气敏传感器及其工作原理
气敏传感器的原理
气敏传感器的原理
气敏传感器的原理是利用气敏材料的电学性能随环境气体浓度的变化而发生改变。
气敏材料通常是一种半导体材料，其电阻随着环境气体浓度的变化而发生变化。
当环境气体浓度较低时，气敏材料的电阻较高；当环境气体浓度增加时，气敏材料的电阻逐渐减小。
这是因为当有害气体接触到气敏材料表面时，会发生在表面吸附和体内扩散的过程，导致电子和离子的迁移，从而改变材料的电阻。
气敏传感器一般采用两种不同的工作模式来检测环境气体浓度：阻性传感模式和电容传感模式。
在阻性传感模式下，气敏材料作为电阻器的一部分，其电阻值会随环境气体浓度的变化而改变。
此时，通过测量气敏材料两端的电压或电流，可以间接得知环境气体浓度的变化。
在电容传感模式下，气敏材料作为电容器的一部分，当气敏材料表面吸附气体时，会改变电容器之间的电容值。
通过测量电容器的电容值，可以判断环境气体浓度的变化。
总之，气敏传感器利用气敏材料的电学性能随环境气体浓度的变化而改变的原理，实现对环境气体浓度的检测和监控。
传感器原理及工程应用——气敏传感器原理及应用
传感器原理及工程应用——气敏传感器原理及应用传感器原理及工程应用题目：气敏传感器系部：专业：班级：姓名：学号：年月日摘要气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。
它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。
它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。
它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。
一、气敏传感器工作原理气体传感器的测试原理如图1所示。
将气体传感器RS和固定采样电阻R1进行串联分压,测得总回路电压Ui、采集R1两端电压Uo,并通过公式RS=(Ui/Uo-1)*R1就可以计算出气体传感器的电阻值。
当气体传感器检测不同浓度的待测气体时,其电阻值会发生一定的变化,通过动态检测这一变化,就可以获得响应时间、恢复时间、感应前后的电阻值、灵敏度等参数。
其中,RH是加热电阻。
二、所用到的气敏元件气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。
当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。
流行的定性模型是：原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。
1、半导体气敏元件的特性参数（1）气敏元件的电阻值将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件(电阻型)的固有电阻值，表示为Ra。
一般其固有电阻值在(103～105)Ω范围。
测定固有电阻值Ra时, 要求必须在洁净空气环境中进行。
由于经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大，即使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行测定，其固有电阻值也都将出现差别。
因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。
气敏传感器的原理与应用
气敏传感器的原理与应用1. 气敏传感器的概述•气敏传感器是一种可以检测和测量气体浓度的装置，常用于环境监测、工业生产和安全检测等领域。
•气敏传感器的原理基于气体与传感器元件之间的相互作用，通过测量元件的电阻、电容或其他属性变化来判断气体的浓度。
2. 气敏传感器的工作原理• 2.1 电化学型气敏传感器–电化学传感器使用化学反应来检测气体浓度，常见的有电池式气体传感器和电解池式气体传感器。
–电化学传感器通过气体与传感器内部的电极相互作用产生电流或电势变化，进而测量气体浓度。
• 2.2 电阻型气敏传感器–电阻型传感器利用气体对敏感材料电阻的影响来测量气体浓度，常见的有氧气传感器、CO传感器等。
–当敏感材料暴露在目标气体中时，其电阻会随气体浓度的变化而变化，可以通过测量电阻的变化来获得气体浓度信息。
• 2.3 光学型气敏传感器–光学型传感器利用气体分子对光的吸收或发射特性来测量气体浓度，常见的有红外线气敏传感器、紫外线气敏传感器等。
–这类传感器通过测量气体吸收或发射的光强的变化来判断气体浓度。
3. 气敏传感器的应用• 3.1 环境监测–气敏传感器可以用于室内和室外空气质量监测，例如检测空气中的二氧化碳、甲醛等有害气体。
–在工业污染防治中，气敏传感器也能用于监测废气排放情况，确保生产过程的环保合规。
• 3.2 仪器设备–气敏传感器可以应用于仪器设备中，例如气体检测仪、火灾报警器等，及时发现和报警气体泄露或火灾等灾害。
