浅谈气体传感器及气体分析.ppt

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1、河南汉威电子有限公司HENAN HANWEI ELECTRONICS CO.,LTD Http:/,浅谈气体传感器及气体分析,2023/2/1,共同了解的主要内容,气体传感器基本知识 1、传感器的基本概念和分类 2、半导体气体传感器的原理及应用 3、催化燃烧式气体传感器原理及应用 4、电化学气体传感器的原理及应用 5、热线式气体传感器原理 6、热传导式气体传感器基本原理 7、红外原理传感器基本原理,传感器的基本概念和分类,传感器：传感器是能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子线路

2、所组成。国家标准这样定义“传感器”：能感受规定被测量的并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。国际电工委员会(IEC)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。气体传感器：是将空气中的气体含量转化为电信号的器件。传感器产生的电信号经电子线路处理、放大和转换后，实现气体含量的显示和报警。可见，传感器是气体检测报警仪的基础的、核心部件，它的优劣一定程度上决定了气体检测报警仪的质量和功能指标。,传感器的基本概念和分类,气体传感器的分类：1、物理类传感器热传导式气体传感器、红外式传感器2、化学类传感器半导体式气体传感器、接触燃

3、烧（催化燃烧）式气体传感器、电化学式气体传感器、热线式气体传感器,传感器的基本概念和分类,气体传感器的发展史：在实际应用中最先被大规模应用的气体传感器是半导体传感器，其次是催化燃烧传感器和电化学传感器，现在红外传感器也开始得到应用。20世纪初第一只半导体传感器诞生于英国，并一直在欧洲发展和应用，直到20世纪50年代半导体气体传感技术才流传到日本，并有日本人把这项技术推进到了顶峰。而欧洲人在发现了半导体传感器的种种不足后开始研究其它传感器。气体传感器的理论直到70年代才传入到我们国家，80年代我国才开始研制气体传感器，整个技术主要继承于德国。,考查气体传感器的主要指标传感器在现场使用，承受各种恶

4、劣环境和气氛的影响，特别是固定式仪器的传感器，长期连续运转，又有防爆和供电容量的限制，因此对气体传感器的要求非常严格。一般考察传感器有以下几个项目：（1）检测范围和分辨率；（2）抗中毒能力和寿命；（3）检测精度和重复性；（4）抗温湿度影响能力（5）稳定性和零点漂移；（6）安全性，防爆性能；（7）反应速度；（8）互换性和检修方便；（9）选择性和抗干扰能力；（10）体积小，重量轻；（11）电流小、节电性好。,传感器的基本概念和分类,传感器的基本概念和分类,为了保证传感器的精度和系统的完整性，气体传感器需要被标定。1、零点设置通常，假设该工作区域的空气是清新的，使用周围的空气作为传感器的零点参考点。

5、因此，区域内传感器的一个好参考点，总是应该空气清新，因为它将代表探测器安装周围的空气条件。2、量程的标定量程的标定可以是相当容易或非常复杂和昂贵，这取决于该气体的种类和浓度的范围。按照原则，为了到达满意的精度，目标气体与背景环境气体的平衡混合物是最好的标定气体。然而，虽然可以做到，但对操作工的技能要求比正常的要高。实际上，大多数的标定气体是从化学工厂买来的。,半导体气体传感器的原理及应用,半导体气体传感器的基本工作原理：其敏感体主要是由半导体材料制成的，其中应用最为广泛的半导体材料不是常见的硅、锗半导体，而是金属氧化物半导体，在气体传感器领域中应用最多的金属氧化物是SnO2，ZnO，Fe2O3

6、，WO3等。半导体式气体传感器的基本工作原理：就是在一定条件（温度）下，在被测气体到半导体表面并与吸附在半导体表面的氧发生化学反应的过程中伴随电荷转移，进一步引起半导体电阻的变化，通过测量半导体电阻的变化就可以实现对气体的检测。,半导体气体传感器的原理及应用,半导体气体传感器工作原理说明：半导体在空气中被加热到一定温度时，氧原子被吸附在带负电荷的半导体表面，半导 体表面的电子会被转移到吸附氧上，氧原子就变成了氧负离子，同时在半导体表面形成一个正的空间电荷层，导致表面势垒升高，从而阻碍电子流动。在敏感材料内部，自由电子必须穿过金属氧化物半导体微晶粒的结合部位（晶界）才能形成电流。由氧吸附产生的势

