第八章 气体传感器
气体传感器的工作原理及其分类
气体传感器的工作原理及其分类.docx气体传感器不完全分类原理及应用所谓气体传感器是指用于探测在一定区域范围内是否存在特定气体和/或能连续测量气体成分浓度的仪表。
在煤矿、石油、化工、市政、医疗、交通运输、家庭等安全防护方面，气体传感器常用于探测可燃、易燃、有毒气体的浓度或其存在与否，或氧气的消耗量等。
在电力工业等生产制造领域，也常用气体传感器定量测量烟气中各组分的浓度，以判断燃烧情况和有害气体的排放量等。
在大气环境监测领域，采用气体传感器判定环境污染状况，更是十分普遍。
气体传感器的分类，从检测气体种类上，常分为可燃气体传感器（常采用催化燃烧式、红外、热导、半导体式）、有毒气体传感器（一般采用电化学、金属半导体、光离子化、火焰离子化式）、有害气体传感器（常采用红外、紫外等）、氧气（常采用顺磁式、氧化锆式）等其它类传感器；从仪表使用方法上，分为便携式和固定式；从获得气体样品的方式上，分为扩散式（即传感器直接安装在被测对象环境中，实测气体通过自然扩散与传感器检测元件直接接触）、吸入式（是指通过使用吸气泵等手段，将待测气体引入传感器检测元件中进行检测。
根据对被测气体是否稀释，又可细分为完全吸入式和稀释式等）；从分析气体组分上，分为单一式（仅对特定气体进行检测）和复合式（对多种气体成分进行同时检测）；按传感器检测原理，分为热学式、电化学式、磁学式、光学式、半导体式、气相色谱式等。
热学式气体传感器热学式气体传感器主要有热导式和热化学式两大类。
热导式是利用气体的热导率，通过对其中热敏元件电阻的变化来测量一种或几种气体组分浓度的，其在工业界的应用已有几十年的历史，其仪表类型较多，能分析的气体也较广泛（如H2、CO2、SO2、NH3、Ar等）。
热化学式是基于被分析气体化学反应的热效应，其中广泛应用的是气体的氧化反应（即燃烧），其典型为催化燃烧式气体传感器，其关键部件为涂有燃烧催化剂的惠斯通电桥，主要用于检测可燃气体，如煤气发生站、制气厂用来分析空气中的CO、H2、C2H2等可燃气体，采煤矿井用于分析坑道中的CH4含量，石油开采船只分析现场漏泄的甲烷含量，燃料及化工原料保管仓库或原料车间分析空气中的石油蒸气、酒精乙醚蒸气等。
《气体传感器简介》课件
复合材料
通过组合不同材料的优点 ，实现气体传感器性能的 优化。
智能化与网络化的发展
智能化
通过集成微处理器和算法，实现气体 传感器的自动校准、数据分析和远程 控制等功能。
网络化
将气体传感器接入互联网，实现数据 的实时传输、远程监控和跨区域的数 据共享。
在环保监测领域的应用前景
大气污染监测
用于监测空气中的有害气 体和温室气体，为环境保 护提供数据支持。
详细描述
电化学气体传感器利用气体在电极表面发生的电化学反应来检测气体的浓度。这种传感器通常由至少两个电极组 成，其中一个电极是敏感电极，能够与被测气体发生反应，另一个电极作为参照电极。通过测量电化学反应产生 的电流或电压来计算气体的浓度。
光学气体传感器
总结词
基于不同气体对光的吸收或反射不同的原理进行检测。
详细描述
光学气体传感器利用不同气体对特定波长的光具有不同的吸收或反射特性，通过测量光通过气体时发 生的变化来检测气体的浓度。这种传感器通常由光源、光路和检测器组成，通过测量光强的变化来计 算气体的浓度。
固态电解质气体传感器
总结词
基于气体在固态电解质中的离子传导性 能不同的原理进行检测。
VS
详细描述
工作原理
电化学传感器
利用电化学反应检测气体，通 过测量电流或电压变化来推断
气体浓度。
半导体传感器
利用气敏材料的电阻变化来检 测气体，当气体与敏感材料接 触时，电阻发生变化，从而检 测气体浓度。
红外传感器
利用红外线吸收原理检测气体 ，通过测量气体对红外线的吸 收程度来推断气体浓度。
催化燃烧传感器
