气体传感器基础知识汇总

气体传感器基本知识 传感器是对信息有感受的器件。 按照传感器感知的信息种类分类： 传感器分为物理量 （物理信息） 传感器、化学量（化学信息）传感器、生物量（生物信息）传感器。 物理量传感器包括:力学量，光学量，热学量，电学量传感器。 即力、光、热、电。力学量中常见:压力，加速度，位移；光学量中 常见:可见光，红外，紫外。热学量中常见:低温，中温，高温。电学 量中常见:电流，电压，电场，电磁等； 化学量传感器:成份、浓度。 生物量传感器:血压、血糖、血脂、心率等。 按照传感过程中信息和传感器的作用过程的属性分类： 传感器可 以分为物理类、化学类、生物类 气体传感器是测量气体成分和浓度的化学量传感器。 气体传感器按气体与传感器的作用方式分类:物理类，化学类、 生物类。 物理类即传感作用过程是物理过程， 即传感作用过程不导致气体 化学性质发生变化。化学类即传感作用过程是化学过程，即传感作用 过程导致气体化学性质发生变化。生物类即传感作用过程是生物过 程，即传感作用过程通过生物活动导致气体化学性质发生变化。 常见的物理类气体传感器:热传导、红外吸收，表面声波，QCM 等； 化学类:半导体，催化，电化学等; 生物类在普通工业、家庭不太常用。 在常见的气体传感器 PID 严格讲是另类:为物理化学类。 即物理方 法导致化学变化。 气体传感器门类众多， 一下进介绍几种常见的不同工作原理的气 体传感器 半导体气体传感器： 原理:在一定的温度条件下，被测气体到达半导体敏感材料表 面时将与其表面吸附的氧发生化学反应,并导致半导体敏感材料电阻 发生变化， 其电阻变化率与被测气体浓度呈指数关系，通过测量电阻 的变化即可测得气体浓度。单支半导体气体传感器通过选择性催化、 物理或化学分离等方式在已知环境中可以实现对气体的有限识别。 大 规模半导体气体传感器阵列可以实现对未知环境中气体种类的精确 识别。 半导体顾名思义是电导率介于绝缘体与导体之间的物质。半导 体气体传感器的敏感材料就这么一种物质。 常见的气体敏感材料分为 表面控制型和体控制型。表面控制即电阻由晶粒表面和晶粒晶界控 制，体控制即电阻由晶粒尺寸和载流子浓度控制。用于气体传感器的 半导体材料除具有半导体的属性外还需要具备以下条件:a、易获得， b、在较低温度下对氧气和目标气体有很好的吸附能力；c、自身有良 好催化特性；d、机械结构可调；e、电性能可调；f、烧结性能好；g、 氧气和被测气体在室温或一定的温度条件下， 在其表面有很好的化学 反应能力、并在该温度下对反应产物有较好的脱附能力；h、与其它 辅助材料成型后有较好的相融性、 化学稳定性、 并有适合的微缺陷等。 符合这种条件的常见材料二氧化锡、氧化钨、氧化铟、偏锡酸锌等。 这里最重要的概念与性能的对应关系:温度-功耗、漂移;吸附及化学反 应-灵敏度、选择性、漂移、线性、初始稳定时间以及响应时间;脱附- 恢复时间。 半导体传感器的优点： 廉价、 耐用、 设计及制造过程简单。 半导体传感器的弱点:功耗大、漂移、线性差。无论其优点还是弱点 均与上述对应关系相关。如漂移:传感器会吸附氧气，当氧气浓度变 化时(如雨天，氧浓度变小)，吸附量会变化，零点必会漂啊漂。总之 半导体传感器的优缺点首先是由其工作原理决定的，是先天的。后天 的设计、制造可以改善，但不能消除。 