7、垒同样存在于晶界而阻碍电子的自由流动，传感器的电阻即缘于这种势垒。在工作条件下当传感器遇到还原性气体时，氧负离子因与还原性气体发生氧化还原反应而导致其表面浓度降低，势垒随之降低。导致传感器的阻值减小。,半导体气体传感器的原理及应用,按传感器所使用的敏感材料的差异可分为：SnO2类，ZnO类、Fe2O3类等。因为掺杂种类繁多，此分类不准确；按传感器内部结构的差异可分为旁热式、直热式、常温式三类。被测气体在半导体表面与氧发生化学反应时通常需要一定的温度，要获得所需要的温度就必须通过加热器给传感器通电加热。当加热器与半导体材料为隔离状态时，这一类结构的传感器就是旁热式气体传感器；当加热器与半导体材料

8、直接接触时，这一类结构的传感器即为直热式气体传感器；不需要附加加热器的传感器就是常温式气体传感器。,半导体气体传感器的原理及应用,半导体气体传感器的性能 1、灵敏度：R0/Rs(或Vs/V0)5 即传感器材料在洁净空气中的电阻与其在一定的气体浓度下电阻的比；或指在特定的测试回路中，在一定的气体浓度下回路输出的电压（负载电压）与其在空气中输出电压的比。从实用的角度一般用电压比来表示传感器的灵敏度，半导体气体传感器在低浓度范围内（数十到数千个ppm）具有较高的灵敏度。,图5 旁热式元件的灵敏度曲线,半导体气体传感器的原理及应用,2、选择性选择性：指传感器对气体种类的识别能力。在完全未知的气体环境中

9、（即完全不知道环境中有哪几种气体）传感器不能告诉人们探测到的是什么气体，即半导体式的气体传感器不具有本质的选择性；在已知的气体环境里（即人们知道要探测环境里存在哪些气体），半导体式气体传感器可实现相对的选择性探测。如GB15322规定，可燃性气体探测器在1000ppm乙醇蒸气中浸泡10分钟不得发出警报信号，既是基于在家庭环境最常见的气体就是可燃气（如甲烷）、乙醇（典型干扰气体）。,半导体气体传感器的原理及应用,3、响应时间：传感器接触被测气体后电阻变化达到稳定值时所需要的时间。响应时间一般会小于10s；4、恢复时间：传感器脱离被测气体后电阻达到在空气当中的稳定值时所需要的时间。恢复时间一般小于

10、30s。,图6 旁热式元件的响应恢复曲线,半导体气体传感器的原理及应用,5、稳定性 环境氧浓度的变化、水对表面活性位的占据、环境温度的变化、干扰气体的影响、传感器敏感材料本身物理性质（颗粒）的变化等都会引起传感器特性的变化。周期性特点突出（20%以内）,图7旁热式元件长期稳定性曲线（5000ppmCH4）,半导体气体传感器的原理及应用,6、温、湿度影响传感器的检测原理是基于气体在传感器表面的化学吸附、反应与脱附。环境温度的变化会改变化学反应速度，从而影响传感器的敏感特性。此外，水蒸气会吸附在传感器表面，湿度将会引起RS的降低。,图8旁热式元件温湿度特性曲线,半导体气体传感器的原理及应用,7、初

11、始稳定特性 传感器出厂之前都要通过较长时间的老化以使其各项性能趋于稳定。老化后的传感器在经过冷置以后，无论时间长短，在上机调试前，都必须经过一定时间（一般在几十分钟到48小时不等）的老化预热，传感器的各项性能才会重新稳定下来。经过冷置存放后的传感器，通电瞬间传感器敏感体的电阻会急剧下降，后逐渐变大至稳定，整个过程所需要的时间取决于存放环境以及冷置时间的长短，在洁净环境中存放时间不超过10天时初始稳定时间会在30分钟以内，其它情况下应不少于48小时。,图9 旁热式元件的初始恢复特性,半导体气体传感器的原理及应用,8、功耗：半导体气体传感器需要消耗能量以保持所需的工作温度，器件的功耗与敏感材料、元

