电学类气体传感器基础知识
利用材料的电学参量随气体浓度的变化而改变的特性制作的气体传感器为电学类气体传感器。电学类气体传感器可分为电阻式和非电阻式两大类,其中电阻式气体传感器主要有接触燃烧式、热导式、半导体气体传感器等,非电阻式气体传感器则通常是利用材料的电流或电压随气体含量变化的特点而制成的传感器,主要包括MOS二极管式、结型二极管式和场效应管式等。
接触燃烧式气敏元件利用可燃性气体在气敏元件表面上发生氧化反应,产生热量从而引起元件电阻值的改变,据此来检验不同浓度的气体。其结构是在铂丝线圈上包以氧化铝和粘合剂,经烧结而形成球状,外表涂敷铂、钯等稀有金属的催化层。工作时加热至300~400℃,当环境中有可燃性气体时,气体就会在稀有金属催化层上燃烧,从而引起铂丝线圈温度上升、阻值增大,通过测量这一电阻的变化可测定环境中可燃气体的浓度。
接触燃烧式气体传感器使易燃气体在传感器表面接触燃烧从而引起传感器的电阻改变,将电阻的变化量转换为百分LEL(最低爆炸下限)显示或报警。其主要特点是不受环境温度影响,稳定性高,且接触燃烧式气体传感器电阻的变化与气体浓度成线性关系,使电路设计变得简单。应用这种方法能对处于爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测和报警。其缺点是寿命短,通常只有1~2年,而且元件表面的催化剂接触到一些非可燃性气体时会产生反应从而容易发生催化剂中毒。
热传导式气敏材料则依据不同可燃性气体的导热系数与空气的差异来测定气体的浓度,通常利用电路将导热系数的差异转化为电阻的变化。热传导式气体检测仪的结构是将待测气体送入气室,气室中有热敏元件如热敏电阻、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,将使热量更容易从热敏元件上散发,使其电阻减小,通过惠斯登电桥测量这一阻值变化可得到被测气体的浓度值。
半导体式气体传感器利用半导体材料表面吸附、脱附气体分子会引起半导体电导率的变化来检测气体。在所有可燃气体传感器中,应用最广的是电学类气体传感器。其中的半导体气敏元件自1962年Seiyama应用于气体探测以来,以其灵敏度高、响应时间快、经济可靠等优点而得到迅猛发展,目前已成为世界上产量最大、应用最广的传感器之一。这类传感器主要有SnO2、SnO、Fe2O3三大类,此外还开发了许多新材料。如单一金属氧化物材料有WO3、In2O3、TiO2、BaO2、CdO、V2O5、Al2O3、ZrO2等,还有混合金属氧化物材料如Zn2SnO4、NiCuO、AlVO4、CdSnO3;另外还有混合金属氧化物材料如Na2SO4、In2O3、ZnO-CuO、CdO-SnO2、SnO2-TiO2-In2O3等。上述半导体气体传感器可按检测方式不同分为电阻式和非电阻式两类。电阻式半导体气体传感器依据其电阻随气体含量的不同而变化的特征来检测气体。非电阻式半导体气敏元件则利用其电流或电压随气体含量的变化来检测气体,主要有MOS二极管式和结型二极管式及场效应管式。
半导体气体传感器以其寿命长、探测范围广、反应灵敏、成本低廉而被广为使用。半导体气体传感器也有一些缺点:对气体的选择性差使得误报的概率比其它方法大;此外,这类传感器如果长时间没有遇到探测气体,将会因氧化而进入休眠状态从而对气体泄漏不再作出反应。另外这类传感器的输出信号是非线性的,这使得定标有一定困难。
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