利用催化燃烧原理检测气体， 当气体与敏感材料接触时，发 生催化燃烧反应，从而检测气
气体传感器基础知识
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。
气体传感器的应用原理描述
气体传感器的应用原理描述1. 概述气体传感器是一种常见的用于检测和测量空气中特定气体浓度的设备。
它可以广泛应用于工业控制、环境监测、安全检测等领域。
本文将介绍气体传感器的工作原理和应用。
2. 气体传感器的工作原理气体传感器主要通过感知空气中的目标气体的浓度变化来实现检测和测量。
主要工作原理可以归纳为以下几点：•化学传感原理：某些气体传感器通过利用物理吸附、化学反应或电化学反应来检测目标气体。
例如，电化学气体传感器利用气体与电极表面的反应来产生电信号，从而实现测量。
化学传感原理通常适用于可燃性气体、有毒气体等的检测。
•光学传感原理：光学气体传感器利用气体分子对光的吸收、散射或发射特性来检测气体浓度。
常见的例子是红外气体传感器，根据不同气体对红外光的吸收特性来测量气体浓度。
光学传感原理通常适用于二氧化碳、二氧化硫等气体的检测。
•电气传感原理：电气气体传感器利用气体的电特性变化来检测气体浓度。
例如，热导气体传感器根据目标气体的导热性与环境空气的区别来测量气体浓度。
电气传感原理适用于氧气浓度、温度等的检测。
3. 气体传感器的应用气体传感器在许多领域都有广泛的应用。
下面列举了一些常见的应用领域：•工业控制：气体传感器可以用于监测工业生产中的有害气体、可燃气体等，并及时发出报警。
这有助于保证工厂的安全生产。
•环境监测：气体传感器可以用于监测城市空气中的污染物浓度，如二氧化碳、一氧化碳、臭氧等。
这有助于改善城市环境质量和提高居民的生活质量。
•安全检测：气体传感器可以应用于家庭和办公场所的安全检测，如煤气泄漏检测、烟雾检测等。
这有助于减少火灾和爆炸事故的发生。
•医疗健康：气体传感器可以用于监测医疗设备中的氧气浓度，如呼吸机、麻醉设备等。
这有助于确保医疗过程的安全和有效。
•交通运输：气体传感器可以用于监测车辆尾气中的污染物浓度，如氮氧化物、颗粒物等。
这有助于改善交通环境和减少尾气排放对空气质量的影响。
4. 总结本文介绍了气体传感器的工作原理和应用。
气体传感器简介介绍
提高稳定性与寿命
趋势描述
提高气体传感器的稳定性和寿命是持续 追求的目标。稳定性决定了传感器在长 时间使用过程中输出信号的稳定性，而 寿命则关系到传感器的使用成本和维护 成本。
VS
技术挑战
在提高稳定性和寿命方面，需要解决材料 老化、抗干扰能力、自适应校准等技术难 题，以实现传感器在恶劣环境下的长期稳 定运行。
气体传感器简介介绍
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目录
• 气体传感器概述 • 气体传感器的技术特点 • 常见气体传感器类型及其原理 • 气体传感器的应用案例 • 气体传感器的发展趋势与挑战
01
气体传感器概述
定义与工作原理
• 气体传感器是指能感受气体浓度变化并转换成可用输出信号的 传感器。其工作原理通常基于物理或化学效应，如电化学、光 学、热学等。当目标气体与传感器接触时，会引起传感器内部 物理或化学性质的变化，从而产生与气体浓度成比例的电信号 。通过对这个电信号的检测和处理，可以实现气体浓度的测量 。
总之，气体传感器作为 一种将气体浓度转化为 电信号的装置，在各个 领域都发挥着重要作用 。随着科技的不断发展 ，气体传感器的性能将 不断提升，应用领域也 将进一步拓展。
02
气体传感器的技术特点
敏感性
高灵敏度
气体传感器需要具备高灵敏度， 能够检测到极低浓度的目标气体 ，确保对环境中的气体变化做出 准确响应。
气体传感器的应用案例
环境监测中的气体传感器
大气污染监测
气体传感器可用于监测大气中的 有害气体，如二氧化氮、硫化氢 等，以评估空气质量并及时发出
