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氣體傳感器的分類

2015-03-12 10:06:43來源:昶艾電子 點擊:

國家標準GB7665-87 ,對傳感器的定義是:傳感器是能感受規定被測量并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。氣體傳感器是用來檢測氣體的成份和含量的傳感器,一般認為,氣體傳感器的定義是以檢測目標為分類基礎的,也就是說,凡是用于檢測氣體成份和濃度的傳感器都稱作氣體傳感器,不管它是用物理方法,還是用化學方法。比如,檢測氣體流量的傳感器不被看作氣體傳感器,但是熱導式氣體分析儀卻屬于重要的氣體傳感器,

盡管它們有時使用大體一致的檢測原理。早在上個世紀70 年代,氣體傳感器就已經成為傳感器領域的一個大系,屬于化學傳感器的一個分支。目前流行于市場的氣體傳感器大約有如下一些種類:

1、半導體式氣體傳感器

它是利用一些金屬氧化物半導體材料,在一定溫度下,電導率隨著環境氣體成份的變化而變化的原理制造的。比如,酒精傳感器,就是利用二氧化錫在高溫下遇到酒精氣體時,電阻會急劇減小的原理制備的。

半導體式氣體傳感器可以有效地用于:甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、酒精、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙炔、氯乙烯、苯乙烯、丙烯酸等很多氣體地檢測。尤其是,這種傳感器成本低廉,適宜于民用氣體檢測的需求。

下列幾種半導體式氣體傳感器是成功的:甲烷(天然氣、沼氣)、酒精、一氧化碳(城市煤氣)、硫化氫、氨氣(包括胺類,肼類)。高質量的傳感器可以滿足工業檢測的需要。

缺點:穩定性較差,受環境影響較大;尤其,每一種傳感器的選擇性都不是唯一的,輸出參數也不能確定。因此,不宜應用于計量準確要求的場所。目前這種傳感器的主要供應商在日本(發明者),其次是中國,最近有新加入了韓國,其他國家如美國在這方面也有相當的工作,但是始終沒有匯入主流!中國在這個領域投入的人力和時間都不亞于日本,但是由于多年來國家政策導向以及社會信息閉塞等原因,我國流行于市場的半導體式氣體傳感器性能質量都遠遜于日本產品,相信,隨著市場進步,民營資本的進一步興起,中國產的半導體式氣體傳感器達到和超越日本水平已經指日可待!

2、催化燃燒式氣體傳感器

這種傳感器是在白金電阻的表面制備耐高溫的催化劑層,在一定的溫度下,可燃性氣體在其表面催化燃燒,燃燒是白金電阻溫度升高,電阻變化,變化值是可燃性氣體濃度的函數。

催化燃燒式氣體傳感器選擇性地檢測可燃性氣體:凡是可以燃燒的,都能夠檢測;凡是不能燃燒的,傳感器都沒有任何響應。當然,『凡是可以燃燒的,都能夠檢測』這一句有很多例外,但是,總的來講,上述選擇性是成立的。催化燃燒式氣體傳感器計量準確,響應快速,壽命較長。傳感器的輸出與環境的爆炸危險直接相關,在安全檢測領域是一類主導地位的傳感器。

缺點:在可燃性氣體范圍內,無選擇性。暗火工作,有引燃爆炸的危險。大部分元素有機蒸汽對傳感器都有中毒作用。

目前這種傳感器的主要供應商在中國、日本、英國(發明國)!目前中國是這種傳感器的最大用戶(煤礦),也擁有最佳的傳感器生產技術,盡管不斷有各種各樣的代理商在宣傳上干擾社會對這種傳感器的認識,但是畢竟,催化燃燒式氣體傳感器的主流制造商在國內。

3、熱導池式氣體傳感器

每一種氣體,都有自己特定的熱導率,當兩個和多個氣體的熱導率差別較大時,可以利用熱導元件,分辨其中一個組分的含量。這種傳感器已經傳感器地用于氫氣的檢測、二氧化碳的檢測、高濃度甲烷的檢測。

這種氣體傳感器可應用范圍較窄,限制因素較多。

這是一種老式產品,全世界各地都有制造商。產品質量全世界大同小異。

4、電化學式氣體傳感器

相當一部分的可燃性的、有毒有害氣體都有電化學活性,可以被電化學氧化或者還原。

利用這些反應,可以分辨氣體成份、檢測氣體濃度。電化學氣體傳感器分很多子類:

(1)、原電池型氣體傳感器(也稱:加伏尼電池型氣體傳感器,也有稱燃料電池型氣體傳感器,也有稱自發電池型氣體傳感器),他們的原理行同我們用的干電池,只是,電池的碳錳電極被氣體電極替代了。以氧氣傳感器為例,氧在陰極被還原,電子通過電流表流到陽極,在那里鉛金屬被氧化。電流的大小與氧氣的濃度直接相關。這種傳感器可以有效地檢測氧氣、二氧化硫、氯氣等。

(2)、恒定電位電解池型氣體傳感器,這種傳感器用于檢測還原性氣體非常有效,它的原理與原電池型傳感器不一樣,它的電化學反應是在電流強制下發生的,是一種真正的庫侖分析的傳感器。這種傳感器已經成功地用于:一氧化碳、硫化氫、氫氣、氨氣、肼、等氣體的檢測之中,是目前有毒有害氣體檢測的主流傳感器。

(3)、濃差電池型氣體傳感器,具有電化學活性的氣體在電化學電池的兩側,會自發形成濃差電動勢,電動勢的大小與氣體的濃度有關,這種傳感器的成功實例就是汽車用氧氣傳感器、固體電解質型二氧化碳傳感器。

(4)、極限電流型氣體傳感器,有一種測量氧氣濃度的傳感器利用電化池中的極限電流與載流子濃度相關的原理制備氧(氣)濃度傳感器,用于汽車的氧氣檢測,和鋼水中氧濃度檢測。

目前這種傳感器的主要供應商遍布全世界,主要在德國、日本、美國,最近新加入幾個歐洲供應商:英國、瑞士等。中國在這個領域起步很早,但是產業化進程效果不佳。

5、紅外線氣體傳感器

大部分的氣體在中紅外區都有特征吸收峰,檢測特征吸收峰位置的吸收情況,就可以確定某氣體的濃度。

這種傳感器過去都是大型的分析儀器,但是近些年,隨著以MEMS 技術為基礎的傳感器工業的發展,這種傳感器的體積已經由10 升,45 公斤的巨無霸,減小到2 毫升(拇指大小)左右。使用無需調制光源的紅外探測器使得儀器完全沒有機械運動部件,完全實現免維護化。

紅外線氣體傳感器可以有效地分辨氣體的種類,準確測定氣體濃度。

這種傳感器成功的用于:二氧化碳、甲烷的檢測。

目前這種“傳感器”的供應商在歐洲!中國在這一領域目前是“半”空白!

6、磁性氧氣傳感器

這是磁性氧氣分析儀的核心,但是目前也已經實現了“傳感器化”進程。

它是利用空氣中的氧氣可以被強磁場吸引的原理制備的。

這種傳感器只能用于氧氣的檢測,選擇性極好。大氣環境中只有氮氧化物能夠產生微小的影響,但是由于這些干擾氣體的含量往往很少,所以,磁氧分析技術的選擇性幾乎是唯一的!

老牌工業產品,全世界各地都有制造商。(當然我說的是作為一次儀表的氧氣分析儀,它在一定范圍內可以被看作傳感器。而以純粹傳感器形式生產的這種產品,是最近的事情。)

7、其他

近年來,隨著新技術的不斷涌現,氣體傳感器技術也在不斷發生著相應的革命。氣體傳感器的種類也在隨著增添新丁。但是,有些傳感器是否應該列在氣體傳感器名下頗有爭議,比如:PID 檢測器,盡管也是用于氣體的檢測,盡管體積一樣小巧,但是,由于不能真正實現免維護化,因此,這種裝備,無論體積有多小,都應該列在“檢測儀器”的名下。另外,以光導纖維為基礎的光學傳感器發展迅猛,盡管還沒有對電子傳感器構成絕對的“威脅”,但是其特有的優勢,或許有一天大放異彩。最后,從事氣體傳感器銷售的商家,為了自身商業目的,有時夸大某種特定的傳感器的能力,混淆傳感器的分類,這些都不利于用戶正確應用氣體傳感器。其實,傳感器的應用和傳感器的制造一樣,也是一門學問啊!



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