)性；并且其一般都有補(bǔ)償元件，所以受周圍的溫濕度影響較小。
• 它的缺點(diǎn)是抗震性不好；對(duì)毒性氣體反應(yīng)較差，幾乎無(wú)法應(yīng)用到毒性氣體的測(cè)量；選擇性也比較差。
  

1. 型氣體傳感器

基本原理：在一定的條件下，被測(cè)氣體到達(dá)半導(dǎo)體表面并與半導(dǎo)體表面的吸附氧以及半導(dǎo)體材料本身的晶格氧發(fā)生氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)過程中的自由電荷濃度的變化，導(dǎo)致半導(dǎo)體電阻的變化，反應(yīng)過程中釋放的熱量導(dǎo)致感溫元件電阻的變化，兩電阻是并聯(lián)的關(guān)系，通過測(cè)量二者的總變化就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)。為了減少環(huán)境因素的影響，它和催化元件一樣需要配對(duì)使用。

• 它的優(yōu)點(diǎn)是在低濃度范圍輸出的變化大、靈敏度高；使用壽命長(zhǎng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性、耐久性出色；對(duì)氣體有一定的選擇性。
• 它的缺點(diǎn)是抗震性不好；線形度也不理想。

4）電化學(xué)式氣體傳感器

zui常見的電化學(xué)氣體傳感器有兩種形式即：定電位電解式和伽伐尼電池式。

定電位電解式學(xué)氣體傳感的基本原理：在一定的條件下（給定電位下）被測(cè)氣體通過透氣膜到達(dá)傳感器工作電極的表面被氧化，產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移引起工作電極電位的變化，同時(shí)氧氣在對(duì)電極被還原，引起對(duì)電極電位的變化，通過檢測(cè)兩電極之間電流的變化可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)。工作時(shí)參比電極提供恒電位，以保持工作電極穩(wěn)定工作

主要性能：

1. 靈敏度  定義為：傳感器在檢測(cè)回路中的給定條件下單位濃度的被測(cè)氣體所輸出的電流。 該類傳感器在低濃度毒性氣體探測(cè)領(lǐng)域具有良好的靈敏度。100nA/ppmCO
2. 響應(yīng)、恢復(fù)特性  該類傳感器有較長(zhǎng)的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間 。一般情況下響應(yīng)時(shí)間≤ 30秒，恢復(fù)時(shí)間≤90秒。 
3. 選擇性  通過電位選擇及采取其它措施，該類傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)一定的選擇性。
4. 穩(wěn)定性 易受環(huán)境溫濕度的影響。
5. 線性   氣體濃度和輸出信號(hào)呈線性關(guān)系
6. 初始穩(wěn)定特性  調(diào)試前須8小時(shí)左右的老化時(shí)間。
7. 壽命  與其它種類的氣體傳感器相比具有較短的壽命（1-2年）
8. 適用領(lǐng)域  適用于工業(yè)、領(lǐng)域的毒性氣體的定性、半定量、定量檢測(cè)。

伽伐尼電池式：一般用于O2的檢測(cè)，O2通過透氣膜到達(dá)電池正極被還原，負(fù)極Pb被氧化，引起兩電極的電位發(fā)生變化，通過測(cè)量?jī)呻姌O之間電流的變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)O2濃度的檢

主要性能：

1. 靈敏度  定義為：傳感器在檢測(cè)回路中的給定條件下單位濃度的被測(cè)氣體所輸出的電流。 該類傳感器對(duì)氧氣具有良好的靈敏度。≥100uA/21%氧氣（100Ω負(fù)載）
2. 響應(yīng)恢復(fù)特性  該類傳感器又較長(zhǎng)的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間 。一般情況下響應(yīng)時(shí)間≤  30秒，恢復(fù)時(shí)間≤ 90秒。 
3. 選擇性  通過氧電極材料、電解液的選擇及采取其它措施，該類傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)良好的選擇性。
4. 穩(wěn)定性 易受環(huán)境溫濕度的影響。
5. 線性   氣體濃度和輸出信號(hào)呈線性關(guān)系
6. 初始穩(wěn)定特性  調(diào)試前須至少8小時(shí)左右的老化時(shí)間。
7. 壽命 由于其本身是一個(gè)消耗性的電池 ，因此與其它種類的氣體傳感器相比具有更短的壽命（≤1年）
8. 適用領(lǐng)域  適用于工業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域氣體濃度的定性、半定量、定量檢測(cè)

• 它的優(yōu)點(diǎn)是具有*的靈敏度；良好的線形度，不僅可定量測(cè)量并且在一定濃度內(nèi)可做分析儀器使用；氣體選擇性極為出色，檢測(cè)毒性氣體；且其本身工作不消耗電能。
• 它的缺點(diǎn)是價(jià)格較為昂貴；宜受環(huán)境溫濕度的影響。

3、物理類的傳感器

3.1熱傳導(dǎo)型氣體傳感器

基本原理：不同的氣體在相同的條件下具有不同的熱傳導(dǎo)率，在一定的條件下，被測(cè)氣體濃度或組分的變化導(dǎo)致元件工作環(huán)境熱傳導(dǎo)率發(fā)生變化，從而引起元件表面溫度的變化，進(jìn)一步導(dǎo)致感溫元件電阻變化，通過測(cè)量感溫電阻的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的檢測(cè)。工作時(shí)為了抵消環(huán)境溫度的變化，通常配對(duì)使用。

3.2紅外線氣體分析儀

基本原理：對(duì)2-10μm波長(zhǎng)范圍的紅外光，不同異核氣體分子由于旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外光有特異吸收，當(dāng)紅外光透過被測(cè)氣體時(shí)，檢測(cè)紅外光譜的缺失及光強(qiáng)度的變化可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)。

我公司儀器采用的是進(jìn)口的傳感器，性能穩(wěn)定。