12、件结构及所要检测的气体种类密切相关。一般情况下旁热式元件的功耗会大一些（约750mw），直热式元件（除三氧化二铁元件外）及常温（非加热）元件功耗要小一些（一般小于250mw）。功耗对便携式仪器来讲是一个重要指标。9、线性：浓度与灵敏度呈指数关系，不可避免的会出现饱和现象。图见灵敏度曲线10、寿命：除机械性损伤造成传感器失效外，半导体气体传感器使用寿命一般会超过10年。,半导体气体传感器的原理及应用,半导体气体传感器的应用半导体气体传感器主要应用于工业、家用领域中爆炸下限内可燃性气体及毒性气体的半定量、定性检测 导体气体传感器使用中必须避免的情况：1）暴露于有机硅蒸气中 如果传感器的表面吸附了有

13、机硅蒸气，传感器的敏感材料会被包裹住，抑制传感器的敏感性，并且不可恢复。传感器要避免暴露其在硅粘接剂、发胶、硅橡胶、腻子或其它含硅塑料添加剂可能存在的地方。2）高腐蚀性的环境传感器暴露在高浓度的腐蚀性气体（如H2S，SOX，Cl2，HCl等）中，不仅会引起加热材料及传感器引线的腐蚀或破坏，并会引起敏感材料性能发生不可逆的改变。,半导体气体传感器的原理及应用,3）碱、碱金属盐、卤素的污染 传感器被碱金属尤其是盐水喷雾污染后，及暴露在卤素如氟中也会引起性能劣变。4）接触到水 溅上水或浸到水中会造成敏感特性下降。5）结冰 水在敏感元件表面结冰会导致敏感材料碎裂而丧失敏感特性。6）施加电压过高 如果给

14、敏感元件或加热器施加的电压高于规定值，即使传感器没有受到物理损坏或破坏，也会造成引线和/或加热器损坏，并引起传感器敏感特性下降。7）电压加错管脚（仅限于旁热式系列）,半导体气体传感器的原理及应用,2、半导体气体传感器使用中应尽可能避免的情况 1）凝结水 轻微凝结水会对传感器性能会产生轻微影响。但是，如果水凝结在敏感元件表面并保持一段时间，传感器特性则会下降。2）处于高浓度气体中 无论传感器是否通电，在高浓度气体中长期放置，都会影响传感器特性。3）长期贮存 在不通电情况下长时间贮存，其电阻会产生可逆性漂移，这种漂移与贮存环境有关。传感器应贮存在清洁空气中。长期不通电贮存的传感器，在使用前需要长时

15、间通电以使其达到稳定。,半导体气体传感器的原理及应用,4）长期暴露在极端环境中 无论传感器是否通电，长时间暴露在极端条件下，如高湿、高温、或高污染等极端条件，传感器性能将受到严重影响。5）振动 频繁、过度振动会导致敏感元件引线产生共振而断裂。在运输途中及组装线上使用气动改锥/超声波焊接机会产生这种振动。6）冲击 如果传感器受到强烈冲击会导致其引线断线。,催化燃烧式气体传感器基本原理及应用,催化燃烧式气体传感器的基本工作方式：是由接触燃烧催化载体和感温元件铂丝螺旋圈制成的。其基本工作方式为：在一定的条件下（温度），被测可燃性气体到达传感器表面与吸附氧发生剧烈的无焰燃烧反应，放出大量的热，导致感温

