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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,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家,80年代我國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 。
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。
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。
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、探測迅速靈敏、價(jià)格低廉等突出優(yōu)點(diǎn)而成為氣體探測領(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,在被測氣體到達(dá)半
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,通過檢測感溫線圈電阻的變化實(shí)現(xiàn)對氣體的檢測,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,元件通常配對使用,其中一只為補(bǔ)償元件(白元件)對氣體無反應(yīng),另一只為檢測元件(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:
(2)響應(yīng)、恢復(fù)時(shí)間 傳感器接觸被測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(即人們知道要探測環(huán)境里存在哪些氣體)可實(shí)現(xiàn)相對的選擇性探測。其相對選擇性要明顯好于半導(dǎo)體氣體傳感器。尤其是對水蒸汽、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。
基本原理:在一定的條件下,被測氣體到達(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,通過測量二者的總變化就可以實(shí)現(xiàn)對氣體的檢測。為了減少環(huán)境因素的影響,它和催化元件一樣需要配對使用。
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)氧氣在對電極被還原,引起對電極電位的變化,通過檢測兩電極之間電流的變化可實(shí)現(xiàn)對氣體的檢測。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:
伽伐尼電池式:一般用于O2的檢測,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,通過測量兩電極之間電流的變化來實(shí)現(xiàn)對O2濃度的檢
主要性能:
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,通過測量感溫電阻的變化實(shí)現(xiàn)對氣體濃度的檢測。工作時(shí)為了抵消環(huán)境溫度的變化,通常配對使用。
3.2紅外線氣體分析儀
基本原理:對2-10μm波長范圍的紅外光,不同異核氣體分子由于旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)對不同波長的紅外光有特異吸收,當(dāng)紅外光透過被測氣體時(shí),檢測紅外光譜的缺失及光強(qiáng)度的變化可以實(shí)現(xiàn)對氣體的檢測。
我公司儀器采用的是進(jìn)口的傳感器,性能穩(wěn)定。