气体分子传感器

目前按照气敏特性来分，气体传感器主要分为：半导体型、电化学型、固体电解质型、接触燃烧型、光化学型等气体传感器，又以前两种最为普遍。 一、半导体型气体传感器的优缺点自从1962年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来，半导体气体传感器已经成为当今应用最普遍、最实用的一类气体传感器。它具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。不足之处是必须在高温下工作、对气体或气味的选择性差、元件参数分散、稳定性不理想、功率高等方面。 二、半导体传感器需要加热的原因半导体传感器是利用一种金属氧化物薄膜制成的阻抗器件，其电阻随着气体含量不同而变化。气体分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器电导率的变化。为了消除气体分子达到初始状态就必须发生一次氧化反应。传感器内的加热器可以加速氧化过程，这也是为什么有些低端传感器总是不稳定，其原因就是没有加热或加热电压过低导致温度太低反应不充分。 三、电化学气体传感器的工作原理 电化学气体传感器是通过检测电流来检测气体的浓度，分为不需供电的原电池式以及需要供电的可控电位电解式，目前可以检测许多有毒气体和氧气，后者还能检测血液中的氧浓度。电化学传感器的主要优点是气体的高灵敏度以及良好的选择性。不足之处是有寿命的限制一般为两年。 四、半导体传感器和电化学传感器的区别 半导体传感器因其简单低价已经得到广泛应用，但是又因为它的选择性差和稳定性不理想目前还只是在民用级别使用。而电化学传感器因其良好的选择性和高灵敏度被广泛应用在几乎所有工业场合。 五、固态电解质气体传感器 顾名思义，固态电解质就是以固体离子导电为电解质的化学电池。它介于半导体和电化学之间。选择性，灵敏度高于半导体而寿命又长于电化学，所以也得到了很多的应用，不足之处就是响应时间过长。 六、接触燃烧式气体传感器 接触燃烧式气体传感器只能测量可燃气体。又分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式，原理是气敏材料在通电状态下，可燃气体在表面或者在催化剂作用下燃烧，由于燃烧使气敏材料温度升高从而电阻发生变化。后者因为催化剂的关系具有广普特性应用更广。 七、光学式气体传感器光学式气体传感器主要包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型等等，主要以红外吸收型为主。由于不同气体对红外波吸收程度不同，通过测量红外吸收波长来检测气体。目前因为它的结构关系一般造价颇高。

[align=center]气体传感器是将气体浓度转换成电信号的部件。在二次开发和升级之后，气体传感器的电信号可以转换成数字信号。人们可以方便地直接检查气体浓度值。[/align]气体探测器的核心部分。气体传感器属于核心部件，不能直接使用。由于传感器信号很小，它只能输出nA电平信号，这很难收集。每个传感器的一致性不同，管理起来不方便。最后它也容易受到温度和湿度的干扰，并且这些值容易出现偏差。原始传感器给用户带来很多不便。没有开发经验的用户不仅开发不好，即使开发出来，检测价值也不稳定，这不仅浪费时间和精力，而且还延误了项目的进度，这不符合成本效益。有许多类型的气体和不同的属性，因此有许多类型的气体传感器。根据待测气体的性质，可分为：用于检测易燃易爆气体的传感器，如氢气、一氧化碳、气体、汽油挥发性气体等 用于检测有毒气体的传感器，如氯、硫化氢、胂 用于检测工业过程气体的传感器，例如氧气中的二氧化碳、炼钢炉中的热处理炉 用于检测大气污染的传感器，如NOx、 CH4、 O3形成酸雨，甲醛等家庭污染。根据气体传感器的结构，可分为干式和湿式 根据传感器的输出，它可以分为两种类型：电阻型和电阻型 根据测试机构的说法，它可分为电化学方法、，电法、，光学方法、化学法等几种类型。气体传感器是气体检测系统的核心，通常安装在探头中。基本上，气体传感器是将特定气体体积分数转换成相应电信号的换能器。探针通过气体传感器调节气体样品，通常包括过滤杂质和干扰气体。、干燥或冷却、样品吸入，甚至样品的化学处理，以便化学传感器更快地进行测量。因此，为了便于信号采集和统一管理，SZC利用其独特的核心技术和多年的传感器技术经验，开发出智能气体传感器模块。气体传感器已经开发和升级。通过比较、采样步骤、滤波、校准、信号放大、温湿度补偿，沉国安智能气体传感器模块已经开发完成。沉国安智能气体传感器模块可以对应数千种气体，每种气体对应数十种气体检测范围。对于该产品系列，智能传感器模块可达数万个。