污染警报。
室内空气质量监测
在室内环境中，气体传感器可检 测甲醛、苯等挥发性有机物，保
障人们呼吸健康。
气体传感器工作原理
气体传感器工作原理
气体传感器是一种用来检测和测量空气中特定气体浓度的装置。
它的工作原理基于气体分子的相互作用和电信号的测量。
气体传感器通常由两个主要部分组成：传感器元件和信号转换器。
传感器元件是用来感知气体的存在和浓度变化的，而信号转换器则将传感器元件感知到的信号转换为可以读取和分析的电信号。
不同类型的气体传感器使用不同的工作原理，但其中最常见的几种工作原理如下：
1. 电化学传感器：这种传感器基于气体分子与电极表面的相互作用。
当目标气体分子接触到电极表面时，会引起电化学反应，并产生电流或电压变化。
这种电流或电压的变化可以被测量和记录下来，从而确定气体的浓度。
2. 光学传感器：这种传感器使用光学原理来检测气体浓度的变化。
它通过射入特定波长的光束进入检测区域，并测量光束经过气体后的吸收或散射程度。
当目标气体存在时，它会对光束产生特定的影响，从而可以测量出气体的浓度。
3. 热导传感器：这种传感器通过测量气体对热量的传导进行测量。
当气体存在时，它会吸收掉传感器元件产生的热量，导致温度变化。
传感器会测量温度变化的程度，并将其转换为对应的电信号来表示气体浓度。
这些仅仅是几种常见的气体传感器工作原理，实际上还有许多其他类型的气体传感器，如红外传感器、表面声波传感器等。
根据不同的应用需求，选择适合的气体传感器工作原理才能更准确地测量目标气体的浓度和变化。
气体传感器的原理与应用
气体传感器的原理与应用
气体传感器是指用来检测某种特定气体浓度的传感器，通常由一个灵敏元件和一个参考电路组成。
气体传感器检测样品中特定气体的浓度，用于监测空气质量、诊断和过程控制等。
气体传感器的原理是将气体浓度作为受激参数，通过使灵敏元件的电阻发生变化，来改变电路的输出信号大小，从而可以获得气体浓度的信息。
灵敏元件的电阻敏感性受到气体浓度的影响，受激得多少就产生多少变化，所以它是直接的气体浓度检测器。
气体传感器的应用非常广泛，主要用于安全报警、环境监测以及工业过程控制等领域。
它可以用来检测各种有毒、易燃、有害气体，比如煤气、天然气、油烟等，以及许多有机气体，例如乙醛、胡椒气等。
它还用于检测CO2和水分等温室气体，以及检测室内空气质量指标，如甲醛、酚、硫化氢等。
由于传感器的功能完善、使用方便、体积小巧且价格低廉，受到了普遍的认可和应用。
气体传感器的设计原理
气体传感器的设计原理气体传感器是通过测量环境中某些特定气体浓度来检测、识别和定量分析气体成分的装置。
它是基于一定物理或化学原理工作的独立系统，可用于室内或室外环境的气体检测、监测和控制。
本文将就气体传感器的开发原理、关键技术和应用举例进行介绍。
一、气体传感器的基本原理气体传感器可分为两类：基于化学反应原理的气敏阻抗式传感器和基于光学、声学等物理原理的传感器。
其中气敏阻抗式传感器是目前主流技术之一，原理如下：1. 感受元件的选择气敏阻抗式传感器是通过感受元件对周围气体的化学反应，使元件的电阻值或阻抗发生变化，从而检测气体浓度的。
感受元件的选择对于传感器的灵敏度、选择性和可靠性等方面都有着至关重要的作用。
常见的感受元件有：金属氧化物（MOX）、半导体、电解质、电化学和催化剂等。
2. 工作原理以MOX感受元件为例，其工作原理如下：当周围气体存在化学物质时，感受元件表面的氧分子会与该化学物质作用，导致电子从感受元件向化学物质转移，形成离子和自由电子。
随着感受元件的电阻值或阻抗的变化，传感器的输出信号也相应变化，从而探测获得环境中气体的浓度。
3. 电路设计气体传感器的控制电路是将感受元件的电阻值或阻抗转换成标准电压或电流输出的重要部分。
电路的设计需要考虑传感器的工作原理、性能指标及输出要求等因素。