–在医疗设备中，气敏传感器可以用于检测患者呼吸气体的成分，帮助医生进行病情诊断。
• 3.3 智能家居–气敏传感器可以应用于智能家居系统中，例如监测室内温度、湿度、甲醛等有害气体浓度，提醒用户开窗通风。
–在智能安防领域，气敏传感器可以配合视频监控系统，检测烟雾和有毒气体，实现及时报警和紧急处理。
4. 气敏传感器的发展趋势• 4.1 小型化–随着微电子技术的发展，气敏传感器逐渐实现了更小型化的设计，可以更方便地嵌入到各种设备和系统中。
气敏传感器的原理及应用
气敏传感器的原理及应用半导体气体传感器：半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件组织发生变化而制成的。
当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在物体表面自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解吸附在物体表面。
当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力，则吸附分子将从器件夺走电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。
[1]例如氧气，等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体。
如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。
具有正离子吸附倾向的气体有氢气、一氧化碳等，它们被称为还原性气体。
当氧化型气体吸附到n型半导体，还原性气体吸附到p型半导体上时，将使半导体载流子减少，而使电阻增大。
当还原型气体吸附到n型半导体上，氧化型气体吸附到p 型半导体上时，则载流子增多，半导体阻值下降。
非电阻型气体传感器也是半导体气体传感器之一。
它是利用mos二极管的电容-电压特性的变化以及mos场效应晶体管的阈值电压变化等特性而制成的气体传感器。
由于这类传感器的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定价格便宜。
利用特定材料还可以使传感器对某些气体特别敏感。
催化燃烧式传感器：可燃气体报警器的原理基本上都是催化燃烧式催化燃烧式气体传感器是采用惠斯通电桥原理，由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥，在一定温度条件下，可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，载体温度就升高，通过它内部的铂丝电阻也相应升高，从而使平衡电桥失去平衡，输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号，再经过后期电路的放大、稳定和处理zui终显示可靠的数值。
电化学传感器：电化学传感器是两电极系统。
其工作电极和对电极由一薄层电解液隔开并经由一个很小的电阻联通外电路。
当气体扩散进入传感器后，在敏感电极表面进行氧化或还原反应，产生电流并通过外电路流经两个电极。
气敏传感器工作原理及应用
气敏传感器工作原理及应用气敏传感器是一种能够感知气体浓度变化并将其转化为电信号的传感器。
它是通过一种特别的物理或化学反应来实现的，当特定气体分子接触到传感器的感应层时，会产生化学反应或物理性质的变化，这种变化可以被传感器检测到并转化为电信号输出。
一般来说，气敏传感器可以分为两大类：基于电阻变化的传感器和基于电容变化的传感器。
基于电阻变化的传感器中最常见的是金属氧化物半导体传感器（MOS）。
这类传感器的感应层由一种或多种金属氧化物组成，当目标气体与感应层接触时，其电阻值会发生变化，这种变化与目标气体浓度呈正相关。
例如，常用的氧气传感器就是利用金属氧化物感应层的电阻值变化来检测氧气浓度的。
基于电容变化的气敏传感器则是通过感应层与探测电极之间的电容变化来检测气体浓度的。
当目标气体接触到感应层时，感应层的电容值会发生变化，这种变化可以由传感器测量电路检测到并转化为电信号输出。
气敏传感器广泛应用于许多领域，以下是一些常见的应用示例：1.空气质量监测：气敏传感器可以用于监测室内和室外空气中的有害气体浓度，如CO2、CO、甲醛等，用于提醒人们做好防护措施，保障健康。
2.工业安全监测：在工业生产中，许多化学物质具有毒性或易燃性，气敏传感器可以用于检测这些气体浓度，及时发现异常情况并采取相应措施，确保工作环境的安全。
3.火灾报警系统：气敏传感器可以用于检测火灾产生的有害气体，如烟雾、一氧化碳等，一旦检测到异常浓度，可以及时发出警报并采取紧急措施。
4.环境污染监测：气敏传感器可以用于监测大气中的有害气体浓度，如二氧化硫、氮氧化物等，帮助评估环境污染程度和制定相应防治措施。
