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气体传感器
E TO SENSORWORLD
AII-209
8/6/2018
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气体传感器简介
气体传感器又名气敏传感器。
气体传感器是用来测量气体的类别、浓度和成分。
气体传感器日渐发展,其应用的范围越来越广,特别是在环境质量检测和工业生产过程安全检测、保障人民的生命安全等方面越加广泛。
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。
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气敏传感器
气体传感器的分类
国外从30年代开始研究开发气体传感器。过去气体传感器主要用于煤气、液化石油气、天然气及矿井中的***气体的检测与报警,目前需要检测的气体种类由原来的还原性气体(H2,C4H10,CH4)等扩展到毒性气体(CO,NO2,H2S,NO,NH3,PH3)等。 气体传感器种类繁多。按所用气敏材料及气敏特性不同,可分为半导体式、固体电解质式、电化学式、接触燃烧式、高分子式等。
按被测气体分类,可分为一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、氮化物、氢气、氧气、酒精、硫化氢等。
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气敏传感器
半导体气敏传感器
这种传感器主要使用半导体气敏材料。自从1962年半导体金属氧化物气体传感器问世以来,由于具有灵敏度高、响应快等优点,得到了广泛的应用,目前已成为世界上产量最大、使用最广的传感器之一。
半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在表面,还是在内部,可分为便面控制型和体质控制性两类。
按照半导体变化的物理性质,可分为电阻型和非电阻型两类。
电阻型半导体体气敏元件是利用半导体接触气体时,按其阻值的改变程度来检测气体的成分或浓度;主要使用金属氧化物陶瓷气敏材料。随着近年来复合金属氧化物、混合金属氧化物等新型材料的研究和开发,大大提高了这种气体传感器的特性和应用范围。例如:WO3气体传感器可检测NH3的浓度范围为5 ppm~50 ppm,ZnO-CuO气体传感器对200 ppm的CO非常敏感。
而非电阻型半导体气敏元件根据其对气体的吸附和反应,使其某些有关特性变化对气体进行直接或间接检测。主要有MOS二极管式和结型二极管式,以及场效应管式气体传感器。检测气体大多为氢气、硅烷等可燃气体。
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气敏传感器
固体电解质气体传感器
固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料做气敏元件。其原理是气敏材料在通过气体时产生离子,从而形成电动势,测量电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高,灵敏度和选择性好,得到了广泛的应用,几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域,仅次于金属氧化物半导体气体传感器。如测量H2S的YST-Au-WO3、测量NH3的NH+4CaCO3等。
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气敏传感器
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两种。其工作原理是:气敏材料在通电状态下,可燃性气体氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧,产生的热量使电热丝升温,从而使其电阻值发生变化,测量电阻变化从而测量气体浓度。这种传感器只能测量可燃气体,对不燃性气体不敏感。例如,在Pt丝上涂敷活性催化剂Rh和Pd等制成的传感器,具有广谱特性,即可以检测各种可燃气体。接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定,并能对爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测,普遍应用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道、浴室、厨房等处的可燃性气体的监测和报警。
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气敏传感器
高分子气体传感器
利用高分子气敏材料的气体传感器近年来得到了很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定气体时,其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。主要有酞菁聚合物、LB膜、苯菁基乙炔、聚乙烯醇-磷酸、聚异丁烯、氨基十一烷基硅烷等。高分子气敏材料由于具有易*作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合,在毒性气体和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。根据所用材料的气敏特性,这类传感器可分为:通过测量气敏材料的电阻来测量气体浓度的高分子电阻式气体传感器;根据气敏材料吸收气体时形成浓差电池,测量电动势来确定气体浓度的浓差电池式气体传感器;根据高分子气敏材料吸收气体后声波在材料表面传播速度或频率发生变化的原理制成的声表面波气体传感器;以及根据高分子气敏材料吸收气体后重量变化而制成的石英振子式气体传感器等。高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高,选择性好,且结构简单,能在常温下使用,可以补充其它气体传感器的不足。
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气敏传感器
气体传感器的研究现状及发展方向
目前,国内外对新的气敏材料和气体传感器的研究非常活跃,其主要研究和发展方向主要集中在以下几点:  首先,开发新的气敏