1、艾 驰 商 城 官 网 -专 业 的 工 业 品 网 购 平 台 http:/ 类 气 体 传 感 器 介 绍一 、 引 言广义的说，传感器（Transducer 或 Sensor）是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件或装置，在有些国家或科学领域，也将传感器称为变换器、检测器或探测器等。将物理量或化学量得变化转变成电信号是传感器的最终目的。国际电工委员会（IEC：International Electrotechnical Committee）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” 。国家标准 GB 776587 给传感器的定义是：能感
2、受规定的被测量并按照一定的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。此处的可用输出信号，一般即指易于处理和传输的电信号。从这个角度也可以说传感器即为将非电信号转换成电信号的器件。当然，可以预料，将来的“可用信号 201D 或许是光信息或者是更先进、更实用的其他信息。本文主要介绍气体传感器的工作原理及应用场合，并对气体传感器的发展方向进行一些介绍。二 、 工 作 原 理传感器之所以具有能量信息转换的机能，在于它的工作机理是基于各种物理的、化学的和生物的效应，并受相应的定律和法则所支配。了解这些定律和法则，有助于我们对传感器本质的理解和对新效应传感器的开发。传感器工作物理基
3、础的基本定律和法则有以下四种类型：（1）守恒定律。包括能量、动量、电荷量等守恒定律。这些定律，是我们探索、研制新型传感器时，或在分析、综合现有传感器时，都必须严格遵守的基本法则。（2）场的定律。包括运动长的运动定律，电磁场的感应定律等，气相互作用与物体在空间的位置及分布状态有关。一半可由物理方程给出，这些方程可做诶许多传感器工作的数学模型。例如：利用静电场定律研制的电容式传感器；利用电磁感性定律研制的自感、互感、电涡流式传感器；利用运动定律与电池感应定律研制的磁电式传感器等。利用场的定律构成的传感器，其形状、尺寸（结构）决定了传感器的量程、灵敏度等主要性能，故此类传感器可统称为“结构型传感器”
4、 。（3）物质定律。它是表示各种物质本身内在性质的定律（如胡克定律、欧姆定律等） ，通常以这种物质所固有的物理常数加以描述。因此，这些常数的大小决定着传感器的主要性能。如：利用半导体物质法则压阻、热阻、磁阻、光阻、湿阻等效应，可分别做成压敏、热敏、光敏、湿敏等传感器件；利用压电晶体物质法则压电效应，可制成压电、声表面波、超声波传感器等等。这种基于物质定律的传感器，可统称为“物性型传感器” 。这是当代传感器技术领域中具有广阔发展前景的传感器。（4）统计法则。它是把围观系统与宏观系统联系起来的物理法则。这些法则，常常与传感器的工作状态有关，它是分析某些传感器的理论基础。这方面的研究尚待进一步深入。
5、气体传感器（Gas Sensor）是以气敏器件为核心组成的能把气体成分转换成电信号的装置。它具有响应快，定量分析方便，成本低廉，实用性广等优点，应用越来越广。气体种类繁多，性质各异，因此，气体传感器种类也很多。按待检气体性质可分为：用于检测易燃易爆气体的传感器，如氢气、一氧化碳、瓦斯、汽油挥发气等；用于检测有毒气体的传感器，如氯气、硫化氢、砷烷等；用于检测工业过程气体的传感器，如炼钢炉中的氧气、热处理炉中的二氧化碳；用于检测大气污染的传感器，如形成酸雨的 NOx、CH 4、O 3，家庭污染如甲醛等。按气体传感器的结构还可分为干式和湿式两类；按传感器的输出可分为电阻式和费电阻式两类；按检测院里可
