气体传感器的发展概况和发展方向

中国气体传感器行业不同技术路线有望并行发展汉威科技占据市场龙头地位

气体传感器属于传感器产业，一般被归为化学传感器的一类，

是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器，是

一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪

表、计算机等利用的信息的装置。按所用气敏材料及适用的

传感原理不同，气体传感器可分为半导体气体传感器、电化

学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、

红外线气体传感器、固体电解质气体传感器等。

显示，气体传感器基本特征是灵敏度、选择性、稳定性、抗

腐蚀性等；优点是精度高、选择性好、可靠性高、不中毒、

不依赖于氧气、受环境干扰因素较小、寿命长等，因此其应

用广泛，适用于监测近乎各种易气体。

一、传感器市场发展现状

传感器是连接物理世界和数字世界的桥梁，指能感受规定的

被测量并按照一定规律转换成可用信号的器件或装置，是中

国“强基工程”的核心关键部件之一，是实现工业转型升级、提

高产品质量和可靠性的重要组成部分。对此国家日益重视传

感器，出台了一系列政策，支持传感器行业发展。

例如2013年，工业和信息化部、科技部、财政部、国家标准

化管理委员会组织制定了加快推进传感器及智能化仪器仪表产业发展行动计划，提出到2025年，传感器及智能化仪器仪

表产业整体水平跨入世界先进行列，产业形态实现由“生产型

制造”向“服务型制造”的转变，涉及国防和重点产业安全、重

大工程所需的传感器及智能化仪器仪表实现自主制造和自主

可控，高端产品和服务市场占有率提高到50%以上。

近几年来传感器相关政策（部分）时间相关部门政策文件主要内容

2013年12月工业和信息化部、科技部、财政部、国家标准化管理委员会《加快推进传感器及智能化仪器仪表产业发展行动计划》提出到2025年，传感器及智能化仪器仪表产业整体水平跨入世界先进行列，产业形态实现由“生产型制造”向“服务型制造”的转变，涉及国防和重点产业安全、重大工程所需的传感器及智能化仪器仪表实现自主制造和自主可控，高端产品和服务市场占有率提高到50%以上。

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

关于气敏电阻式传感器 - 1 - 电阻式传感器

简介：

随着计算机辅助设计技术（CAD）、微机电系统技术、光纤技术和信息技术的发展，获取各种信息的传感器已经成为各个应用领域，特别是自动检测、自动控制系统中不可缺少的重要技术工具，越来越成为信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。因此，在当今信息时代掌握传感器及检测技术尤为重要。

定义：

将被测量变化转换成电阻变化的传感器。

电阻式传感器是把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。它主要包括电阻应变式传感器、电位器式传感器(见位移传感器)和锰铜压阻传感器等。电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、加速度、扭矩等测量仪表是冶金、电力、交通、石化、商业、生物医学和国防等部门进行自动称重、过程检测和实现生产过程自动化不可缺少的工具之一。它在非电量检测领域应用非常广泛。 - 2 - 电阻式传感器的优缺点：

电阻式具有结构简单、输出精度较高、线性和稳定性好等特点。但是它受环境条件如温度等影响较大，有分辨率不高等不足之处。

电阻式传感器的分类：

课本上介绍的电阻式传感器主要有电位器，电阻应变片，测温热电阻，气敏电阻及湿敏电阻等。下面我们就单对气敏电阻式传感器分析一下。

气敏电阻

气敏电阻：利用某些半导体吸收某种气体后发生氧化还原反应制成，将被检测到的气体(特别是可燃性气体)的成分或浓度的变化转换成电信号的传感器。主要成分是金属氧化物，主要品种有：金属氧化物气敏电阻， 复合氧化物气敏电阻，陶瓷气敏电阻等。

简介：在现代社会的生产和生活中，人们往往会接触到各种各样的气体，需要对它们进行检测和控制。比如化工生产中气体成分的检测与控制；煤矿瓦斯浓度的检测与报警；环境污染情况的监 - 3 - 测；煤气泄漏：火灾报警；燃烧情况的检测与控制等等。气敏电阻传感器就是一种将检测到的气体的成分和浓度转换为电信号的传感器。

工作原理：气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有气敏效应。

传感器技术的发展及社会影响

1．传感器技术发展历史

从17世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。而真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。五十年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下，20世纪中期相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。在那时，与计算机技术和数字控制技术相比，传感技术的发展都落后于它们，不少先进的成果仍停留在实验研究阶段， 并没有投入到实际生产与广泛应用中，转化率比较低。

在国外，传感器技术主要是在各国不断发展与提高的工业化浪潮下诞生的，

并在早期多用于国家级项目的科研研发以及各国军事技术、航空航天领域的试验研究。然而，随着各国机械工业、电子、计算机、自动化等相关信息化产业的迅猛发展，以日本和欧美等西方国家为代表的传感器研发及其相关技术产业的发展已在国际市场中逐步占有了重要的份额。我国从20世纪60年代开始传感技术的研究与开发，经过从“六五”到“九五”的国家攻关，在传感器研究开发、设计、制造、可靠性改进等方面获得长足的进步，初步形成了传感器研究、开发、生产和应用的体系，并在数控机床攻关中取得了一批可喜的、为世界瞩目的发明专利与工况监控系统或仪器的成果。 但从总体上讲，它还不能适应我国经济与科技的迅速发展，我国不少传感器、信号处理和识别系统仍然依赖进口。同时，我国传感技术产品的市场竞争力优势尚未形成，产品的改进与革新速度慢，生产与应用系统的创新与改进少。

2．传感器技术发展现状

如今在物联网和大数据的背景下，传感器的技术主要依赖于MEMS传感器、硅集成电路的设计、制造与装配技术，在常规传感器技术基础上新增技术表现在传感信号数字化、智能化和通信技术。

2.1 传感信号数字化 首先建立传感器对被测物理量的响应的数学模型，以及信号调理电路对传感器输出信号的期望响应的数学模型，然后用电路实现这些数学模型。尽管上述模型很好，但是这些模型只能近似等于实际电路的响应。如果能以数学形式表示系统中尽可能多的部分，那么模型就更接近于实际响应。这是因为，数字不会随时间而改变，并且也可准确地和轻松地处理它们。事实上，这种数字信号处理（DSP）的原则已经确立并得到广泛应用，DSP就是利用数学而不是电路对信号进行处理的。利用DSP可以很容易地实现标准转换，如通过滤波去除不想要的噪声或者通过频率映射来识别特定的信号分量。