红外气体传感器: 原理:由不同原子构成的分子会有独特的振动、转动频率，当其 受到相同频率的红外线照射时,就会发生红外吸收，从而引起红外光 强的变化， 通过测量红外线强度的变化就可以测得气体浓度；需要说 明的是振动、转动是两种不同的运动形态，这两种运动形态会对应不 同的红外吸收峰，振动和转动本身也有多样性；因此一般情况下一种 气体分子会有多个红外吸收峰； 根据单一的红外吸收峰位置只能判定 气体分子中有什么基团， 精确判定气体种类需要看气体在中红外区所 有的吸收峰位置即气体的红外吸收指纹。 但在已知环境条件下， 根据 单一红外吸收峰的位置可以大致判定气体的种类。由于在零下 273 摄氏度即绝对零度以上的一切物质都会产生红外幅射， 红外幅射与温 度正相关，因此，同催化元件一样，为消除环境温度变化引起的红外 幅射的变化，红外气体传感器中会由一对红外探测器构成。 一个完整的红外气体传感器由红外光源、光学腔体、红外探测 器和信号调理电路构成。 为什么红外气体传感器不能测量氧气、氢气、氮气等由相同 原子构成的气体分子? 月亮和地球、地球和太阳靠万有引力连接，分子内部原子间 靠化学键连接。 如果二者是理想球体而且没有其它万有引力干扰则地 球轨道将是圆的，实际上上面两个条件都不成立，因此其轨道是椭圆 的，也就是地球和太阳之间的距离不停地在短半径和长半径之间转 换，即振动，只是振动周期长达一年，在这个过程中，地球处于短半 径点和长半径点时， 它和太阳之间的引力是不同的， 即能量级别不同。 在分子内部原子间靠化学键连接，原子间的空间距离、角度、方向由 于电子分布的不均衡而不停发生变化，即振动、转动，而且不同的分 子会有独特的振动、转动频率,当遇到相同频率的红外线照射时会产 生谐振、 原子间距离和电子分布发生变化即偶极距发生变化，红外吸 收就是这样产生的(紫外吸收同理)。以上内容中包含红外吸收的两个 基本条件:谐振、偶极距变化。这两个条件同时满足才能产生红外吸 收。氧气、氢气、氮气等由同一种原子构成的分子为什么没有红外吸 收峰:两个基本条件一是气体分子振动频率与照射的红外线频率相 同，二是偶极距变化。不难理解，第一个条件容易满足，第二个条件 无可能性。相同原子构成的分子正负电荷中心完全重叠，即偶极距为 零，其结果是电子在分子中的分布是均衡的，以红外光本身的低能量 密度特征，其照射不会改变这种均衡，更不可能使分子电离，即不会 导致能量变化。 而不同原子构成的分子:以水(蒸气)分子为例,分子中电 子的分布偏向氧这端，即微观上水分子中氢那一端呈正电性,氧那一 端呈负电性，正负电荷中心是不重叠的，即偶极矩不为零。这是因为 氧吸引电子的能力比氢强的缘故。在与水分子振动、转动频率相同的 红外线照射时，会使电子在水分子中的分布更偏向氧一端，导致氢和 氧的平均距离变短，即偶极距变短，能量变高，即水分子受到红外照 射时会从低能级跃迁到高能级，红外吸收就是这样产生的。可以这样 去简单理解:红外线与相同原子组成的分子相遇时，由于相同原子组 成的分子是理想的弹性球体，两者的相互作用是完全弹性碰撞，只有 能量交换，没有能量转移。不同原子组成的分子与红外线相互作用则 有能量转移。因此，红外吸收原理不能测相同原子构成的分子。红外 吸收原理只能测不同原子构成的分子。 由于同一分子内部运动的多样 性使其具多种不同的振动频率和转动频率，因此，对红外吸收的分子 会有多个吸收峰；另外，具有相同化学键的分子(如水和酒精分子中 的氢氧键)会有相近的吸收峰，干扰由此产生。 非色散红外吸收气体传感器:非色散:白光通过三棱镜会被分为 七色光即赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫。这个三棱镜就是一个分光系 统，能把 7 色光分开。有分光系统的光学系统即色散型光学系统,无 分光系统的光学系统即非色散性。非色散系统简易、可靠、小巧、廉 价。平时