氣體傳感器原理應用以及型號參數和特性詳解

　　前言：氣體傳感器是一種將氣體的成份、濃度等信息轉換成可以被人員、儀器儀表、計算機等利用的信息的裝置！氣體傳感器一般被歸為化學傳感器的一類，儘管這種歸類不一定科學。「氣體傳感器」包括：半導體氣體傳感器、電化學氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、熱導式氣體傳感器、紅外線氣體傳感器等。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/365241.htm　　氣體傳感器原理應用

　　氣體傳感器，是指利用各種化學、物理效應將氣體成分、濃度按一定規律轉換成電信號輸出的器件。隨著社會的發展和科學技術的進步，氣體傳感器的開發研究越來越引起人們的重視，各種氣體傳感器應運而生。綜合氣體傳感器的應用情況，主要有以下幾種用途：

　　有毒和可燃性氣體檢測　

　有毒和可燃性氣體檢測是氣敏傳感器最大的市場。主要應用於石油、採礦、半導體工業等工礦企業以及家庭中環境檢測和控制。在石油、石化、採礦工業中，硫化氫、一氧化碳、氯氣、甲烷和可燃的碳氫化合物是主要檢測氣體。在半導體工業中最主要是檢測磷、砷和矽烷。家庭中主要是檢測煤氣和液化氣的洩漏以及是否通風。

　　燃燒控制　

　 汽車工業是氣體傳感器又一重要市場。採用氧傳感器檢測和控制發動機的空燃比，使燃燒過程最佳化。在大型工業鍋爐燃燒過程中採用帶有氣體傳感器的控制以提高燃燒效率減少廢氣排出，節省能源。氣體傳感器還可以用來檢測汽車或煙囪中排出的廢氣量。這些廢氣包括二氧化碳、二氧化硫和一氧化碳。

　　

食品和飲料加工

　　在食品和飲料加工過程中，二氧化硫傳感器是極有用的器件。二氧化硫常用於許多食品和飲料的保存和檢測，使之含有保持特定的味道和香味所需最小的二氧化硫濃度。另外，氣體傳感器還被用來檢測葡萄酒、啤酒、高梁酒的發酵程度以保證產品均勻性和降低成本。

　　醫療診斷　　
可用氣體傳感器進行病人狀況診斷測試，如口臭檢測，血液中二氧化碳和氧濃度檢測等。　
　表1例舉了氣體傳感器的主要檢測氣體和應用場合。

　　氣體傳感器的品種繁多，限於篇幅，不可能一一敘述。本篇主要介紹應用較為廣泛，國內又有一定生產能力的氣體傳感器，它們是半導體氣體傳感器、電化學氣體傳感器、接觸式氣體傳感器和熱傳導式氣體傳感器。有關光學類等其它氣體傳感器，請讀者參閱其他有關書籍。氣體傳感器主要特性

　　1 穩定性

　　穩定性是指傳感器在整個工作時間內基本響應的穩定性，取決於零點漂移和區間漂移。零點漂移是指在沒有目標氣體時，整個工作時間內傳感器輸出響應的變化。區間漂移是指傳感器連續置於目標氣體中的輸出響應變化，表現為傳感器輸出信號在工作時間內的降低。理想情況下，一個傳感器在連續工作條件下，每年零點漂移小於10［%］。

　　2 靈敏度

　　靈敏度是指傳感器輸出變化量與被測輸入變化量之比，主要依賴於傳感器結構所使用的技術。大多數氣體傳感器的設計原理都採用生物化學、電化學、物理和光學。首先要考慮的是選擇一種敏感技術，它對目標氣體的閥限制（TLV-thresh-old limit value）或最低爆炸限（LEL-lower explosive limit）的百分比的檢測要有足夠的靈敏性。

　　3選擇性

　　選擇性也被稱為交叉靈敏度。可以通過測量由某一種濃度的幹擾氣體所產生的傳感器響應來確定。這個響應等價於一定濃度的目標氣體所產生的傳感器響應。這種特性在追蹤多種氣體的應用中是非常重要的，因為交叉靈敏度會降低測量的重複性和可靠性，理想傳感器應具有高靈敏度和高選擇性。

