气体检测传感器及应用案例 《传感器技术与应用》课件

1、第11章 气体检测传感器及应用案例11.1 热传导式气体传感器11.2 接触燃烧式气体传感器11.3 氧化锆氧气传感器11.4 恒电位电解式气体传感器11.5 伽伐尼电池式气体传感器11.6 半导体气敏传感器11.7 气敏传感器的应用案例返回主目录第11章 气体检测传感器及应用案例 随着社会文明的不断进步，煤炭、化工、电力企业的快速开展，及时、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体进行监测、预报和自动控制已成为当前首要解决的问题。目前对气体的检测主要是对气体成分检测,它包括确定气体的化学组成和各种成分的相对含量两局部内容。气体成分检测的方法很多，常用的主要有电化学式、热学式、光学式及半导体气敏式等

2、等。其中，电化学式又有恒电位电解式、伽伐尼电池式、氧化锆浓差电池式等几种；热学式又有热传导式、接触燃烧式等几种；光学式又有红外吸收式等。下面介绍几种常用的气体成分检测传感器。一、热传导检测原理 热传导是同一物体各局部之间或互相接触的两物体之间传热的一种方式，不同物质其导热能力是不一样的，通常用导热系数的大小来表示物质导热能力的强弱。下表是常见气体的导热系数 对于多种气体组成的混合气体，随着成分含量的不同，其导热能力将会发生变化。如混合气体中各种气体成分彼此之间无相互作用，实验证明混合气体的导热系数可近似用下式表示： 式中：i混合气体中第i种气体成分的导热系数； Ci混合气体中第i种气体成分的体

3、积百分含量。 假设混合气体中只含有两种气体，那么第一种气体的百分含量与混合气体的导热系数之间的关系可写为 上式说明两种气体组分的导热系数差异越大，测量的灵敏度越高。(11-1)(11-2)二、热传导检测器热传导检测器是把混合气体导热系数的变化转换成电阻值变化的部件，它是热传导传感器的核心部件,又称为热导池。图11-1 热导池结构示意图 图11-1是热导池的一种结构示意图。它是由金属制成的圆柱形气室，气室的侧壁上有分析气体的进出口，气室中央装有根细的铂或钨热电阻丝。 电阻丝通以电流后产生热量，并向四周散热，当热导池内通入待分析气体时，电阻丝上产生的热量主要通过气体进行传导，热平衡时，即电阻丝所产

4、生的热量与通过气体热传导散失的热量相等时，其电阻值也维持在某一数值。 电阻值的大小与所分析混合气体的导热系数存在对应关系。气体的导热系数愈大，说明导热散热条件愈好。热平衡时电阻丝的温度愈低，电阻值也愈小。这就实现了把气体的导热系数的变化转换成电阻丝电阻值的变化。 根据分析气体流过检测器的方式不同，热传导检测器的结构可以分为直通式、扩散式和对流扩散式三种。图11-2(a)为扩散式结构，它的特点是反响缓慢，滞后较大，但受气体流量波动影响较小；图11-2(b)为目前常用的对流扩散式结构，气体由主气路扩散到气室中，然后由支气路排出，这种结构可以使气流具有一定速度，并且气体不会产生倒流。图11-2 热传

5、导检测器的结构三、测量电路 热传导式气体传感器通常采用电桥作为测量电路。它又有单电桥和双电桥之分。图11-3为热传导气体传感器中常用的单电桥测量电路。图11-3 单电桥测量电路 电桥由四个热导池组成,每个热导池的电阻丝作为电桥的一个桥臂电阻。R1、R3的热导池称为测量热导池，通入被测气体；R2、R4的热导池称为参比热导池，气室内充入测量的下限气体。 当通过测量热导池的被测组分含量为下限时，由于四个热导池的散热条件相同，四个桥臂电阻相等，因此电桥输出为零。当通过测量热导池的被测组分含量发生变化时，R1、R3电阻值将发生变化，电桥失去平衡，其输出信号的大小反映了被测组分的含量多少。 单电桥电路结构