通常，控制电路由线性运算放大器、滤波电路、AD变换器、可编程信号处理器等部分构成。
二、气体传感器的关键技术1. 感受元件技术气体传感器的品质和性能直接受到感受元件的影响。
感受元件目前主要有MOX感受元件、半导体感受元件、电化学感受元件和催化剂感受元件等。
不同的元件有不同的特点和应用场景，需要综合考虑。
2. 传感器信号整理技术气体传感器的信号需要进行稳定处理和滤波处理，保证传感器输出的准确性和可读性。
常见的传感器信号整理技术有：前后端信号处理，外界干扰信号处理、工作温度范围控制等。
3. 防尘、防水技术气体传感器通常工作在环境比较恶劣的条件下，因此需要具备防尘、防水等功能。
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第8章
气体传感器
第8章
8.1 8.2 8.3
气体传感器
概述
气体传感器主要参数与特性
半导体气体传感器 固态电解质气体传感器
8.4
8.5 8.6 8.7
接触燃烧式气体传感器
新型气体传感器 气体传感器的应用
8.1
概述
表 8-1 主要类型的气体传感器
8.2
气体传感器主要参数与特性
灵敏度 响应时间 选择性 稳定性 温度特性 湿度特性 电源电压特性 气体浓度特性 初始稳定、气敏响应和恢复特性
SnO2系气敏元件
烧结型SnO2气敏元件
– a.直热式SnO2气敏元件
（a）直热式结构 （b）符号 图 8-3 直热式气敏器件结构及符号
8.3.2
表面电阻控制型气体传感器
– b.旁热式SnO2气敏元件
（a）旁热式结构 （b）符号 图 8-4 旁热式气敏器件结构及符号
8.3.2
表面电阻控制型气体传感器
图 8-22 α—Fe2O3气敏元件对H2、 CO及C2H5OH的灵敏度特性
图 8-23 α—Fe2O3气敏元件 的温度特性
8.3.3
体电阻控制型气体传感器
TiO2、Nb2O5氧敏元件
图 8-24 温度补偿原理图
8.3.3
灵敏度特性
体电阻控制型气体传感器
图 8-25 TiO2氧敏元件400℃时电阻（R）与空 气过剩（λ）的关系
图 8-34 MOS二极管的C-V特性
8.3.4 半导体气敏二极管和MOSFET气体传感器
Schottky二极管 异质结H2S传感器
8.3.4 半导体气敏二极管和MOSFET气体传感器
MOSFET型气敏元件
工作原理
图 8-35 增强型MDSPET结 构示意图
8.3.4 半导体气敏二极管和MOSFET气体传感器
8.7
自动换气扇
气体传感器的应用
图 8-55自动换气扇电路原理图
8.7
自动抽油烟机
气体传感器的应用
图 8-56气敏监控电路原理图
8.7
酒精检测报警器
气体传感器的应用
图 8-57 酒精检测报警控制器电 路原理图
8.7
缺氧检测
气体传感器的应用
图 8-58 便携式缺氧监视器电路
Pd—MOSFET氢敏元件
图 8-36 Pd—MOSFET和普 通MOSFET结构 S-源极 G-栅极 D-漏极
8.3.4 半导体气敏二极管和MOSFET气体传感器
其他结型气体传感器
氨敏元件 CO气敏元件、 H2S气敏元件 孔栅Pd—MOSFET
图 8-37 “孔栅”MOS结构
8.3.2
表面电阻控制型气体传感器
– e.超微粒薄膜SnO2气敏元件
图 8-10 超微粒SnO2薄 膜气敏元件结构
图 8-11 超微粒薄膜SnO2 气敏元件温度特性
8.3.2
表面电阻控制型气体传感器
ZnO系气敏元件
• 1.烧结型ZnO气敏元件
图 8-12 催化剂对ZnO气敏特性的影响
8.3.2
表 8-4
表面电阻控制型气体传感器
催化剂ZnO对灵敏度的影响
8.3.2
表面电阻控制型气体传感器
• 2.薄膜型ZnO气敏元件
图 8-13 ZnO薄膜气敏元件结构示意图
8.3.2
表面电阻控制型气体传感器
• 3.多层式ZnO气敏元件