5.智能家居：气敏传感器可以用于检测厨房或浴室中的有害气体，如煤气泄漏、液化气泄漏等，及时发出警报并切断气源，避免潜在的安全隐患。
总结起来，气敏传感器通过感应层与目标气体的相互作用来感知气体浓度变化，具有灵敏度高、响应速度快等特点，可广泛应用于环境监测、工业安全、火灾报警等领域，起到保护生命和财产安全的重要作用。
5.1气敏传感器
第五章其它类型传感器5.1 气敏传感器一、简介气敏传感器主要用于工业上天然气、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，用来检测气体类别、浓度和成分。
它将气体种类及其浓度等相关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与气体有关的信息。
气敏元件是以化学物质的成分为检测参数的化学敏感元件。
气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，其工作条件较恶劣，而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差。
因此，对气敏元件有下列要求：需要对被测气体具有较高的灵敏度，对被测气体以外的共存气体或物质不敏感，其特点是性能稳定，重复性好 ,动态特性好，对检测信号响应迅速，使用寿命长，制造成本低，使用与维护方便等。
二、半导体气敏传感器的工作原理气体种类繁多, 性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，能实现气-电转换的传感器种类很多，按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。
目前实际使用最多的是半导体气敏传感器电阻型半导体气。
气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。
半导体气敏材料吸附气体的能力很强。
当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处。
下面以电阻型半导体气敏材料为例说明气敏传感器的工作原理，SnO2N型半导体，当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。
氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。
当氧化型气体吸附到N型半导体（SnO2, ZnO)上，还原型气体吸附到P 型半导体(CrO3)上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。
气敏传感器的工作原理及应用
气敏传感器的工作原理及应用本帖最后由茅草屋于 2016-9-29 15:45 编辑气敏传感器的是一种检测特定气体的设备，主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器，被广泛用于多个领域中。
小编主要来介绍一下气敏传感器的工作原理及应用，希望可以帮助到大家。
气敏传感器的工作原理声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。
气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用(化学作用或生物作用，或者是物理吸附)，使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移;气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。
通过测量声表面波频率的变化就可以获得准确的反应气体浓度的变化值。
气敏传感器的应用气敏传感器的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂勠11、R12蓠检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。
它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息从而可以进行检测、监控、报警还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。
由于气体种类繁多, 性质各不相同不可能用一种传感器检测所有类别的气体因此能实现气-电转换的传感器种类很多按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。
目前实际使用最多的是半导体气敏传感器因此本文主要讲述半导体气敏元件的有关原理及应用。
半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时，产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。
