第八章 气体传感器

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。

气体传感器的介绍与应用1964年，由Wickens和Hatman利用气体在电极上的氧化还原反应研制出了第一个气敏传感器，1982年英国Warwick大学的Persaud等提出了利用气敏传感器模拟动物嗅觉系统的结构[1]，自此后气体传感器飞速发展，应用于各种场合，比如气体泄漏检测，环境检测等。

现在各国研究主要针对的是有毒性气体和可燃烧性气体，研究的主要方向是如何提高传感器的敏感度和工作性能、恶劣环境中的工作时间以及降低成本和智能化等。

下面简单介绍各种常用的气体传感器的工作原理和一些常用气体传感器的最新的研究进展。

气体传感器主要有半导体传感器（电阻型和非电阻型）、绝缘体传感器（接触燃烧式和电容式）、电化学式（恒电位电解式、伽伐尼电池式），还有红外吸收型、石英振荡型、光纤型、热传导型、声表面波型、气体色谱法等。

电阻式半导体气敏元件是根据半导体接触到气体时其阻值的改变来检测气体的浓度；非电阻式半导体气敏元件则是根据气体的吸附和反应使其某些特性发生变化对气体进行直接或间接的检测。

接触燃烧式气体传感器是基于强催化剂使气体在其表面燃烧时产生热量，使传感器温度上升，这种温度变化可使贵金属电极电导随之变化的原理而设计的。

另外与半导体传感器不同的是，它几乎不受周围环境湿度的影响。

电容式气体传感器则是根据敏感材料吸附气体后其介电常数发生改变导致电容变化的原理而设计。

电化学式气体传感器，主要利用两个电极之间的化学电位差，一个在气体中测量气体浓度，另一个是固定的参比电极。

电化学式传感器采用恒电位电解方式和伽伐尼电池方式工作。

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。

红外吸收型传感器，当红外光通过待测气体时，这些气体分子对特定波长的红外光有吸收，其吸收关系服从朗伯—比尔(Lambert－Beer)吸收定律，通过光强的变化测出气体的浓度。

气体传感器设计与实现研究随着新能源、智能家居、物联网等领域的迅速发展，气体传感器的需求也越来越广泛。

气体传感器主要用于检测空气中的有害或者有益气体，如二氧化碳、甲醛、PM2.5、温度、湿度等参数。

本文将从气体传感器的原理入手，详细介绍气体传感器的设计和实现方法。

一、气体传感器的原理气体传感器是通过敏感材料和特定工艺加工成传感元件，利用材料与气体分子之间的相互作用或者化学反应，将气体浓度转化为电信号输出。

根据传感元件的不同，气体传感器可以分为电化学型、光学型、热敏型、半导体型等。

电化学型气体传感器是最常用的一种类型，主要由工作电极、反应电极和电解质组成。

当气体分子与工作电极表面的敏感材料发生化学反应，会产生一定的电流信号，通过该信号可以测量气体浓度。

光学型气体传感器利用气体分子对特定波长的光吸收或发射的特性来检测气体浓度。

该传感器主要由光源、光学元件和信号处理器组成。

热敏型气体传感器则利用气体与敏感材料的热导率差异产生的温度变化来检测气体浓度。

该传感器主要由加热器、敏感材料和温度检测器组成。

半导体型气体传感器是根据气体分子的吸附、解离或者反应后与敏感材料或者半导体材料电子态的变化来检测气体浓度。

该传感器常用于可燃气体的检测。

二、气体传感器的设计和实现方法气体传感器的设计和实现方法主要包括以下几个方面：1、传感元件的制备传感元件是气体传感器中最关键的部件，其性能的好坏直接影响着传感器的检测能力和灵敏度。

制备传感元件主要有两种方法：一种是在晶片上制备，另一种是在基板上制备。

晶片制备多需要采用微纳加工技术，技术难度较大，但是制备的结果稳定性和性能要好于基板制备。

2、传感电路的设计传感电路是气体传感器中的核心部分，其功能主要包括信号放大、滤波和处理。

传感电路的设计需要根据传感器的工作原理和特点来确定，电路结构也要考虑到系统中功耗、信噪比等因素的影响。

3、校准和测试方法气体传感器的测试方法主要包括两种：一种是使用标准气体进行测量，另一种是使用特定的测试方法，如温湿度循环测试、加速老化测试等。