多功能气体传感器技术研究

２０１３年第ｌ１期总第１３１期　

ＳｌＬＩＣ０Ｎ　ＶＡＬＬＥＹ　

气体传感器研究进展　

井云鹏　（中国电子科技集团公司第四十九研究所。黑龙江哈尔滨１５０００１）　

摘　要通过对气体传感器原理和发展历程的研究和归纳，对电化学型、光学型及电学型气体传感器的原理、发展、　

特点以及适用范围进行了阐述。文章针对国际上目前气体传感器的发展趋势进行了详细的分析，归纳了气体传感器新　

原理、新材料及优化结构这三个方面的发展方向，并对应用ＭＥＭＳ技术研制气体传感器提出了展望。　

关键词气体传感器；气敏元件；发展趋势　

中图分类号：ＴＰ２１２．１１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１－７　５９７（２０１　３）１１－００１１－０３　

２Ｏ世纪６０年代Ｗｉｃｋｅｎｓ和Ｈａｔｍａｎ利用气体在电极上的氧　化还原反应研制出了世界上第一个气体检测器，而后８０年代年　

英国Ｐｅｒｓａｕｄ等人提　了利用气体检测器模拟生物嗅觉，这是气　

体传感器的雏形。　

如今气体传感器持续发展，在环境检测和安防领域都有了　

广泛的应用。随着各种天然气、煤制气、液化气的开发和使用，　

同内外科研人员开始深入研究可燃气体的检测方法和控制方法，　

并产生了多种用于气体检测与分析的传感器、仪器仪表等，并　

大量应用于生产生活中的气体检测与成分分析中。　

１气体传感器概述　

气体传感器是气体分析与检测系统的重要组成部分。气体　

传感器可简述为感知气体并确定其浓度的器件，该器件能够把　

气体的成分和气体的浓度等信息由非电量转换为电量，从而实　

现气体的测量。　

考量气体传感器的主要指标有以下几个方面。　

１．１稳定　眭　

气体传感器的稳定性是指在整个工作时间内其由被测气体　

所产生的响应的稳定性，它与零点漂移和区间漂移密切相关。　

这里的零点漂移是指在被测气体中不含油目标气体的情况下，　

在规定的时间内气体传感器输出的信号波动；而区间漂移则指　

在被测气体始终存在的情况下传感器的输出信号波动。理想情　

况下，气体传感器每年的零点漂移不大于１０％。　

气体传感器研究现状

气体传感器研究现状：

1．气相色谱仪

该类仪器可以检N,4co、CO：场等多种气体。测量范围大而且精度很高，但成本较高，目前国内一台这样的仪器要8—9万元。这种仪器的缺点是：体积较大，无法方便携带：工作环境要求很高，无法进行野外探测；测量时要先对气体取样，无法实时探测；功率很大一般达Nzsoow要与计算机相连。这种仪器目前主要应用在实验室内。

2.载体催化原理的甲烷检测仪

载体催化型甲烷检测原理：甲烷和氧气在载体催化元件表面反应，放出反

应热，使元件温度上升，元件的温度增量将会引起元件的电阻增加，通过测量电阻增量就可以测定甲烷浓度。载体催化原理是目前实际应用中性能较为有效和可靠的一种探测可然性气体浓度的一种方法。

20世纪80年代初，世界各产煤国均先后完成了传统光干涉向载体催化型

的过渡。该类仪器以其信号输出易处理、灵敏度高、响应时间短、受湿度和温度影响较小、结构坚固、便于使用、价格低廉等一系列优点成为目前国内外瓦斯检测的主要仪器，这种原理的检测仪，也是当前国内外测量低浓度甲烷使用最普遍最成功的一种。

该类仪器的缺点：测量范围小、易受到高浓度瓦斯和硫化物的中毒以及存

在零点漂移和灵敏度问题。

3.热导原理的甲烷检测仪

热导原理的甲烷检测仪器：通过利用所测气体与空气的热导率差异，得到

与被测气体甲烷浓度相关的电信号，就可以确定甲烷浓度。热导式气体检测仪是将待测气体送入气室，气室中有热敏元件：如铂丝或钨丝，对热敏元件加热到一定温度，当待测气体的导热系数较高时，热量更容易从热敏元件上散发，使其阻值减小，通过惠更斯电桥测量这一阻值变化可得到被测气体的浓度值。

这种检测原理的优点：是热敏元件工作温度低(低于200度)，工作电压不高，所以极易制成矿用本质安全型，而且热敏元件为半永久性元件，使用寿命长。

其缺点：是检测低温浓度甲烷时输出信号小，仪器的零点漂移是一个较难克服的问题，同时对低浓度瓦斯反应不准确，且极易受水蒸气(湿度)和二氧化

气体检测中的传感器阵列识别算法研究

随着现代工业以及日常生活中越来越多的涉及到气体的行业，气体检测技术也越来越成熟。气体检测技术可以不仅用于检测有毒有害气体，还可以用于环境监测、安防监测、生命识别等多方面。传感器是气体检测技术的重要组成部分，而传感器阵列识别算法的研究则可以更加精确地识别大量元素的混杂气体。