按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型，前者半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子接受，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化，但内部化学组成不变，后者半导体与气体的反应，使半导体内部组成发生变化而使电导率变化。
气敏传感器的工作原理
气敏传感器的工作原理
1定义
气敏传感器是一种特殊的传感器，它可以检测出环境中各种气体的浓度和比例。
2原理
气敏传感器的原理是利用电化学反应识别出空气中各种气体，通常是一种小型电阻传感器，它使用金属电阻，通过测量电阻来识别环境中各种气体的浓度和比例。
当环境中存在被检测的气体时，电阻会发生变化，从而测量出气体的浓度和比例。
3工作原理
气敏传感器的工作原理主要分为三个步骤：
（1）电解质溶液：电解质电压将作为激励电压，将气体电解变成气体离子。
（2）膜分离：通过沉积电解质对气体离子的吸收，将气体离子和电解质离子分离。
（3）电阻测量：根据气体离子的分布，测量出气体离子所产生的电阻变化，从而检测到环境中各种气体的浓度和比例。
4优点
气敏传感器具有准确度高、灵敏性强、响应速度快、尺寸小、传输距离长、结构简单、稳定性好、运行容易、价格低等优点，大大的提升了传感器的检测精度和可靠性。
5应用
气敏传感器广泛应用于航空航天、无线通讯、生物化学、汽车制造、环境监测等行业，有着重要的现实意义。
例如，气敏传感器可以用来监测空气中的有毒气体浓度，以帮助预防空气污染；也可以帮助航空航天技术更好地检测天气状况；另外，气敏传感器还可以用于呼吸治疗，帮助更好地调节呼吸模式。
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气敏传感器及其工作原理
指导老师：雷家珩
汇报者：周华
汇报时间：2011.11.2
目录
•气敏传感器定义
•气敏传感器分类
•气敏传感器工作原理
•气敏传感器的应用
•气敏传感器研究现状与发展趋势
•参考文献
1 气敏传感器定义
气敏传感器是一种将检测到的气体成份和浓度转换为电信号的传感器。
它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。
2 气敏传感器分类半导体式气敏传感器气敏传感器
绝缘体气敏传感器
电化学气敏传感器
光干涉式气敏传感器
热传导式气敏传感器
红外线吸收散式气敏传感
器
电阻型
非电阻型
接触燃烧式型
电容式恒电位电解式
伽伐尼电池式
3 气敏传感器工作原理
3.1 半导体气敏传感器工作原理
●半导体气敏传感器(见图1,2)由气敏部分、加热丝及防爆网
等构成,它是在气敏部分的SnO
2、Fe
2
O
2
、ZnO
2
等金属氧化物中添
加Pt、Pd等敏化剂的传感器。
●半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时,产生的电导率等物性变化来检测气体。
半导体气敏器件被加热到稳定状态下,当气体接触器件表面而被吸附时,吸附分子首先在表面自由地扩散(物理吸附) ,失去其运动能量,其间的一部分分子蒸发,残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附)。
这时,如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力,则吸附分子将从器件夺取电子而变成负离子吸附。
具有负离子吸附倾向
的气体有O
2和NO
x
,称为氧化型气体或电子接收性气体。
如果器件
的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放电子,而成为正离子吸附。
具有这种正离子吸附倾向的气体有H
2
、CO、碳氢化合物和酒类等,称为还原型气体或电子供给性气体。
图1 半导体气敏传感器结构图图2 半导体气敏传感器的符号表示
●当氧化型气体吸附到N型半导体上,还原型气体吸附到P型半导体上时,将使载流子减少,而使电阻增大。
相反,当还原型气体吸附到N型半导体上,氧化型气体吸附到P型半导体上时,将使载流子增多,使电阻下降(见图3)。
当这种半导体气敏传感器与气体接触时,其阻值发生变化时间(称响应时间)不到1min。
相应的N型材料
有SnO
2、ZnO、TiO
2
、W
2
O3等,P型材料有MoO2、CrO3等。
●空气中的氧成分大体上是恒定的,因而氧的吸附量也是恒定的,气敏器件的阻值大致保持不变。
如果被测气体流入这种气氛中,器件表面将产生吸附作用,器件的阻值将随气体浓度而变化,从浓度与阻值的变化关系即可得知气体的浓度(见图4）。
Ф
图3 N型半导体吸附气体时的器件阻值变化
从图中可以看出，元件对不同气体的敏感程度不同，如对乙醚、乙醇、氢气等具有较高的灵敏度，而对甲烷的灵敏度较低。