　　4抗腐蝕性

　　抗腐蝕性是指傳感器暴露於高體積分數目標氣體中的能力。在氣體大量洩漏時，探頭應能夠承受期望氣體體積分數10~20倍。在返回正常工作條件下，傳感器漂移和零點校正值應儘可能小。

　　氣體傳感器的基本特徵，即靈敏度、選擇性以及穩定性等，主要通過材料的選擇來確定。選擇適當的材料和開發新材料，使氣體傳感器的敏感特性達到最優。

　　1新氣敏材料與製作工藝的研究開發

　　對氣體傳感器材料的研究表明，金屬氧化物半導體材料Zn0，SIlo2，Fe203等己趨於成熟化，特別是在C比，C2H5OH，CO等氣體檢測方面。現在這方面的工作主要有兩個方向：一是利用化學修飾改性方法，對現有氣體敏感膜材料進行摻雜、改性和表面修飾等處理，並對成膜工藝進行改進和優化，提高氣體傳感器的穩定性和選擇性；二是研製開發新的氣體敏感膜材料，如複合型和混合型半導體氣敏材料、高分子氣敏材料，使得這些新材料對不同氣體具有高靈敏度、高選擇性、高穩定性。由於有機高分子敏感材料具有材料豐富、成本低、制膜工藝簡單、易於與其它技術兼容、在常溫下工作等優點，已成為研究的熱點。

　　2新型氣體傳感器的研製

　　沿用傳統的作用原理和某些新效應，優先使用晶體材料（矽、石英、陶瓷等），採用先進的加工技術和微結構設計，研製新型傳感器及傳感器系統，如光波導氣體傳感器、高分子聲表面波和石英諧振式氣體傳感器的開發與使用，微生物氣體傳感器和仿生氣體傳感器的研究。隨著新材料、新工藝和新技術的應用，氣體傳感器的性能更趨完善，使傳感器的小型化、微型化和多功能化具有長期穩定性好、使用方便、價格低廉等優點。

　　3氣體傳感器智能化

　　隨著人們生活水平的不斷提高和對環保的日益重視，對各種有毒、有害氣體的探測，對大氣汙染、工業廢氣的監測以及對食品和居住環境質量的檢測都對氣體傳感器提出了更高的要求。納米、薄膜技術等新材料研製技術的成功應用為氣體傳感器集成化和智能化提供了很好的前提條件。氣體傳感器將在充分利用微機械與微電子技術、計算機技術、信號處理技術、傳感技術、故障診斷技術、智能技術等多學科綜合技術的基礎上得到發展。研製能夠同時監測多種氣體的全自動數字式的智能氣體傳感器將是該領域的重要研究方向。氣體傳感器的選擇

　　1、根據測量對象與測量環境

　　根據測量對象與測量環境確定傳感器的類型。 要進行—個具體的測量工作，首先要考慮採用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之後才能確定。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：量程的大小；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，國產還是進口，價格能否承受，還是自行研製。在考慮上述問題之後就能確定選用何種類型的傳感器，然後再考慮傳感器的具體性能指標。

　　2、靈敏度的選擇

　　通常，在傳感器的線性範圍內，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，有利於信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，儘量減少從外界引入的於擾信號。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。

　　3、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範圍，必須在允許頻率範圍內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，可測的信號頻率範圍就寬，而由於受到結構特性的影響，機械系統的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動態測量中，應根據信號的特點 （穩態、瞬態、隨機等）響應特性，以免產生過火的誤差。

　　4、線性範圍

　　傳感器的線形範圍是指輸出與輸入成正比的範圍。以理論上講，在此範圍內，靈敏度保持定值。傳感器的線性範圍越寬，則其量程越大，並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後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絕對的線性，其線性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時，在一定的範圍內，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，