16、线圈电阻发生变化，通过检测感温线圈电阻的变化实现对气体的检测，由于环境温度的变化也会引起感温线圈电阻的变化，因此，元件通常配对使用，其中一只为补偿元件（白元件）对气体无反应，另一只为检测元件（黑元件）可与气体发生反应，白元件用以抵消（补偿）环境因素带来的影响。当传感器周围的温度、湿度、压力发生变化时，检测元件和补偿元件的电阻几乎会发生同步变化，可有效抵消环境因素带来的影响。,催化燃烧式气体传感器基本原理及应用,催化燃烧式气体传感器基本原理及应用,催化燃烧式气体传感器的性能：1、灵敏度(Ve-V0)12mv/25%LEL 指在可燃性气体浓度为25%LEL时，惠斯通电桥的电压输出与其在空气中输出的

17、差。接触燃烧时气体传感器在灵敏度方面最大的特点即：在爆炸下限时同一只传感器对所有的气体具有相同的灵敏度。,2、响应、恢复时间响应时间：传感器接触被测气体后电桥输出变化达到稳定值所需要的时间。接触燃烧式气体传感器的响应时间一般会小于10s；恢复时间：传感器脱离被测气体后电桥输出电压值达到在空气当中的稳定值所需要的时间。接触燃烧式气体传感器的恢复时间一般小于30s 3、选择性 与半导体气体传感器基本相同，在已知的气体环境里可实现相对的选择性探测。其相对选择性要明显好于半导体气体传感器。尤其是对水蒸汽、乙醇蒸汽、烟雾的抗干扰能力较好,催化燃烧式气体传感器基本原理及应用,催化燃烧式气体传感器基本原理及

18、应用,4、线性：100%LEL以下灵敏度与浓度呈线性关系，由于热传导和吸附效应，在浓度较高时曲线会出现向下弯曲现象。5、稳定性：环境温度、湿度的变化会影响传感器的热平衡、另外干扰气体的影响、传感器载体材料、催化剂本身物理性质（颗粒）的变化等都会引起传感器特性的变化。（10%以内）,图7MC系列长期漂移曲线,从右图中可以看出在空气中变化不明显，但灵敏度有衰减，所以其要定期标定。最好3个月或者6个月标定一次，条件不好的最长不超过一年,催化燃烧式气体传感器基本原理及应用,6、初始稳定特性：和半导体气体传感器一样，催化燃烧时气体传感器在出厂之前要经过一定时间的老化以使其性能稳定。老化后的传感器在经过一

19、段时间的冷置存放后，使用时要经过1小时左右的预热稳定时间。7、功耗：同半导体气体传感器一样，接触燃烧式气体传感器工作时需要消耗一定的能量以保持工作温度。目前常见的接触燃烧式气体传感器的功耗在250mw-450mw。8、寿命：由于工作温度要高于半导体气体传感器，以及载体催化剂本身的缺陷，其使用寿命要比半导体的寿命要短（2-5年左右）。,催化燃烧式气体传感器基本原理及应用,催化燃烧式气体传感器的应用适用于工业、家用领域爆炸下限一下可燃气体的定性、半定量、定量检测。催化燃烧式气体传感器的输出特性本系列传感器可以检测多种可燃性气体，理想情况下，传感器的输出与被测可燃性气体的种类无关，事实上，由于不同的

20、可燃性气体具有不同的物理、化学性质，其在传感器表面发生无焰燃烧的程度是不同的，这种差异导致传感器对相同浓度的不同气体会有不同的信号输出。除少数几种气体外，在理想状态下，当传感器暴露在100%LEL 浓度的不同种类的可燃性气体中时,传感器的输出变化几乎是相同的。,催化燃烧式气体传感器基本原理及应用,催化燃烧式气体传感器基本原理及应用,催化燃烧式气体传感器在使用中必须避免的情况 1）暴露于有机硅蒸气中：有机硅蒸气会使传感器永久失效。传感器必须避免暴露在硅粘接剂、发胶、硅橡胶、腻子或含硅塑料环境中。2）高腐蚀性的环境：高浓度的腐蚀性气体（如H2S，SOX，Cl2，HCl等）不仅会导致传感器结构腐蚀，