6、分为电化学法、电气法、光学法、化学法几类，如图：艾 驰 商 城 官 网 -专 业 的 工 业 品 网 购 平 台 http:/ 型、电容型)。电阻型气敏器件的原理是气体分子引起敏感材料电阻的变化；非电阻型气敏器件主要有 M()s 二极管和结型二极管以及场效应管(M()SFET)，它利用了敏感气体会改变 MOSFET 开启电压的原理，其原理结构与 ISFET 离子敏传感器件相同。电阻型半导体气敏器件1作用原理人们已经发现 SnO2、ZnO、Fe 2O3、Cr 2O3、MgO、NiO 2等材料都存在气敏效应。用这些金属氧化物制成的气敏薄膜是一种阻抗器件，气体分子和敏感膜之间能交换离子，发生还原反应
7、，引起敏感膜电阻的变化。作为传感器还要求这种反应必须是可逆的，即为了消除气体分子还必须发生一次氧化反应。传感器内的加热器有助于氧化反应进程。SnO 2薄膜气敏器件因具有良好的稳定性、能在较低的温度下工作、检验气体种类多、工艺成熟等优点，是目前的主流产品。此外，Fe 2O3也是目前广泛应用和研究的材料。除了传统的 SnO、SnO 2和 Fe2O3三大类外，目前又研究开发了一批新型材料，包括单一金属氧化物材料、复合金属氧化物材料以及混合金属氧化物材料。这些新型材料的研究和开发，大大提高了气体传感器的特性和应用范围。选择性是气体传感器的关键性能。如 SnO2薄膜对多种气体都敏感，如何提高 SnO2气
8、敏器件的选择性和灵敏度一直是研究的重点。主要措施有：在基体材料中加入不同的贵金属或金属氧化物催化剂，设置合适的工作温度，利用过滤设备或透气膜外过滤敏感气体。在 SnO2材料内掺杂是改善传感器选择性的主要方法，添加 Pt、Pd、Ir 等贵金属不仅能有效地提高元件的灵敏度和响应时间，而且，催化剂不同，导致不同的吸附倾向，从而改善选择性。例如在 SnO2气敏材料中掺杂贵金属 Pt、Pd、Au 可以提高对 CH4的灵敏度，掺杂 Ir 可降低对 CH4的灵敏度，掺杂 Pt、Au 提高对 H2的灵敏度，掺杂 Pd 降低对 H2的灵敏度。工作温度对传感器的灵敏度有影响。下图左图为 SnO2气敏器件对各种气体
9、温度的电阻特性曲线。由图可见，器件在不同温度下对各种气体的灵敏度不同，利用这一特性可以识别气体种类。艾 驰 商 城 官 网 -专 业 的 工 业 品 网 购 平 台 http:/ SnO2的气敏特性也有很大的影响。如在 SnO2中添加 ThO2，改变烧结温度和加热温度就可以产生不同的气敏效应。按质量计算，在 SnO2中加入 35的 ThO2，5的 Sm2在 600的 H2气氛中烧结，制成厚膜器件，工作温度为 400。则可作为 CO 检测器件。上图右图是烧结温度为 600时气敏器件的特性。可看出，工作温度在 170200范围内，对 H2的灵敏度曲线呈抛物线，而对 CO 改变工作温度则影响不大，因
10、此，利用器件这一特性可以检测 H2。而烧结温度为 400制成的器件，工作温度为200时，对 H2、CO 的灵敏度曲线形状都近似呈直线，但对 CO 的灵敏度要高得多，可以制成对 CO 敏感的气体传感器。2结构及参数SnO2电阻型气敏器件通常采用烧结工艺。以多孔 SnO2陶瓷为基底材料，再添加不同的其他物质，用制陶工艺烧结而成，烧结时埋入加热电阻丝和测量电极。此外，也有用蒸发和溅射等工艺制成的薄膜器件和多层膜器件，这类器件灵敏度高，动态特性好。还有采用丝网印刷工艺制成的厚膜器件和混合膜器件，这类器件具有集成度高，组装容易，使用方便，便于批量生产的优点。下图是电阻型气体传感器的一种典型结构，它主要南
11、 SnO2敏感元件、加热器、电极引线、底座及不锈钢网罩组成。这种传感器结构简单，使用方便，可以检测还原性气体、可燃性气体、蒸气等。电阻型气体传感器的主要特性参数有：(1)固有电阻 R0和工作电阻 Rs 固有电阻 Ro 又称正常电阻，表示气体传感器在正常空气条件下的阻值。工作电阻 Rs 表示气体传感器在一定浓度被测气体中的阻值。(2)灵敏度 S 通常用 S=RsR 0表示，有时也用两种不同浓度 C1、C 2)检测气体中元件阻值之比来表示：S=Rs(C 2)R 0(C1)。(3)响应时间 T1 反映传感器的动态特性，定义为传感器阻值从接触一定浓度的气体起到该浓度下的稳定值所需时间。也常用达到该浓度