图 8-14 ZnO铂铱复合型传感器结构图
8.3.2
•
表面电阻控制型气体传感器
8.3.3
静态特性
体电阻控制型气体传感器
图 8-26 电阻、电压与空气过剩率的 静态关系
8.3.3
体电阻控制型气体传感器
动态响应特性
图 8-27 动态响应特性
8.3.3
其它气敏元件
体电阻控制型气体传感器
多层薄膜气敏传感器 混合厚膜型气敏传感器 复合氧化物气敏传感器
8.3.4 半导体气敏二极管和MOSFET气体传感器
8.3 半导体气体传感器
1
电阻型半导体气敏元件 表面电阻控制型气体传感器
2
3 4
体电阻控制型气体传感器
半导体气敏二极管和MOSFET气体传感器 其它结型气体传感器
6
8.3.1 电阻型半导体气体传感器
图 8-1
n型半导体吸附气体时的器件阻值变化
8.3.2
工作原理 结构形式
•
表面电阻控制型气体传感器
”
图 8-38 PdO-Pd双层“孔栅 结构剖面
8.4 固态电解质气体传感器
浓差电池式ZrO2氧传感器
构及原理图
8.4 固态电解质气体传感器
图 8-41 E-PR曲线
8.4 固态电解质气体传感器
实用浓差电池ZrO2氧传感器
图 8-42 浓差电池ZrO2 氧传感器的结构
图 8-51 热导率气敏元件测量 电路原理图
8.6 新型气体传感器
气敏半导体材料吸附机理及器件
图 8-52 SAW气敏传感器原理
8.6 新型气体传感器
气一磁传感器
图 8-53 气-磁传感器结构图
8.7
气体传感器的应用
家用煤气、液化石油气泄漏报警器
图 8-54 家用煤气、液化石油气 报警器电路
气敏二极管
金属／半导体结型二极管传感器
• Pd—TiO2结型气敏传感器
图 8-30 Pd/TiO2结型气敏传感器
图 8-31 Pd/TiO2结型气敏传 感器电压电流曲线（25℃ ）
8.3.4 半导体气敏二极管和MOSFET气体传感器
MOS二极管气敏元件
图 8-33 Pd-MOS二极管敏感元件
– c.厚膜型SnO2气敏元件
图 8-5 厚膜型SnO2气敏元件结构示意图
图 8-6 SnO2厚膜气敏传感器特性
8.3.2
表面电阻控制型气体传感器
– d.薄膜型SnO2气敏元件
图 8-7 薄膜气敏传感器 结构
图8-8 SnO2薄膜气敏传 感器的灵敏度特性图
图 8-9 SnO2薄膜气敏传 感器对CO和 C2H5OH的灵敏度特 性
图 8-43 浓差电池ZrO2氧传感 器的输出特性
8.4 固态电解质气体传感器
极限电流式ZrO2氧传感器
图 8-44 极限电流式ZrO2氧传感器原理图与特性
8.4 固态电解质气体传感器
图 8-45 极限电流与外电压关系曲线
8.4 固态电解质气体传感器
SO2传感器
图 8-46 SO2气敏传感器
8.5 接触燃烧式气体传感器
检测原理与结构
图 8-47 接触燃烧式气敏传感器
8.5 接触燃烧式气体传感器
气敏特性
图 8-48 接触燃烧式气敏元件的感应特性
8.6 新型气体传感器
红外吸收式传感器
图 8-49
红外气体传感器
8.6 新型气体传感器
热导率变化式气体传感器
图 8-50 热导式半导体气敏元件
其它半导体氧化物气敏元件
WO3系气敏元件
图 8-15 元件的灵敏度随 H2S浓度的变化
图 8-16 WO3的气敏 特性随环境温度的 变化
8.3.2
表面电阻控制型气体传感器
图 8-17 几种元件对H2S(10×10-6)的响应恢复特性
• 非晶态SiO2
8.3.3
体电阻控制型气体传感器
氧化铁系气敏元件
γ—Fe2O3气敏元件
图 8-18 γ—Fe2O3气敏传感器
图 8-19 γ—Fe2O3气敏传感器的 响应特性
8.3.3
体电阻控制型气体传感器
α—Fe2O3气敏元件
图 8-20 α—Fe2O3气敏元件
图 8-21 α—Fe2O3气敏元件对 烷类气体的灵敏度特性
8.3.3
体电阻控制型气体传感器