21、还会使传感器灵敏度急剧衰减。3）碱金属、含卤素物种的污染：碱、碱金属盐、含卤素物种污染传感器表面后，会导致传感器性能劣变。4）接触到水：不可将水滴到传感器表面。5）结冰 要避免水在传感器表面结冰。,催化燃烧式气体传感器基本原理及应用,催化燃烧式气体传感器在使用中应尽可能避免的情况 1）凝结水：在室内使用条件下，轻微凝结水不会对传感器性能产生影响。如果水凝结在传感器表面并保持一段时间时，传感器性能会下降。2）使用在高浓度气体中：不论传感器通电与否，在高浓度气体中长期放置，都会影响传感器性能。3）长期贮存：不通电长时间贮存，会使传感器电阻产生可逆的漂移，这种漂移与贮存环境有关。传感器应贮存在有清洁

22、空气的非硅胶密封袋中。（注：当不通电贮存时间很长时，传感器在使用前也需要长时间预通电以使其达到稳定。）4）长期暴露在不利环境中：无论通电与否，如果传感器长时间暴露在极端条件下，如高湿、高温或高污染等环境中，传感器性能将受到不利的影响。5）振动：频繁振动会导致敏感元件或引线产生共振和断裂。,催化燃烧式气体传感器基本原理及应用,测量易燃易爆气体时氧气浓度是一个必须注意的问题。催化式传感器要求至少8-10%的氧气才能进行准确测量。而在100%可燃气浓度下，这种仪器的读数将是0%LEL！因此在测量规程中，要求在测量易燃易爆气体的%LEL 之前必须首先测量氧气浓度。这也是为什么要求在密闭空间测量中必须同

23、时测量氧气和LEL的原因。如果在完全无氧的情况下测量LEL值很容易得到错误的结果。催化燃烧传感器可以对大部分的可燃气体产生响应。特定气体在测量桥上燃烧产生的热量就反映了它的燃烧热，而后者会随各类物质性质改变。所以，不同物质即使在相同浓度下也会产生不同的仪器读数。通常，较大的分子会产生更多的燃烧热。另一方面，较小的分子更容易进入测量头的烧结结构进行反应。催化燃烧式传感器，尤其是测量%LEL 的传感器不适合于检测“较重的”或者长链的烷烃，特别是高闪点的物质。,催化燃烧式气体传感器基本原理及应用,一、什么是传感器中毒某些化学物质会抑制乃至毒化催化燃烧式可燃气传感器并导致其部分或完全丧失灵敏度。中毒可

24、以定义为永久性失效，而抑制则是可以在新鲜空气中可以恢复。因而，为了充分发挥仪器的性能，使用者要避免在含有可能毒化或抑制LEL传感器的环境中使用仪器。二、中毒机理某些物质对催化反应有毒化作用，其主要机理有二。在实际应用中，以上两种因素可能会同时出现，应尽量避免将传感器暴露其中。有些化合物会在检测元件催化剂上分解，其产物在活性位上形成阻挡层，当分解产物积累到一定程度，传感器将受到损害直至灵敏度消失，且不可恢复。这些物质包括:硫酸盐;硅树脂;磷酸盐；含铅、锑等的化合物。另外一些其他化合物,尤其是 H2S 和 卤代烃等,被称为催化剂毒物，这类物质可被检测元件催化剂强烈吸附，在毒物的强吸附状态下，催化剂

25、的活性位被占据，导致灵敏度下降甚至消失。但此毒化过程有一定的可逆性，传感器经高温清洗或在洁净空气中工作一段时间就可部分恢复原来的灵敏度。,电化学气体传感器的基本原理及应用,电化学气体传感器基本说明电化学传感器包括下面几部分：可以渗过气体但不能渗过液体的扩散式隔膜、酸性电解液槽、电极、管脚等，有些传感器还包括一个可以滤除干扰组份的滤膜。电化学式气体传感器的化学反应系统主要有三个电极组成：工作电极、参比电极和对电极，电极是由对被测气体具有催化作用的材料制成。W极工作电极，用于氧化反应；C极对电极，用于还原反应；R极参比电极，可提供恒电位。三电极设计：仪器测量的是在参比电极和工作（传感）电极之间的电