12、下电阻值变化率的 63时的时问来表示。(4)恢复时问 T2 又称脱附时间。反映传感器的动态特性，定义为传感器从脱离检测气体起，直到传感器电阻值恢复至正常空气条件下的阻值，这段时间称为恢复时间。(5)加热电阻 RH和加热功率 PH RH为传感器提供工作温度的电热丝阻值，P H为保持正常工作温度所需要的加热功率。电阻型气体传感器具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。不足之处是必须工作于高温下，对气体的选择性较差，元件参数分散，稳定性不够理想，功率要求高，当探测气体中混有硫化物时，容易中毒。艾 驰 商 城 官 网 -专 业 的 工 业 品 网 购 平 台
13、 http:/ MOSFET 型两种。1结型气敏器件结型气敏传感器件又称气敏二极管，这类气敏器件是利用气体改变二极管的整流特性来工作的。其结构如下图左图所示。它的原理是：贵金属 Pd 对氢气具有选择性，它与半导体接触形成接触势垒。当二极管加正向偏压时，从半导体流向金属的电子将增加，因此正向是导通的。当加负向偏压时，载流子基本没有变化，这是肖特基二极管的整流特性。在检测气氛中，由于对氢气的吸附作用，贵金属的功函数改变，接触势垒减弱导致载流子增多，正向电流增加，二极管的整流特性曲线会发生左移。下图右图为 PdTiO2气敏二极管在不同浓度 H2的空气中的特性曲线。因此，通过测量二极管的正向电流可以检
14、测氢气浓度。艾 驰 商 城 官 网 -专 业 的 工 业 品 网 购 平 台 http:/ 型气敏器件气敏二极管的特性曲线左移可以看作二极管导通电压发生改变，这一特性如果发生在场效应管的栅极，将使场效应管的阈值电压 UT改变。利用这一原理可以制成 MOSFET 型气敏器件。氢气敏 MOSFET 是一种最典型的气敏器件，它用金属钯(Pd)制成钯栅。在含有氢气的气氛中，由于钯的催化作用，氢气分子分解成氢原子扩散到钯与二氧化硅的界面，最终导致 MOSFET 的阈值电压 UT发生变化。使用时常将栅漏短接，可以保证 MOSFET 工作在饱和区，此时的漏极电流 ID=(U GSUT)2，利用这一电路可以测
15、出氢气的浓度。氢气敏 MOSFET 的特点有：(1)灵敏度 当氢气浓度较低时，氢气敏 MOSFET 灵敏度很高，1ppm 氢气浓度变化，U T的值可达到10mV，当氢气浓度较高时，传感器的灵敏度会降低。(2)对气体选择性 钯原子间的“空隙”恰好能让氢原子通过，因此，钯栅只允许氢气通过，有很好的选择性。(3)响应时间 这种器件的响应时间受温度、氢气浓度的影响，一般温度越高，氢气浓度越高，响应越快，常温下的响应时间为几十秒。(4)稳定性实际应用中，存在 UT随时间漂移的特性，为此，采用在 HCl 气氛中生长一层 SiO2绝缘层，可以显著改善 UT的漂移。除氢气外，其他气体不能通过钯栅，制作其他气体
16、的 PdMOSFET 气敏传感器要采用一定措施，如制作 CO 敏 MOSFET 时要在钯栅上制作约 20nm 的小孔，就可以允许 CO 气体通过。另外，由于 PdMOSFET 对氢气有较高的灵敏度，而对 CO 的灵敏度却较低，为此可在钯栅上蒸发一层厚约 20nm 的铝作保护层，阻止氢气通过。钯对氨气分解反应的催化作用较弱，为此，要先在 SiO2绝缘层上沉淀一层活性金属，如Pt、Ir、La 等。再制作钯栅，可制成氨气敏 MOSFET。3固体电解质气体传感器固体电解质是一种具有与电解质水溶液相同的离子导电特性的固态物质，当用作气体传感器时，它是一种电池。它无需使气体经过透气膜溶于电解液中，可以避免
17、溶液蒸发和电极消耗等问题。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，几乎在石化、环保、矿业、食品等各个领域都得到了广泛的应用，其重要性仅次子金属氧化物一半导体气体传感器。1固体电解质氧气传感器原理同体电解质在高温下才会有明显的导电性。氧化锆(ZrO 2)是典型的气体传感器的材料。纯正的氧化锆在常温下是单斜晶结构，当温度升到 1000左右时就会发生同质异晶转变，由单斜晶结构变为多晶结构，并伴随体积收缩和吸热反应，因此是不稳定结构。在 ZrO2中掺入稳定剂如：碱土氧化钙 CaO 或稀土氧化钇 Y2O3，使其成为稳定的荧石立方晶体，稳定程度与稳定剂的浓度有关。ZrO 2加入稳定剂后在 l800气氛下