6、简单，但输出信号受电源电压的波动以及环境温度的变化影响比较大。采用双电桥电路可以较好地解决这些问题。 以下图11-4是热传导式气体传感器中使用的双电桥测量电路原理图。为测量电桥，它与单电桥电路相同，其输出电压ucd的大小反映了被测组分的含量。为参比电桥，R5、R7的热导池中密封着测量上限的气体, R6、R8的热导池中密封着测量下限的气体，其输出的电压uhg是一固定值。图11-4 双电桥测量电路 电桥采用交流电源供电，变压器两个副边提供的两个电压是相等的。ucd与滑线电阻A、C间的电压uAC之差 加在放大器输入端，信号经放大后驱动可逆电机转动，从而带动滑线电阻滑动触点C向平衡点方向移动。当ucd

7、=uAC，即 =0时，电机停止转动，系统到达平衡，平衡点C的位置反映了混合气体中被测组分的含量。11.2 接触燃烧式气体传感器 接触燃烧式气体传感器是煤矿瓦斯检测的主要传感器。 接触燃烧式气体传感器的优点是：对于可燃性气体爆炸下限以下浓度的气体含量，其输出信号接近线性；每个气体成分的相对灵敏度与相对分子质量或分子燃烧热成正比；对不可燃性气体没有反响，只对可燃性气体有反响；不受水蒸气的影响； 接触燃烧式气体传感器的缺点是：仪器工作温度较高，外表温度一般在300400之间,而在内部可到达700800；对氢气有引爆性；元件易受硫化物，卤化物及砷、氯、铅、硒等化合物的中毒影响；易受高浓度可燃性气体的破

8、坏。一、根本工作原理 由于低于下限爆炸浓度的易燃气体接触这种被催化物覆盖的传感器外表时会发生氧化反响而燃烧，故称做接触燃烧式传感器，又称作催化燃烧式传感器。传感器工作温度在高温区，目的是使氧化作用加强。 接触燃烧式传感器由加热器、催化剂和热量感受器三局部组成。它有两种结构形式：一种是用裸铂丝作气体成分传感器件，催化剂涂在铂丝外表，铂丝线圈本身既是加热器，又是催化剂，同时还是热量感受器。另一种是用载体作为气体成分传感器，催化剂涂于载体上，铂丝线圈不起催化作用，而仅起加热和热量感受器的作用。 线圈是用纯度99.999%的铂丝绕制而成，线径为0.0070.25mm，20时的阻值约为58。铂丝线圈的作

9、用是通以工作电流后，将传感器工作温度加热到瓦斯氧化的起始温度(450左右)。图11-5 接触燃烧式气敏元件结构 目前广泛使用的接触燃烧式气体传感器是第二种结构形式，气敏元件主要由铂丝、载体和催化剂组成，其结构如图11-5所示。 对温度敏感的铂丝，当瓦斯氧化反响放热使温度升高时,其阻值增大，以此来检测瓦斯的浓度。 载体是用氧化铝烧结而成的多孔晶状体，本身没有活性，对检测输出信号没有影响，其作用是保护铂丝线圈，消除铂丝升华，保证铂丝的热稳定性和机械稳定性，承载催化剂，使催化剂形成高度分散的外表，提高催化剂的效用。 催化剂多采用铂、钯或其他过渡金属氧化物，其作用是促使接触元件外表的瓦斯气体发生氧化反

10、响。在催化剂的作用下，瓦斯中的主要成分沼气与氧气在较低的温度下发生强烈的氧化反响(无焰燃烧)，反响化学式为(11-3) 实际应用中，往往将气体敏感元件和物理结构完全相同的补偿元件放入防爆罩内，如图11-6所示。防爆罩由铜粉烧结而成，其作用是隔爆，限制扩散气流，以削弱气体对流的热效应。图11-6 接触燃烧式气敏传感器结构 如果气体温度低，而且是完全燃烧时，引起铂丝电阻值的变化量可表示为：式中：R气体传感器的阻值变化量； 气体传感器的电阻温度系数； T气体燃烧引起的温度上升值； H气体燃烧所产生的热量； C气体传感器的热容量; m气体浓度； Q气体的分子燃烧热； A常数。(11-4) 当气体传感器

11、的材料、形状和结构决定后，假设被测气体的种类也固定，那么传感器的电阻变化量R与被测气体浓度m成正比，即 二、测量电路 接触燃烧式气体传感器根本测量电路也是电桥电路。其测量电路结构如图11-7所示。图11-7 根本测量电路 这种传感器可以检测空气中的许多种气体或汽化物，包括甲烷、乙炔及氢气等，但是它只能测量含有一种易燃气体的浓度或混合气体的浓度，而不能分辨其中单独的化学成分。实际应用接触燃烧式气敏传感器时，人们感兴趣的是易燃危险气体是否存在，检测是否可靠，而不管其气体内部成分如何。因此该种传感器以满足人们对易燃易爆气体的检测要求。 接触燃烧式传感器具有响应速度快、重复性好、精度高,并且不受周围温