26、位变化，由于参比电极不参与反应，它保持着恒电位，此时电位的变化就同浓度的变化直接有关。传感器产生的电流直接同气体的浓度成正比，并且有很宽的线性测量范围。双电极设计：系统缺省了参比电极，保留了对电极和工作电极，意味着测量电极的电位要保持恒定，而实际上，由于在两个电极上发生的反应都会使电极极化，因而也限制了它们可以检测的浓度范围。电化学传感器的特点是体积小、耗电小、线性和重复性较好。最常见的电化学气体传感器有两种形式，即：定电位电解式和伽伐尼电池式,电化学气体传感器的基本原理及应用,定电位电解式电化学气体传感器的基本工作原理定电位电解式电化学气体传感器的基本原理：在一定的条件下（给定电位下）被测气

27、体通过透气膜到达传感器工作电极的表面被氧化，产生电子转移引起工作电极电位的变化，同时氧气在对电极被还原，引起对电极电位的变化，通过检测两电极之间电流的变化可实现对气体的检测。工作时参比电极提供恒电位，以保持工作电极稳定工作。参与电化学反应的物种是来源于环境的待测气体和氧气，传感器仅作为电化学反应的反应容器。当传感器确定时，反应生成的电流大小相应地取决于被测气体和氧气的扩散速度，气体的扩散速度则与气体分压、温度、风速等因素有关。,电化学气体传感器的基本原理及应用,电化学气体传感器的基本原理及应用,定电位电解式电化学气体传感器的性能灵敏度 定义为：传感器在检测回路中的给定条件下单位浓度的被测气体所

28、输出的电流。该类传感器在低浓度毒性气体探测领域具有良好的灵敏度。100nA/ppmCO响应、恢复特性 该类传感器有较长的响应恢复时间。一般情况下响应时间 30秒，恢复时间90秒。选择性 通过电位选择及采取其它措施，该类传感器能够实现一定的选择性。稳定性 易受环境温湿度的影响。线性 气体浓度和输出信号呈线性关系初始稳定特性 调试前须8小时左右的老化时间。寿命：与其它的气体传感器相比具有较短的寿命（1-2年）适用领域 适用于工业、家用领域的毒性气体的定量检测。,电化学气体传感器的基本原理及应用,伽伐尼电池式电化学气体传感器的基本工作原理伽伐尼电池式电化学气体传感器一般用于O2的检测，这类传感器通常

29、包括具有催化活性的贵重金属阴极，易极化的活泼金属阳极，酸、碱、盐的水溶液、或其它离子导体构成的电解质，密闭外壳，管脚等。氧气传感器的外壳是一个密闭容器并充满电解液，此密闭容器的顶部有一个毛细微孔，允许氧气通过并进入工作电极，此时氧气将在传感器内部被电解，导致传感器内部导电离子浓度发生变化。通过测量流过两电极的电解电流可以准确感知环境中氧气浓度的变化。在适当的范围内，电解电流与氧气浓度呈良好的线性关系。实现对O2浓度的检测。反应生成的电流大小相应地取决于氧气扩散速度，氧气的扩散速度则取决于氧分压和毛细孔孔径的大小。可外接一只已知电阻来测量产生的电势差，这样就可以准确测量出氧气的浓度。,电化学气体

30、传感器的基本原理及应用,伽伐尼电池式电化学气体传感器的特性稳定性 易受环境温湿度的影响。线性 气体浓度和输出信号呈线性关系初始稳定特性 调试前须至少8小时左右的老化时间。寿命：化学反应中，活泼金属铅参与到氧化反应中被不断消耗和钝化，使传感器具有一定的使用期限，当所有可利用的活泼金属铅全被氧化或钝化时，传感器将停止工作。通常氧气传感器的预期使用寿命为 1年，但也可以通过增加阳极铅的含量或限制接触阳极的氧气量来延长传感器的使用寿命。适用领域 适用于氧气定量检测。,电化学气体传感器的基本原理及应用,1、电化学传感器的选择性：此类传感器对要检测的气体有很高的灵敏度，但对其它干扰气体的灵敏度则可以很好的