根据用户的情况和选择，沉国安只能根据用户的情况制作适合用户的智能传感器模块。这是沉国安产品独家销售的原因之一。气体传感器包含范围：[color=#333333]气体流量传感器丨绝对压力变送器丨微量氧传感器丨ph传感器丨水管温度传感器丨[/color]气体压力传感器[color=#333333]丨气压感应器丨[/color][color=#333333]电化学传感器丨数字温湿度[/color][color=#333333]传感器丨煤气检测传感器丨h2传感器丨风速传感器丨超声波液位传感器[/color][color=#333333]丨流量传感器[/color][color=#333333]丨压电薄膜传感器丨微型压力传感器丨[/color]湿度传感器[color=#333333]丨[/color]气体传感器https://mall.ofweek.com/category_11.html[color=#333333]丨电流传感器丨[/color]微型传感器[color=#333333]丨壁挂式温度变送器[/color][color=#333333]丨[/color][color=#333333]一氧化碳传感器丨[/color][color=#333333]氧气传感器丨[/color][color=#333333]超声波传感器丨光纤传感器丨[/color][color=#333333]超声波风速传感器丨[/color][color=#333333]压阻式压力变送器丨[/color][color=#333333]voc传感器丨称重传感[/color][color=#333333]器[/color][color=#333333]丨气压传感器丨[/color][color=#333333]硫化氢传感器丨光离子传感器丨ph3传感器丨二[/color][color=#333333]氧化碳传感器丨百分氧传感器丨[/color][color=#333333]co2气体传感器丨位置传感器丨[/color][color=#333333]bm传感器丨风速传感器丨电流传感器[/color][color=#333333]丨[/color][color=#333333]气压传感器丨压力传感器丨meas压力[/color][color=#333333]传感器丨传感器https://mall.ofweek.com/category_5.html丨甲烷传感器丨微流量传感器丨光纤应变传感器丨一氧化氮传感器丨三合一传感器丨sst传感器丨gss传感器丨ch4传感器丨氟利昂传感器丨硫化物传感器丨o3传感器丨双气传感器丨透明度传感器丨二氧化硫传感器丨氰化氢传感器丨煤气检测传感器丨燃气检测传感器丨电流氧传感器[/color]

所谓[url=https://www.isweek.cn/category_11.html]气体传感器[/url]，是一种可以检查出目视不到的气体存在的传感装置。在以家用天燃气丙烷气体报警器为主的空调与空气洁净器、汽车等领域广泛得到应用。现在工采网小编对4种气体检测原理进行说明。[b][b][b]一、半导体气体传感器工作原理[/b][b]简单的架构[/b][/b][/b][url=http://news.isweek.cn/wp-content/uploads/2021/12/shikumi.gif][img=shikumi,300,280]http://news.isweek.cn/wp-content/uploads/2021/12/shikumi.gif[/img][/url][b][b][b]STEP1[/b][/b][/b]在洁净的空气中，氧化锡表面吸附的氧会束缚氧化锡中的电子，造成电子难以流动的状态。[b][b][b]STEP2[/b][/b][/b]在泄漏的气体（还原性气体）环境中，表面的氧与还原气体反应后消失，氧化锡中的电子重获自由，受此影响，电子流动通畅。[b][b][b]传感器的检测原理[/b][/b][/b]当氧化锡粒子在数百度的温度下暴露在氧气中时，氧气捕捉粒子中的电子后，吸附于粒子表面。结果，在氧化锡粒子中形成电子耗尽层。由于气体传感器使用的氧化锡粒子一般都很小，因此在空气中整个粒子都将进入电子耗尽层的状态。这种状态称为容衰竭（volume depletion）。相反，把粒子中心部位未能达到耗尽层的状态称为域衰竭（regional depletion）。使氧气分压从零（flat band开始按照小（[O[sup]-[/sup]](Ⅰ)）→中（[O[sup]-[/sup]](Ⅱ)）→大（[O[sup]-[/sup]](Ⅲ)））的顺序上升时，能带结构与电子传导分布的变化如下图所示（[O[sup]-[/sup]]：吸附的氧气浓度）。