一、传感器阵列识别算法概述

传感器阵列识别算法是指通过对传感器之间的数据进行处理，以识别混杂气体中各元素浓度的算法。可以通过线性或者非线性的方式对数据进行处理，从而获得气体的主成分。在使用传感器阵列识别算法之前，需要先进行特征提取，即对传感器输出数据进行降维，凸显出数据中主要成分。一般来说，特征提取的方法有PCA、ICA、LDA等。

传感器阵列识别算法在气体检测领域中广泛应用，特别是在识别混杂气体中不同元素浓度的领域。传感器阵列中传感器的数量可以达到几十个、上百个，但同时也因此需要更加精细的数据处理算法，以避免传感器阵列中产生干扰或者交叉响应的问题。

二、传感器阵列识别算法分类

传感器阵列识别算法可以根据处理数据的方式进行分类，常见的分类有线性算法和非线性算法。线性算法是指对传感器输出数据进行线性变换，以获得主成分，常见的线性算法有PCA、LDA等。非线性算法则是指通过非线性变换对数据进行处理，以获取精确的气体成分。常见的非线性算法有ICA、SOM等。

三、传感器阵列识别算法的应用

传感器阵列识别算法可以广泛应用于气体检测领域。特别是在复杂气体成分识别的领域，传感器阵列识别算法具有不可替代的作用。在安防监测中，通过对空气中的成分检测，可以实时监测火焰、烟雾等因素，使相关人员更加安全。在环境监测中，可以通过对空气中的成分检测，来观察各种污染物的浓度以及分布情况。此外在生命识别方面，可以通过检测人员呼出的气体来提供精准的生命迹象。

四、传感器阵列识别算法发展趋势

传感器阵列的应用范围逐渐扩大，非线性算法的发展势头更为喜人。不少研究人员开始尝试基于深度学习的方法进行研究，通过神经网络等深度学习算法对气体成分进行更加精准的识别。此外，近年来传感器技术在小型化、低功耗等方面也取得重大进展，传感器阵列的性能将得到进一步提升。

传感器技术及应用

随着我们国家综合实力和经济水平的不断进步，科学技术水平也迈上了一个新的台阶。与计算机技术、通信技术并称21世纪三大科学技术的传感器技术也应用于生产生活中的各个方面，为我们的生活带来了很大的便利。在现实生活中，传感器技术已经不再陌生，传感器已自己独特的特点走进了人们的生活。那么，传感器技术是怎样进行的，在我们的生活中又有哪些的应用呢？本文就简要的概括一下传感器的概念、类别等，并且以光点传感器为例，简单介绍传感器工作的原理和测量模式。在此基础上，进一步论述传感器技术在各行各业中的应用，希望能够以后的研究带来方便。

标签：传感器；技术；应用；光电传感器；检测模式

1 传感器的概念

所谓的传感器，就应用于对外界外应比较灵活的部件、传感的部件和另外一些部件所构成，有些时候也把对于信号的首发装备和对电路进行转换的装备和备用的电源当作传感器的主要组成部件。[1]广义上来说，传感器是进行信息的获得的载体，我们所说的传感器技术是运用传感器的原理，在进行生活中实际应用的一种技术。现如今，传感器已经应用在生产生活中的各个方面了，为我们的生活带来了很大的便利。

传感器一般来说能够遵照一些固定的方式进行划分。一般来都是参照输入到传感器中的物理性质来进行划分，比方说光电传感器、位置移动传感器、温度传感器等等[2]；基于如何新进行工作的方式也可以进行划分，分成电容式传感器、电子感应传感器、热能感应传感器等等；按照输入到外界的物理量，可以划分成模拟形式的和数字形式的传感器两类。[3]

2 传感器的工作原理

传感器现在已经应用在了生活中的各方各面，那么传感器是应用于什么原理进行工作的呢？我们知道，传感器的种类多种多样，我们不可能对所有传感器的工作原理进行详细的分析。那么下面我们就以常见的光电传感器为例，介绍一下传感器技术是如何进行工作的。

2.1 光电传感器工作原理

我们日常生活中所见到的光电传感器大体上来讲就是一种体型比较小的电子装备，可以感觉所输入的光的强弱。最早的光电传感器所展现的外观是一个比较迷你的类似于圆柱形的金属设施，在用于发射的地方有一个比较小的镜头，作用是校准，把一些光集中照射在接收器上，从而这些接收器中的电线就能够把这个设备连接到一个真空的放大器械上。[4]（示意图如图一所示）。同时，在用金属构造的圆筒里面有一个小的灯泡，这个灯泡的作用就是提供光亮。这也是现如