31、分辨开，选择性主要通过以下几种手段来实现：针对不同的反应，采用不同的催化剂制备催化电极。由于每种气体都有各自的最佳反应电位，通过调节工作电极和参比电极间的偏置电压也可较好的提高传感器的选择性。针对干扰气体的物理化学性质选择合适的过滤层也可改善传感器的选择性。,电化学气体传感器的基本原理及应用,温度影响电化学传感器的信号随温度变化呈指数关系上升，大约是温度每上升10C，信号翻一倍。多数情况下可以忽略，但如果该应用涉及到浓度极低的气体，譬如对O3或CO的监测，任何一个因温度引起的信号变化都可能严重影响气体测量的准确性，这时，采用温度补偿措施就显得很重要。由于测量会消耗电极材料，所以这类传感器的寿命

32、同它所暴露的浓度有很大的关系。电化学传感器性能比较稳定、寿命较短、耗电很小、分辨率一般可以达到0.1ppm（随传感器不同有所不同）。它的温度适应性也比较差（一般可以在-20 到 50 C 间工作）。然而，它的读数温度变化的影响也比较大。所以很多这种仪器都有软硬件的温度补偿处理。,电化学气体传感器的基本原理及应用,请在使用规格允许量程范围内使用；气体灵敏度测定时，请在洁净的大气中进行；直接把测定气体对传感器的通气面强烈吹风的状态下测定时，对气体的灵敏度将会很高。气体灵敏度测定时，应避免测定气体从正面吹来；气体的通气面不要阻塞、不要污染，有时孔堵塞是导致灵敏度低下的原因；不可过度的撞击或震动；外壳

33、有损伤等情况下请不要使用；高浓度的气体环境中长时间使用后恢复到初期状态较缓慢；传感器避免接触有机溶剂、涂料、药剂、油类及高浓度气体；使用前必须老化不少于24小时，安装时禁用锡焊。避免受到强电磁干扰,电化学气体传感器的基本原理及应用,电化学传感器的主要缺点是干扰。当然在设计上，我们会尽可能排除或减少其它气体的干扰。比如，一氧化碳传感器对硫化氢的相对响应是3.5:1.0，这意味着10ppm 的硫化氢可能在一个一氧化碳传感器上的读数是103.5 或者35ppm。无论如何，测量干扰还是存在的。在某些情况下，干扰是正常的，传感器的读数比实际值要大；有些则相反。还原性气体，比如硫化氢和一氧化碳会在电极上氧

34、化，而氧化性气体，比如氯气、二氧化氮和臭氧，则在电极上还原。由于它们不同的行为，它们的干扰也就有所不同。用户应当对这些干扰有一些了解，举一个例子，氯气传感器会对10ppm的硫化氢有大约0.3ppm的读数，或者说，如果测量时存在10ppm 的硫化氢，那么氯气的读数应当“去除”0.3ppm。,电化学气体传感器的基本原理及应用,热线式气体传感器基本原理,热线式气体传感器基本工作原理基本原理：在一定的条件下，被测气体到达半导体表面并与半导体表面的吸附氧及半导体材料本身的晶格氧发生氧化还原反应，反应过程中的自由电荷浓度的变化，导致半导体电阻的变化，反应过程中释放的热量导致感温元件电阻的变化，两电阻是并联

35、的关系，通过测量二者的总变化就可以实现对气体的检测。为了减少环境因素的影响，它和催化元件一样需要配对使用。,和催化和半导体的区别？,热线式气体传感器基本原理,1、灵敏度：(Ve-V0)60mv/6%LEL 指在可燃性气体浓度为6%LEL时，惠斯通电桥的电压输出与其在空气中输出的差为60mv。热线型气体传感器与催化燃烧式气体传感器在灵敏度方面主要区别即：热线型气体传感器在低浓度时就有较高的灵敏度，线形度。,图16MR511灵敏度曲线,热线式气体传感器基本原理,2、响应、恢复时间：15s，30s 3、选择性：与半导体气体传感器相 4、稳定性：基本同半导体（20%以上）5、线性：灵敏度与浓度呈指数关