12、度和湿度变化的影响等优点。另外，传感器元件容易被硅化物、硫化物和氯化物所腐蚀，在氧化铝外表造成永久性的损坏。氧化锆氧气传感器一、检测原理 氧化锆(ZrO2)是一种具有氧离子导电性的固体电解质。纯洁的氧化锆一般是不导电的，但当它掺入一定量(通常为15%)的氧化钙CaO(或氧化钇Y2O3)作为氧化剂，并经高温焙烧后，就变为稳定的氧化锆材料，这时被二价的钙或三价的钇置换，同时产生氧离子空穴，空穴的多少与掺杂浓度有关，并在较高的温度下，就变成了良好的氧离子导体。 氧化锆氧气传感器测量氧含量是基于固体电解质产生的浓差电势来测量的，其根本结构如图11-8所示。在电极上发生的电化学反响如下：电池正极 电池负

13、极 图11-8 氧化锆氧气传感器结构浓差电动势的大小可由能斯特方程表示，即式中： E浓差电池的电动势； P1待测气体的氧分压。 R理想气体常熟；P0参比气体的氧分压； T氧化锆固态电解质温度；F法拉第常数； n参加反映的电子数n=4 根据道尔顿分压定律，有(11-8)式中：C0参比气体中的氧含量； C1待测气体中的氧含量。 (11-7)因此，式(11-7)可写为(11-9) 由上式可知，假设温度T保持某一定值，并选定一种氧浓度的气体作参比气体通常选空气，因为空气中的氧含量为常数，那么被测气体的氧含量就可以用氧浓差电势来表示，测出浓差电势，便可知道被测气体中的氧含量。如温度改变，即使气体中氧含量

14、不变，输出的氧浓差电势也要改变，所以氧化锆氧气传感器均有恒温装置，以保证测量的准确度。二、氧化锆氧气传感器探头氧化锆氧气传感器探头结构如图11-9所示。它的主要部件是氧化锆管。图11-9 氧化锆氧气传感器探头结构示意图 被测气体(如烟气)经陶瓷过滤器流经氧化锆管的外部，参比气体(空气)从探头的另一端进入氧化锆管的内部。氧化锆管的工作温度是在650850之间，并且测量时温度需恒定。为此，在氧化锆管的外围装了加热电阻丝，管内部装了热电偶，用来检测管内温度，并通过温度调节器调整加热丝电流的大小，使氧化锆管的温度恒定。 氧化锆氧气传感器输出的氧浓差电势与被测气体氧浓度之间为对数关系，而且氧化锆电解质浓

15、差电池的内阻很大，所以对后续的测量电路有特别的要求，不仅要进行放大，而且还要求放大器的输入阻抗要高，还要具有非线性补偿的功能。11.4 恒电位电解式气敏体传感器恒电位电解式气体传感器是一种湿式气体传感器，它通过测定气体在某个确定电位电解时所产生的电流来测量气体浓度。一、测量原理当电极与电解质溶液的界面保持一定电位进行电解时，由于电解质内的工作电极与气体进行选择性的氧化或复原反响，那么在比照电极上发生复原或氧化反响，使电极的设定电位发生变化，从而实现气体浓度的检测。传感器的输出是一个正比于气体浓度的线性电位差。电解电流和气体浓度之间的关系如下式表示：(11-10)式中：I电解电流； n每1mol

16、气体产生的电子数； F法拉第常数； A气体扩散面积； D扩散系数； 扩散层的厚度。 C电解质溶液中电解的气体浓度； 因对一个确定的传感器来说，它的n、F、A、D及都是固定的数值，所以电解电流与气体浓度成正比。即为比例系数。二、恒电位电解式气体传感器结构 下面以CO气体检测为例来说明这种传感器的结构。恒电位电解式气体传感器的根本结构及测量电路如图11-10所示。图11-10 恒电位电解式气体传感器结构 在容器内的相对两壁安置工作电极和比照电极，其内充满电解质溶液，容器为一密闭结构。在工作电极和比照电极之间加以恒定电位差而构成恒压电路。透过隔膜(多孔聚四氟乙烯膜的CO气体在工作电极上被氧化，而在比