18、烧结，其中一部分锆离子就会被钙离子替代，生成(ZrOCaO)。由于 Ca2+是正二价离子，Zr 4+是正四价离子，为继续保持电中性，会在晶体内产生氧离子 O2-空穴，这是(ZrOCaO)在高温下传递氧离子的原因，结果是(ZrOCaO)在 300800成为氧离子的导体。但要真正能够传递氧离子还必须在固体电解质两边有不同的氧分压(氧位差)，形成所渭的浓差电池。其结构原理如右图所示，两边是多孔的贵金属电极，与中间致密的 ZrOCaO 材料制成夹层结构。设电极两边的氧分压分别为 PO2(1)、P O2(2)，在两电极发生如下反应：(+)极：P O2(2)，2O 2-O 2+4e(-)极：P O1(1)
19、，O 2+4e2O 2-艾 驰 商 城 官 网 -专 业 的 工 业 品 网 购 平 台 http:/ 可见，在一定温度下，固定 PO2(1)，有上式可求出传感器(+)极待测氧气的浓度。固定 PO2(1)实际上是(-)极形成一个电位固定的电极，即参比电极，有气体参比电极和共存相参比电极两种。气体参比电极可以是空气或其他混合气体，如：H 2一 H2O，CO 一 CO2也能形成固定的 PO2(1)。共存相参比电极是指金属-金属氧化物、低价金属氧化物-高价金属氧化物的混合粉末(固相)，这些混合物与氧气(气相)混合发生氧化反应能形成同定的氧压，因此也能作为参比电极。除了测氧外，应用 一 Al2O3、碳
20、酸盐、NASICON 等固体电解质传感器，还可用来测 CO、SO 2、NH 4等气体。近年来还出现了锑酸、La 3F 等可在低温下使用的气体传感器，并可用于检测正离子。4其他气体传感器随着科技进步和生产、环境保护以及制造技术的发展，新型气体传感器不断推出，极大地改观了气体传感器的面貌。新型气体传感器大致可分为两类：采用新材料(如高分子气体传感器)和新原理(如光学气体传感器)等。1采用新材料的气体传感器主要是采用高分子材料作为气敏元件，根据所采用的换能器可分为以下四类：(1)高分子电阻式气体传感器 该类传感器是通过测量高分子气敏材料的电阻来测量气体的体积分压，目前主要有酞菁聚合物、聚吡咯等。(2
21、)浓差电池式气体传感器 典型材料是聚乙烯醇 2 磷酸，其吸收气体后具有离子导电能力，可制成浓差电池。(3)声表面波(SAW)式气体传感器 典型材料有聚异丁烯、氟聚多元醇等。这类材料能吸附挥发性有机化合物(VOC)。被吸附的分子增加了传感器的质量，使声波在材料表面上的传播速度或频率发生变化，通过测量声波的速度或频率来测量气体体积分数。可用来测量苯乙烯和甲苯等有机物的蒸汽。(4)石英振子式气体传感器 石英振子微秤(QCM)由直径为数微米的石英振动盘和制作在盘两边的电极构成。当振荡信号加在器件上时，器件会在它的特征频率(130MHz)发生共振。振动盘上淀积了有机聚合物，聚合物吸附气体后，使器件质量增
22、加，从而引起石英振子的共振频率降低，通过测定共振频率的变化来识别气体。高分子气体传感器对特定气体分子的灵敏度高、选择性好，结构简单，可在常温下使用，克服其他气体传感器的不足，发展前景良好。2光学式气体传感器包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型、光纤化学材料型等，主要以红外吸收型气体分折仪为主。由于不同气体的红外吸收峰不同，可通过测量和分析红外吸收峰来检测气体。已经研制开发了流体切换式、流程直接测定式和傅立叶变换式在线红外分析仪。近年来还开展了微生物气体传感器和仿生气体传感器的研究。下图为各气体传感器的测试范围总结：艾 驰 商 城 官 网 -专 业 的 工 业 品 网 购 平 台 http:/ 、