在容衰竭（volume depletion）状态下，电子耗尽层的厚度变化结束，产生费米能级转换[i][i]p[/i][/i]kT，电子耗尽状态往前推进则[i][i]p[/i][/i]kT增大，后退则pkT缩小。[b][b][b]■ 随着吸附的氧气浓度增加半导体粒子的耗尽状态在推进[/b][/b]能带结构[/b][table][tr][td][img]http://www.figaro-china.com/img/development/handoutai/zu1.jpg[/img][/td][td][table][tr][td]x[/td][td]:[/td][td]半径方向的距离[/td][/tr][tr][td]qV(x)[/td][td]:[/td][td]势垒[/td][/tr][tr][td][i]a[/i][/td][td]:[/td][td]离子半径[/td][/tr][tr][td][O[sup]-[/sup]][/td][td]:[/td][td]吸附氧气的浓度[/td][/tr][tr][td]E[sub]C[/sub][/td][td]:[/td][td]传导带下端[/td][/tr][tr][td]E[sub]F[/sub][/td][td]:[/td][td]费米能级[/td][/tr][tr][td][i]p[/i]kT[/td][td]:[/td][td]费米能级转换[/td][/tr][/table][/td][/tr][/table][b]传导电子分布[/b][table][tr][td][img]http://www.figaro-china.com/img/development/handoutai/zu2.jpg[/img][/td][td][table][tr][td][e][/td][td]:[/td][td]电子浓度[/td][/tr][tr][td]N[sub]d[/sub][/td][td]:[/td][td]施子密度[/td][/tr][/table][/td][/tr][/table]容衰竭（volume depletion）状态下球状氧化锡粒子表面的电子浓度[e][sub]S[/sub]可用施子密度Nd、粒子半径[i]a[/i]以及德拜长度L[sub]D[/sub]通过式子（1）表示。如果[i]p[/i]增大则[e][sub]S[/sub]减少，[i]p[/i]减少则[e][sub]S[/sub]增大。[e][sub]S[/sub]=N[sub]d[/sub] exp{-(1/6)([i]a[/i]/L[sub]D[/sub])[sup]2[/sup]-[i]p[/i]} ... (1)由大小、施子密度相同的球状氧化锡粒子组成的传感器的电阻值R，可使用flat band时的电阻值R[sub]0[/sub]，通过式子（2）表示。[e][sub]S[/sub]减少则将增大，[e][sub]S[/sub]增大则将缩小。R/R[sub]0[/sub]= N[sub]d[/sub]/[e][sub]S[/sub] ... (2)使用了氧化锡的半导体式气体传感器，就是这样通过氧化锡粒子表面的[O[sup]-[/sup]]的变化来体现电阻值R的变化。置于空气中被加热到数百度的氧化锡粒子，一旦暴露于一氧化碳这样的还原性气体中，其表面吸附的氧气与气体之间发生反应后，使[O[sup]-[/sup]]减少，结果是[e][sub]S[/sub]增大，R缩小。消除还原性气体后，[O[sup]-[/sup]]增大到暴露于气体前的浓度，R也将恢复到暴露于气体前的大小。使用氧化锡的半导体式气体传感器就是利用这个性能对气体进行检测。[b][b][b]二、催化燃烧式气体传感器工作原理[/b][/b][/b]催化燃烧式气体传感器由对可燃气体进行反应的检测片（D）和不与可燃气体进行反应的补偿片（C）2个元件构成。如果存在可燃气体的话，只有检测片可以燃烧，因此检测片温度上升使检测片的电阻增加。 相反，因为补偿片不燃烧，其电阻不发生变化（图1）。这些元件组成惠斯通电桥回路（图2），不存在可燃气体的氛围中，可以调整可变电阻（VR）让电桥回路处于平衡状态。 然后，当气体传感器暴露于可燃气体中时，只有检测片的电阻上升，因此电桥回路的平衡被打破，这个变化表现为不均衡电压（Vout）而可以被检测出来。此不均衡电压与气体浓度之间存在图3所示的比例关系，因此可以通过测定电压而检出气体浓度。