17、照电极上O2被复原，于是CO被氧化而形成CO2。气体与电极之间的氧化复原反响方程式可用式(11-11)式(11-13)来描述。氧化反响 (11-11) 复原反响 (11-12) 总反响方程 (11-13) 在这种情况下，CO分子被电解，通过测量作用电极与比照电极之间流过的电流，也就是测量流过电阻R两端的电压Uo，即可得到CO的浓度。11.5 伽伐尼电池式气体传感器一、伽伐尼电池式气体传感器的检测原理 伽伐尼电池式气体传感器与上述恒电位电解式传感器一样，通过测量电解电流来检测气体浓度，但由于传感器本身就是电池，因此不需要由外界施加电压。 这种传感器主要用于O2的检测，检测缺氧的仪器几乎都使用这种

18、传感器，它还可以测定可燃性气体和毒性气体。伽伐尼电池式气体传感器的电解电流与气体浓度的关系，与恒电位电解式气体传感器的计算公式(11-10)相同。 下面以O2检测为例来说明这种传感器的构造和测量原理,它的根本结构及测量电路如图11-11所示。图11-11 伽伐尼电池式气体传感器结构 在塑料容器内安置厚为1030 ，透氧性好的聚四氟乙烯隔膜，靠近该膜的内面设置工作电极(铂、金、银等贵重金属)，在容器中其他内壁或容器内空间设置比照电极(铅、镉等离子化倾向大的贱金属)，用KOH、KHCO3作为电解质溶液。 氧气通过隔膜溶解于隔膜与工作电极之间的电解质溶液的薄层中，当此传感器的输出端接上负载电阻R形成

19、闭合回路时，在工作电极上发生氧气的复原反响，而在比照电极上发生氧化反响，其反响方程式如下所示。 复原反响 (11-14) 氧化反响 (10-15) (11-16) 总反响方程 (11-17) 由于氧化复原反响，在电路中有电流流动，该电解电流与氧气浓度成比例关系。此电流在负载电阻R的两端产生电压Uo，只要把Uo测量出来就知道被测氧气的浓度。半导体气敏传感器所谓半导体气敏传感器是指利用半导体气敏器件同气体接触，造成半导体性质变化，借此来检测特定气体的成分或测量其浓度的传感器总称。 半导体气敏器件种类很多，按照半导体变化的物理特性，可分为电阻型和非电阻型两大类。 电阻型半导体气敏器件是利用它接触气体

20、时，它的阻值发生变化来检测气体的成分或浓度； 非电阻型半导体气敏器件是利用其它参数，如二极管伏安特性或场效应管的阈值电压变化来检测被测气体的。常见的半导体气敏器件如表11-2所示。 用半导体气敏器件组成的气敏传感器主要用于工业上的天然气、煤气，石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制等。一、电阻型半导体气敏传感器 电阻型半导体气敏器件是利用气体在半导体外表的氧化和复原反响导致其阻值变化原理而制成的器件。 目前用于气体检测的半导体材料，N型有SnO2、ZnO、TiO等，P型有MoO2、CrO3等。当氧化型气体吸附到N型半导体上，复原型气体吸附到P型半导体上时，那么使半导体

21、载流子减少，电阻值增大。当复原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，那么使载流子增多，半导体电阻值减少。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。图11-12给出了气体接触到N型半导体时所产生的阻值变化情况。由图可知，器件在空气中加热4分钟后阻值根本不变。图11-12 N型气敏元件吸附气体时阻值变化图 这是因为空气中的含氧量是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的。假设气体浓度突然发生变化，其阻值也将变化。实验证明，半导体吸附气体的时间一般不超过1分钟。二、电阻型半导体气敏器件的分类电阻型半导体气敏器件一般由敏感元件、加热器和外壳三局部组成。按其结构可分为烧结型、薄

22、膜型和厚膜型三种。 1烧结型烧结型气敏器件的外形结构如图11-13(a)所示。它是将一定的敏感材料SnO2、ZnO及掺杂剂Pt、Pb等用水或粘合剂调和均匀，经研磨后以膏状物滴入模具内，埋入加热丝和铂电极，用700900的传统制陶方法进行烧结而成。烧结型器件制作方法简单，器件寿命长。但由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材料较贵重，电性能一致性较差，因此应用受到一定限制。 2薄膜型薄膜型气敏器件的外形结构图10-13(b)所示。它的制作方法是首先处理衬底片玻璃石英式陶瓷；焊接电极，然后采用蒸发或溅射方法在石英基片上形成一薄层氧化物半导体薄膜(其厚度约在100nm以下)而成。 3厚膜型厚膜型气敏