23、 应 用 实 例一、气体传感器在火灾探测中的应用：燃烧产生的可用作火灾报警的燃烧释放气体主要有CO、CO 2 、NOx、CH 4 、H2 2、H 2O、胺(-NH 2) 等,目前可以用作探测可燃性气体或火灾燃烧释放气体的气体传感器主要有:半导体气体探测器, 红外吸收式气体传感器,电化学传感器以及正在发展的智能气体传感器或电子鼻。1.半导体气体探测器主要采用上面已经介绍过的SnO 2型半导体气体传感器。工作原理已经介绍过，不再赘述。艾 驰 商 城 官 网 -专 业 的 工 业 品 网 购 平 台 http:/ ,敏感元件的阻值R 与空气中被测气体的浓度C 成对数关系变化:LogR = mLogC
24、 + n (m、n 均为常数)m表示随气体浓度而变化的传感器的灵敏度(也称之为气体分离率) ,对于可燃性气体来说,m 值多数介于1/ 2 至1/ 3 之间) ,n 与气体灵敏度有关,除了随传感器材料和气体种类不同而变化外,还会由于测量温度和激活剂的不同而发生大幅度的变化。这种气体传感器可以检测甲烷、丙烷、一氧化碳、氢气、酒精、硫化氢等可燃性气体,并具有检测灵敏度高、响应速度快、实用价值大等优点。2.红外吸收式气体传感器红外吸收式气体传感器原理基于Lambert-Beer定律,即若对两个分子以上的气体照射红外光,则分子的动能发生变化,吸收特定波长光,这种特定波长光是由分子结构决定的,由该吸收频谱
25、判别分子种类,由吸收的强弱可测得气体浓度。信号探测部分主要由发射器、探测室和接受器组成,在正常情况下,发射器发送检测气体对应特定吸收波长的脉冲红外光束,经过气体探测室照射到接收器的光敏元件上。探测室可做成吸收式以提高传感器的灵敏度并缩短响应时间。当检测气体进入探测室,接收器接收经由检测室气体吸收衰减的红外辐射能量,从而由红外特征波长得知气体的种类,由气体吸收红外光束能量的强弱得知气体的浓度。该类传感器具有高抗振能力和抗污染能力,与计算机相结合,能连续测试分析气体,能够实现自动校正、自动运行的功能。红外吸收式气体传感器可以检测多种气体,且具有灵敏度高、气体选择性好、可靠性好、响应速度快等优点。3
26、. 电化学式气体传感器电化学式气体传感器可分为原电池式,定电位电解式、电量式、离子电极式四种类型。定电位式传感器是通过测量电解时流过的电流来检测气体的浓度,和原电池式不同的是,它需要由外界施加特定电压,能检测CO、NO、NO 2、O 2、SO 2等气体。电量式气体传感器通过被测气体与电解质反应产生的电流来检测气体的浓度。离子电极式气体传感器出现得较早,通过测量离子极化电流来检测气体的浓度。电化学式气体传感器主要的优点是检测气体的灵敏度高,选择性好。表2 为以上三种气体传感器性能比较。下面是三种传感器的对比：检测方式灵敏度可靠性气体选择性相应速度 稳定性处理简易度采样系统经济性测量范围 维护保养
27、辅助气体半导体式很好好 好 很好 较好 很简单不要 价格很低10x10-6LEL几乎不要不要红外吸收式较好好 很好 好 好 较复杂必要 差 1x10-6100%必要 不要定电位电解式好 好 好 好（2030s）好 简单 必要 中等 大 经常 必要LEL-地爆炸极限（Low Explosion Limit）4智能气体传感器智能气体传感器又名电子鼻,其工作原理是建立在模拟人的嗅觉形成过程基础上的,如下图3所示：(1) 气敏传感器阵列,相当于初级嗅觉神经元。由具有广谱响应特性、交叉灵敏度较大、对不同气味气体灵敏度不同的气敏元件组成。通常,气敏传感器阵列可以采用集成工艺制作专用的气敏传感器阵列,这种阵
28、列体积小,功耗低,便于信号的集中采集与处理。单个气敏传感器与传感器阵列在特性上有质的区别,艾 驰 商 城 官 网 -专 业 的 工 业 品 网 购 平 台 http:/ 信号预处理单元,它对传感器阵列的响应模式进行预加工,完成特征提取。如在气味或气体的定性辨识中,采用归一化算法可在一定程度上消除浓度对传感器输出的影响。(3) 模式识别单元,相当于动物和人类的大脑,它运用一定的算法完成气味或气体的定性定量辨识. 电子鼻中,模式识别算法有:相关算法、最小二乘法、聚类方法、主成分分析法、偏最小二乘法、人工神经网络法模糊逻辑法等。模式识别过程可以概括为建立已知气味的信息数据库、处理待测气味信息、提取待