[b]■ (图1)测定电路[/b][img=,621,257]http://www.figaro-china.com/img/development/sesshoku/img1.jpg[/img][b]■ (图2)测试电路[/b][img=,297,255]http://www.figaro-china.com/img/development/sesshoku/img2.jpg[/img][b]■ (图3)[/b][img=,297,255]http://www.figaro-china.com/img/development/sesshoku/img3.jpg[/img][b][b][b]三、电化学气体传感器工作原理[/b][/b]传感器元件构成与电极反应式[/b][img=,621,255]http://www.figaro-china.com/img/development/denkikagaku/shiki.jpg[/img]传感器由来自贵金属催化剂的检测极、对极与离子传导体构成。当CO等检测对象气体存在时，在检测极催化剂上与空气中的水蒸气发生（1）式所示的反应。CO + H[sub]2[/sub]O → CO[sub]2[/sub]＋ 2H[sup]+[/sup] + 2e[sup]-[/sup] …（1）检测极与对极接通电流（短路）后，检测极产生的质子(H+)与同时产生的电子（e-）分别通过离子传导体与外部电线（引线）各自到达对极，在对极上与空气中的氧之间发生（2）式所示的反应。（1/2）O[sub]2[/sub] + 2H[sup]+[/sup] + 2e[sup]-[/sup] → H[sub]2[/sub]O …（2）也就是说此传感器构成了由（1）（2）反应式形成的（3）反应式的全电池反应，可以认为是将气体作为活性物质的电池。CO + （1/2）O[sub]2[/sub] → CO[sub]2[/sub] …（3）当做气体传感器使用时，接通检测极与对极的电流，来测定其短路电流。[b]CO浓度检测原理公式[/b][img=,254,236]http://www.figaro-china.com/img/development/denkikagaku/co.jpg[/img]对流过外部电路的短路电流与气体浓度的关系，通过传感器进行适当的扩散控制（控制气体的流入量），呈现出式子（4）这样的比例关系（右图）。I = F × (A/σ) × D × C × n …（4）这里 I：短路电流；A：扩散孔面积；σ：扩散层长度；D：气体扩散系数；C：气体浓度；ｎ：反应的电子数量[b]特长[/b]反应式（1）所示的氧化电位由于比氧化电极电位的基准值（2H+ + 2e- ? H2)要低（拥有较低电位），因此此反应不需要消耗来自外部的电压、温度等其他能量，可以有选择地进行，与别的检测方式相比在干扰性、重复性、节电方面要优越得多。[b][b][b]四、NDIR气体传感器工作原理[/b][b]NDIR（非色散型红外线）式气体传感器的工作原理[/b][/b][/b]NDIR(non-dispersive infrared)式气体传感器是通过由入射红外线引发对象气体的分子振动，利用其可吸收特定波长红外线的现象来进行气体检测的。红外线的透射率（透射光强度与源自辐射源的放射光强度之比）取决于对象气体的浓度。[img]http://www.figaro-china.com/img/development/ndir-type/zu01.png[/img]传感器由红外线放射光源、感光素子、光学滤镜以及收纳它们的检测匣体、信号处理电路构成。在单光源双波长型传感器中，在2个感光素子的前部分别设置了具有不同的透过波长范围阈值的光学滤镜，通过比较可吸收检测对象气体波长范围与不可吸收波长范围的透射量，就可以换算为相应的气体浓度。因此，双波长方式可实现长期而又稳定的检测。[b]检测原理[/b]用中波段红外线照射气体后，由于气体分子的振动数与红外线的能级处于同一个光谱范畴，红外线与分子的固有振动数发生共振后，在分子振动时被气体分子所吸收。气体浓度与红外线透射率的关系可通过下述朗伯-比尔定律进行说明。对于NDIR式气体传感器来说，对象气体的吸光度ε与光程d是不变的，在与成为对象的气体吸收能（波长）一致的光谱范畴，通过测定红外线的透射率[i]T[/i]，即可得到对象气体的浓度c。[img]http://www.figaro-china.com/img/development/ndir-type/zu02.png[/img]来自放射源的入射光强度[i]I[/i][sub]0[/sub]，是通过使用不吸收红外线的零点气体校准后设定的。吸光度ε是利用已知浓度的对象气体进行校准后进行初始设定的。[b]特长[/b]因为红外线是根据目标气体固有的红外能量（波长）被吸收的，所以气体选择性非常高成为其最大的特长。即使在高浓度的对象气体中长时间进行暴露，也从原理上避免了灵敏度的不可逆变化。