一般随气体的浓度增加，元件阻值明显增大，在一定范围内呈线性关系。
3.2 接触燃烧式气敏传感器工作原理
接触燃烧式气敏传感器的检测元件是在铂丝线圈(Ф0.05）上包以氧化铝和粘合剂形成球状, 经烧结而成, 其外表敷有铂、钯等稀有金属的催化层, 其结构如图5所示。
对铂丝线圈通以电流, 使检测元件保持高温(300~400℃),此时若与可燃性气体接触,可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧,因此铂丝线圈的温度就会上升, 铂丝线圈的电阻值也上升。
测量铂丝电阻变化的大小就可以知道可燃性气体的浓度。
图5 接触燃烧气敏传
感器的结构
3.2 接触燃烧式气敏传感器工作原理
在实际应用中, 常采用电桥测量电路,如图6所示。
在电桥中接一个补偿器, 起到平衡电桥作用, 补偿器的结构与检测元件基本相同, 只是没有敷设催化层。
当空气中有一定浓度可燃气体时, 传感器由于燃烧而阻值上升, 电桥失去平衡, 有电压输出, 起到检测作用。
图6电桥测量电路
3.3 电化学气敏传感器工作原理
●电化学气体传感器利用气敏电极或者气体扩散电极等构成一系列电池测量各种气体含量。
其中气敏电极测量一些溶解在溶液
中气体的含量或者用于环境监测,如O
2、CO
2
、SO
2
、NH
3
、HCN、
HF等气体,尤其是固体电解质气敏传感器能适应高温、高压等恶
劣环境和高浓度的场合。
这些气体传感器结构简单,选择性好,而且能快速响应, 便于自动测量和控制。
●电化学式传感器采用恒电位电解方式和伽戈尼电池方式工作。
有液体电解质和固体电解质，而液体电解质又分为电位型和电流型。
电位型是利用电极电势和气体浓度之间的关系进行测量；电流型采用极限电流原理，利用气体通过薄层透气膜或毛细孔扩散作为限流措施，获得稳定的传质条件，产生正比于气体浓度或分压的极限扩散电流。
3.3 电化学气敏传感器工作原理
3.3.1 恒定电位电解式传感器原理
●如图7所示, 它是用透气性隔膜、工作电极、对电极、参照电极和电解质溶液组成的密封结构的合成树脂容器。
电路的功能是加电压于传感器电解液中的两个电极,使所测气体进行氧化或者还原, 测量气体电解时产生的电流,然后推算出气体的浓度。
●加在传感器上的恒定电位称为给定电位, 但由于传感器的阻抗随其结构而定, 故检测到气体并产生电解电流时, 给定电位就会发生变化。
给定电位变化时, 电极的电解反应就不会稳定, 从而导致传感器的输出也不稳定。
因此在传感器中设置一个没有电解电流的第三电极(参考电极R) ,通过控制使工作电极(W)和参考电极之间的电位保持一定, 故工作电极和对电极(C)的电位保持一定, 构成恒电位仪电路。
图7 恒电位电解式气敏传感器结构
图8为恒定电位电解式传感器的工作原理图, 传感器中参考电极为R, 电池E提供基准电压, R确定参考电极电压, 同时由外部电压保持电路也确定了工作电极(W)与对电极(C)相对于R之间的电压。
图8 恒定电位电解式传感器的工作原理
●当传感器检测到毒气后, 毒气在阴阳电极间通过内部电解池发生氧化还原的化学反应, 在阴极(W)发生还原反应, 失去电子; 在阳极(C)发生氧化反应, 得到电子, 因此W-C间电位随即发生了变化, C 端电位上升,W端电位下降。
●运算放大器A1构成了R和C端的负反馈电路, 调整参考极R的电位, 直到R-C端电位差保持到原状态恒定电位即可。
W极电化反应产生的电流, 经过R2负反馈调节, 即可从输出端Uo得到毒性气体浓度与电解电流的线性比率曲线。
●气敏传感器的灵敏度与温度有着很大的关系, 无论是同类敏感材料的不同掺杂, 还是对于不同气体敏感的不同敏感材料, 其阻抗都随温度而发生变化, 因此还可以增加一部分温度调节电路, 调节热敏电阻可以避免传感器受到温度变化的影响。
这种传感器本身就是电池, 故不需要外部加电压。
它主要用来检测氧化物。
图9是用来测氧的伽戈尼电池式气体传感器结构图。
图9 伽戈尼电池式气体传惑器结构
●在塑料容器的一侧安置聚四氟乙烯膜和透气性良好的膜，
靠近该膜的里面设置阴极（铂、金等）, 容器内部安置阳极（铅、镉等）再充以氢氧化钾作为电解质。
在阴极, 氧按下式进行还原反应：
O2+2H2O+4e-→4OH-
在阳极，产生以下反应：
2Pb→2Pb2++4e-
2Pb2++4OH-→2Pb(OH)2
●这样, 就产生了电解电流。
这个电流与气体浓度成比例。
将此电流在负载电路的两端变成电压, 经放大用以表示气体浓度。
3.4 光干涉式气敏传感器工作原理
●光波干涉计用于测定透明的固体、液体、气体等的光的折射率，这种方法由来已久，已广泛应用于已知折射率的液体和气体混合物组成的检测。
●应用光波干涉计式气敏传感器的气体测定器，亦称气体检测器。
光由气体中通过时，其折射率随气体的种类、组成、温度、压力等而变化。
若气体的种类、温度、压力等为恒定，则通过测定混合气体的折射率，就可知道2成分混合气体的混合比率(气体成分的浓度)。