29、测气味信息的特征、特征分类和判定等5 个步骤 。电子鼻可在多种气体共存的复杂混合气体中定量地对多种气体进行识别分析,灵敏度可达几个ppb ,具有智能、小型化等优点,具有广泛而重要的应用前途。特殊场所可燃气体火灾探测：在煤矿、石油、化工等企业,一旦发生可燃气体泄漏,极易造成大面积火灾并引发爆炸事故,所以在这些场所对煤气、天然气、液化气等可燃性气体进行气体泄漏检测,可以做到极早期地预防灾害的发生。可燃气体监测原理是:针对某种具体的易燃易爆气体,选择对该气体具有一定选择性、灵敏度高、响应时间短的气体传感器,将气体传感器安装在生产、储备、使用等车间场所中,及时检测气体含量,如果可燃性气体含量达到预先设
30、定阈值或气体浓度达到气体最低爆炸浓度界限,通过控制器启动报警装置或联动保护系统,从而达到预防火灾灾害、减小爆炸危险的目的。现行的可燃气体探测器一般都是点型气体探测器,在实际应用中存在寿命短、易中毒、探测器面积小等缺陷,因此目前现场应用一般只限于在重点位置安放。基于气体分子红外吸收原理的大面积可燃气体探测器在90 年代初期由英国西格公司首创,沈阳消防科研所填补了我国在此项技术领域的空白,自行研制开发了线型红外可燃气体探测器,采用双波段实现对可燃气体的探测,一对探测器的最远探测距离可达80m ,探测灵敏度高、响应速度快,不会因某种气体中毒而损坏器件,也不会因可燃气体浓度过高而降低性能。由于该系统采
31、用了双波段互补技术、信号窄脉冲同步分离技术、探测器工作点自动调整技术,最大限度地消除了灰尘、雨、雪、雾等自然环境对系统工作的影响,较好地解决了系统在较恶劣环境下长期稳定运行问题。其探测效率、寿命、性能稳定都远优于目前应用的点型可燃气体控制器。多参数复合火灾探测利用传统火灾探测器如感烟探测器等和气体传感器结合形成多元复合火灾探测技术,可以实现早期火灾可靠探测,从而改善火灾探测的准确度并降低误报率。高 灵 敏 度 的 光 声 火 灾 气 体 探 测艾 驰 商 城 官 网 -专 业 的 工 业 品 网 购 平 台 http:/ 用 光 声 气 体 传 感 器 的 高 灵 敏 度 、 快 速 响 应
32、等 优 点 ,可 以 对 微 量 火 灾 气 体 进 行 探 测 从 而 实现 火 灾 早 期 预 报 。 这 种 气 体 传 感 器 原 理 是 :气 体 吸 收 入 射 脉 冲 调 制 红 外 光 束 后 产 生 声 波 ,通 过对 声 波 信 号 检 测 得 知 气 体 浓 度 。 下 图 左 为 Nebiker 等 人 开 发 的 一 种 光 声 火 灾 气 体 检 测 装 置 ,通过 控 制 真 空 灯 泡 脉 冲 电 流 得 到 脉 冲 调 制 的 红 外 光 源 ,这 种 脉 冲 光 源 省 略 了 斩 波 器 、 马 达 等 设 备 ,而 且 可 以 由 灯 泡 的 亮 度 、
33、 灯 泡 的 温 度 、 脉 冲 宽 度 来 实 现 红 外 光 源 的 可 靠 稳 定 。 当 检 测 气 体 进 入 约1cm3 大 小 的 检 测 室 后 ,在 气 体 吸 收 波 长 脉 冲 光 源 作用 下 产 生 声 波 ,通 过 微 音 器 检 测 送 入 放 大 处 理 电 路 ,经 过 数 字 处 理 后 得 到 气 体 的 浓 度 。 如 下 图 右 ,利用 这 种 光 声 火 灾 气 体 检 测 装 置 对 欧 洲 实 验 火 TF2 气 体 浓 度 进 行 测 量 发 现 ,在 阴 燃 阶 段 CO 浓度 即 表 现 了 一 定 程 度 的 增 长 ,而 CO2 增 长
34、 较 慢 ,当 阴 燃 转 为 明 火 时 ,CO2 气 体 浓 度 显 著 增 加 , 同时 CO 气 体 浓 度 显 著 减 少 ,在 整 个 过 程 中 ,始 终 有 少 量 CH4 气 体 的 释 放 ,最 高 浓 度 可 达 20ppm 左右 。 实 验 证 明 光 声 气 体 探 测 器 能 探 测 火 灾 早 期 现 象 ,在 火 灾 探 测 领 域 有 极 大 的 发 展 和 应 用 前景 。智 能 火 灾 探 测智 能 火 灾 探 测 是 指 探 测 系 统 采 用 有 模 糊 逻 辑 算 法 和 神 经 网 络 智 能 化 算 法 以 及 它 们 的 复 合 算 法 ,能