23、器件的外形结构图11-13(c)所示。它是将气敏材料如SnO2、ZnO与一定比例的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，再把厚膜胶用丝网印刷到事先装有铂电极的氧化铝Al2O3基片上，在400800的温度下烧结12小时制成。图11-13 电阻型半导体气敏器件结构 这些器件全部附有加热器，它的作用是将附着在敏感器件外表上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附，从而提高器件的灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在200400左右。 气敏器件中的加热器通常有两种，一种是直热式，另一种是旁热式。 图11-14所示是直热式气敏器件的结构及符号。 直热式气敏器件的管芯体积一般都很小，加热丝直接埋在金属氧化物半导体材料

24、中烧结而成的，并且加热丝兼做一个测量电极。该结构制造工艺简单，本钱低、功耗小，可以在高电压回路下使用。其缺点是热容量小，易受环境气流的影响；测量电路和加热电路之间相互影响；加热丝在加热时产生胀缩，容易造成与材料接触不良的现象。 国产QN型和日本费加罗TGS#109型气敏传感器都采用这种结构。图11-15所示是旁热式气敏器件的结构及符号，它是将加热丝放置在一个陶瓷管内，管外涂有梳状金电极作为测量电极，在金电极外涂上SnO2等材料。 旁热式结构的气敏器件克服了直热式的缺点，使测量极和加热极分开，而且加热丝与气敏材料不接触，防止了测量回路和加热回路的相互影响，降低了环境温度对器件加热温度的影响；所以

25、这种结构器件的稳定性、可靠性都比直热式器件要好。 国产QMN5型和日本费加罗TGS#812、813型等气敏传感器均采用这种结构。 非电阻型气敏元件是利用特定材料的MOS二极管电容电压特性以及MOS场效应管(MOSFET)的阈值电压特性随某些气体的浓度变化而变化的原理制成的气敏元件。 1MOS二极管气敏元件的结构及测量原理MOS二极管气敏元件的结构如以下图11-16(a)所示。它是在P型半导体硅片上，利用热氧化工艺技术生成一层厚度约为50100nm的二氧化硅(SiO2)层，然后在其上面蒸发一层钯(Pd)金属薄膜，作为电极M，P型硅作为另一个电极而构成的元件。由于SiO2层电容Ca固定不变，而Si

26、和SiO2界面电容Cs是外加电压的函数，其等效电路如图10-16(b)。图11-16 MOS二极管结构和等效电路 由等效电路可知，总电容C也是两极电压的函数。其函数关系称为该类MOS二极管的CU特性，如图11-16(c)曲线a所示。由于钯金属对氢气(H2)特别敏感，当钯吸附了H2以后，会使钯的功函数降低，导致MOS二极管的CU特性向低电压方向平移，如图11-16(c)中虚线b所示。根据这一特性就可用于测定H2的浓度。 2MOS场效应管气敏元件的结构及测量原理 钯MOS场效应管(PdMOSFET)的结构如图11-17所示。由于Pd对H2有很强的吸附性，当H2吸附在G(Pd)栅极上时，会引起Pd的

27、功函数降低。 由MOSFET工作原理可知，当栅极(G)、源极(S)之间加正向偏压UGS，且UGSUT(阈值电压)时，那么在栅极氧化层下面聚集了大量的电子形成导电沟道，这个沟道称作N型沟道，它将源极和漏极连接了起来。图11-17 钯MOS场效应管结构 此时，假设在源(S)、漏(D)极之间加电压UDS，那么源极和漏极之间就有电流(IDS)通过。IDS随UDS和UGS的大小而变化，其变化规律即为MOSFET的输出伏安特性。当UGSUT时，MOSFET的N型沟道未形成，故漏极与源极之间无电流，即IDS=0。阈值电压UT的大小除了与衬底材料的性质有关外，还与钯金属和半导体之间的功函数有关。PdMOSFET气敏元件就是利用H2在钯栅极上吸附后引起阈值电压UT下降这一特性来检测H2浓度的。 3半导体气敏传感器的应用范围