36、系，在浓度较高时曲线会出现饱和现象。基本同半导体6、初始稳定特性：和半导体气体传感器一样，热线式气体传感器在出厂之前要经过一定时间的老化以使其性能稳定。7、功耗：同半导体气体传感器一样，需要消耗一定的能量保持工作温度。常见的热线式气体传感器的功耗在350mw左右。8、寿命：由于其更多的表现为半导体的性质，因此其使用寿命和半导体敏感元件的寿命一样长。9、适用领域：由于其具有更高的灵敏度，因此其适用于工业、家用领域爆炸下限一下更低浓度的可燃气体的定性、半定量。,热传导式气体传感器基本原理,热导式传感器可以测量0100%VOL 的易燃易爆气体浓度。这是一个双臂热导平衡检测器，它通过测量相对于空气的不

37、同浓度的易燃易爆气体的热导性质检测体积浓度比。最新的技术是将催化燃烧式传感器和热导式传感器放在一起，即双量程易燃易爆气体传感器。它可以分段既测量%LEL，也可以测量%VOL。基本原理：不同的气体在相同的条件下具有不同的热传导率，在一定的条件下，被测气体浓度或组分的变化导致元件工作环境热传导率发生变化，从而引起元件表面温度的变化，进一步导致感温元件电阻变化，通过测量感温电阻的变化实现对气体浓度的检测。工作时为了抵消环境温度的变化，通常配对使用。,热传导式气体传感器基本原理,1、灵敏度在以空气为载气时，在相同的条件下，待测气体热传导系数与空气差别越大，单位浓度气体的输出变化也就越大，即灵敏度越高。

38、如同为10%vol的甲烷和氢气，元件的输出分别为15mV及25mV。此传感器对低浓度气体响应很低，只能检测1%vol以上浓度的气体。,图 21 热传导元件的灵敏度曲线,热传导式气体传感器基本原理,2、选择性：无本质的选择性，只能在特定的环境中实现相对的选择性。3、稳定性：环境温度、湿度的变化会影响传感器的热平衡、另外干扰气体的影响等都会引起传感器特性的变化。（10%以内）4、响应恢复时间：10s；30s 5、线性：100%vol内呈线性关系，由于不可避免的热辐射，气体浓度高时元件的输出曲线也会向下弯曲。6、初始稳定特性：由于传感器不吸附气体，其初始稳定时间较快，不论放置多长时间，通电老化30分

39、钟就能充分稳定。7、寿命：本类元件不含活性物质，不与气体发生化学反应，无灵敏度衰减现象。其寿命超过十年。8、适用领域：主要用于工业场所、野外等需要检测高浓度气体的场所。,红外原理传感器基本原理,一、基本原理：对2-10m波长范围的红外光，不同异核气体分子由于旋转和振动对不同波长的红外光有特异吸收，当红外光透过被测气体时，检测红外光谱的缺失及光强度的变化可以实现对气体的检测。二、主要性能1、灵敏度 红外线气体分析仪的灵敏度可在几十ppm到纯的待测气体间。2、响应恢复时间 由于分析仪器存在气室，其响应恢复时间较慢，在60s以内。3、选择性 通过滤光片、光源的选择，红外线分析仪器可实现较好的选择性。4、稳定性 红外线分析仪器也受环境温度、湿度变化的轻微影响，其漂移量会在5%以内。,红外原理传感器基本原理,5、线性 其初始输出信号也是非线性的，由于红外线分析仪的漂移较小，可通过电路将非线性信号处理成线性输出信号。6、初始稳定特性 由于分析仪的气室要达到热平衡，在使用前须预热30分钟以上。7、寿命 红外线气体分析仪器的寿命较长，一般情况下会大于10年8、适用领域 适用于工厂、环保、农业等需要精确测量气体浓度的场合。,谢谢大家！,