35、够 根 据 现 场 环 境 自 动 调 整 运 行 参 数 ,即 具 有 自 学 习 功 能 和 自 适 应 能 力 ,同 时 对 信 号 的 处 理 、报 警 的 确 定 以 及 联 动 逻 辑 等 功 能 都 采 取 智 能 算 法 ,从 而 更 接 近 人 的 感 观 和 实 际 情 况 ,提 高 火 灾报 警 和 联 动 控 制 的 准 确 性 和 可 靠 性 。 智 能 气 体 探 测 技 术 近 年 来 在 火 灾 探 测 领 域 得 到 的 一 定 程 度 的发 展 ,最 早 的 电 子 鼻 火 灾 探 测 器 成 功 地 区 分 出 了 燃 着 的 香 烟 和 燃 烧 各 种
36、木 材 的 气 味 ,如 区 分 出橡 木 、 红 木 和 火 柴 梗 燃 烧 的 不 同 气 味 。 目 前 利 用 人 工 神 经 网 络 软 件 智 能 火 灾 气 体 探 测 器 已 能 随 机自 动 辨 认 各 类 火 灾 气 体 ,下 一 步 工 作 是 对 多 种 类 型 火 灾 的 辨 认 能 力 、 失 报 条 件 、 早 期 报 警 能 力 和执 行 持 续 性 监 测 的 工 程 技 术 问 题 进 行 深 入 研 究 。 电 子 鼻 技 术 在 火 灾 探 测 领 域 的 研 究 将 拓 展 气 体 传感 器 的 研 究 领 域 ,扩 大 气 体 传 感 器 的 应 用
37、 范 围 ,提 高 火 灾 探 测 的 智 能 化 和 可 靠 性 。二 、 酒 精 测 试 仪酒 精 测 试 仪 的 电 路 如 下 图 所 示 ,该 测 试 仪 只 要 被 试 者 向 传 感 器 探 头 吹 一 口 气 ,便 可 显 示 出醉 洒 的 程 度 。 气 体 传 感 器 可 选 用 TGS812。 IC 为 显 示 驱 动 电 路 ,其 输 出 端 连 接 发 光 二 极 管 , 发 光 二 极 管 可 采 用 不 同 颜 色 ,以 区 分 酒 精 浓 度 。 当 气 体 传 感 器 探 不 到 酒 精 时 ,QM 的 1、 4 间 电阻 较 大 ,使 IC5 脚 的 电 平
38、 为 低 电 平 ,IC 不 工 作 ,发 光 二 极 管 不 亮 ;当 气 体 传 感 器 探 测 到 酒 精 时 ,1、 4 间 电 阻 变 低 ,从 而 使 IC5 脚 电 平 变 高 ,推 动 IC 工 作 , 驱 动 发 光 二 极 管 点 亮 。 酒 精 含 量 越 高 ,则QM 的 电 阻 阻 值 越 小 ,IC5 脚 的 电 平 越 高 ,依 次 点 亮 发 光 二 极 管 就 多 。艾 驰 商 城 官 网 -专 业 的 工 业 品 网 购 平 台 http:/ 、 家 庭 燃 气 报 警 器家 庭 燃 气 报 警 器 的 组 成 如 下 图 所 示 。 洁 净 空 气 中 ,
39、气 敏 传 感 器 的 电 阻 较 大 ,在 电 阻 R 上 的输 出 电 压 较 小 ;而 当 检 测 到 泄 漏 的 燃 气 时 ,气 敏 传 感 器 的 电 阻 变 小 ,R 上 的 输 出 电 压 增 大 ,超 过规 定 浓 度 时 ,驱 动 报 警 电 路 发 出 声 光 报 警 。四 、 思 考 与 总 结对 气 体 传 感 器 的 发 展 的 思 考 ：艾 驰 商 城 官 网 -专 业 的 工 业 品 网 购 平 台 http:/ 体 传 感 器 的 研 究 涉 及 面 广 、 难 度 大 , 属 于 多 学 科 交 叉 的 研 究 领 域 。 要 切 实 提 高 传 感 器 各
40、方 面 的 性 能 指 标 需 要 多 学 科 、 多 领 域 研 究 者 的 协 同 合 作 。 气 敏 材 料 的 开 发 和 根 据 不 同 原 理 进 行 传感 器 结 构 的 合 理 设 计 一 直 受 到 研 究 人 员 的 关 注 。 在 综 合 气 体 传 感 器 的 国 内 外 的 研 究 未 来 气 体 传 感器 的 发 展 也 将 围 绕 这 两 方 面 展 开 工 作 。 主 要 内 容 为 :(1) 气 敏 材 料 的 进 一 步 开 发 : 一 方 面 寻 找 新 的 添 加 剂 对 已 开 发 的 气 敏 材 料 的 敏 感 特 性 进 一步 提 高 , 尤 其
41、是 通 过 选 择 不 同 的 添 加 剂 来 改 善 同 一 基 质 材 料 对 不 同 气 体 的 选 择 性 ; 另 一 方 面充 分 利 用 纳 米 、 薄 膜 等 新 材 料 制 备 技 术 使 气 敏 材 料 各 方 面 的 性 能 均 得 到 大 大 改 善 , 譬 如 :纳米 器 件 比 表 面 积 大 , 有 利 于 提 高 其 灵 敏 度 , 大 大 降 低 使 用 温 度 , 易 于 器 件 集 成 化 , 降 低 成 本 , 便 于 使 用 。(2) 新 型 气 体 传 感 器 的 开 发 和 设 计 : 根 据 气 体 与 气 敏 材 料 可 能 产 生 的 不 同
42、效 应 设 计 出 新 型气 体 传 感 器 是 气 体 传 感 器 未 来 发 展 的 重 要 方 向 和 后 劲 。 近 年 来 表 面 声 波 气 体 传 感 器 、 光 学 式 气 体传 感 器 、 石 英 谐 振 式 气 体 传 感 器 等 新 型 传 感 器 的 开 发 成 功 一 步 开 阔 了 设 计 者 的 视 野 。 目 前 仿 生 气体 传 感 器 也 在 研 究 中 。 警 犬 的 鼻 子 就 是 一 种 灵 敏 度 和 选 择 性 都 非 常 好 的 理 想 气 敏 传 感 器 , 结合 仿 生 学 和 传 感 器 技 术 研 究 类 似 狗 鼻 子 的 “电 子 鼻
43、 ”将 是 气 体 传 感 器 发 展 的 重 要 趋 势 和 目 标 之一 。(3) 气 体 传 感 器 传 感 机 理 的 研 究 : 新 的 气 敏 材 料 和 新 型 传 感 器 层 出 不 穷 , 需 要 在 理 论 上对 它 们 的 传 感 机 理 进 行 深 入 研 究 。 传 感 机 理 一 旦 明 确 , 设 计 者 便 可 有 据 可 依 地 针 对 传 感 器 的 不足 之 处 加 以 改 进 , 也 将 大 大 促 进 气 体 传 感 器 的 产 业 化 进 程 。(4) 气 体 传 感 器 的 智 能 化 : 生 产 和 生 活 日 新 月 异 的 发 展 变 化 对
44、 气 体 传 感 器 提 出 了 更 高 的 要 求 , 气 体 传 感 器 智 能 化 是 其 发 展 的 必 由 之 路 。 纳 米 、 薄 膜 技 术 等 新 材 料 制 备 技 术 的 成 功 应 用 为 气 体 传感 器 集 成 化 和 智 能 化 提 供 了 很 好 的 前 提 条 件 。 气 体 传 感 器 将 在 充 分 利 用 微 机 械 与 微 电 子 技 术 、 计算 机 技 术 、 信 号 处 理 技 术 、 电 路 与 系 统 、 传 感 技 术 、 神 经 网 络 技 术 、 模 糊 理 论 等 多 学 科 综 合 技 术的 基 础 上 得 到 发 展 。 研 制 能 够 同 时 监 测 多 种 气 体 的 全 自 动 数 字 化 的 智 能 气 体 传 感 器 将 是 以 后 该 领域 的 重 要 研 究 方 向 。参 考 文 献1贾伯年、俞朴、宋爱国 传感器技术东南大学出版社2李瑜芳 传感器原理及其应用 电子科技大学出版社3宋传德 传感器与测试技术 重庆大学出版社4方俊、袁宏永、赵建华 气体传感器及其在火灾探测中的应用J5. 艾驰商城官网-专业的工业品网购平台 http:/ 气体传感器的应用与发展J7窦征、王殊 AUBE 99 第 11 届火灾自动探测国际学术讨论会随笔J 8王伯雄 测试技术基础 清华大学出版社
