氣體傳感器綜述

1、光纖氣體傳感器綜述摘要綜述了氣體傳感器的基本種類,論述了國內(nèi)外各類氣體傳感器的工作原理、特點及發(fā)展?fàn)顩r。關(guān)鍵詞傳感器檢測氣體光纖傳感器是將某種信號,按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成另一種信號的器件和裝置。傳感技術(shù)是獲取信息的工具。這是一項迅速發(fā)展的高技術(shù),是構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的主要技術(shù)之一,是檢測原理、材料科學(xué)、工藝加工三要素的最佳結(jié)合。在發(fā)達國家,傳感技術(shù)被列為核心技術(shù)之一。氣體傳感器是一種把氣體中的特定成分檢測出來,并轉(zhuǎn)換成電信號的器件,人們很早就開始了氣體傳感器的研究,將其用來對有毒、有害氣體的探測,對易爆、易燃氣體的安全報警。對人類生產(chǎn)生活中所需了解的氣體進行檢測、分析研究等,使得它在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活

2、中起到耳目的作用。光纖傳感技術(shù)是一項正在發(fā)展中的具有廣闊前景的新型高技術(shù)。由于光纖本身在傳遞信息過程中具有許多特有的性質(zhì),如光纖傳輸信息時能量損耗很小,給遠距離遙測帶來很大方便。光纖材料性能穩(wěn)定,不受電磁場干擾,在高溫、高壓、低溫、強腐蝕等惡劣環(huán)境下保持不變.所以光纖傳感器從問世到如今,一直都在飛速發(fā)展。各種新思路、新結(jié)構(gòu)、新工藝的光纖傳感器,如雨后春筍,不勝枚舉。這里我們僅就光纖氣體傳感器進行討論。1 氣體傳感器現(xiàn)狀有關(guān)資料表明,1992年中國的氣體傳感器產(chǎn)量為50萬,而1990年、1991年分別為200萬和近400萬,世界的氣體傳感器需求量也逐年增加。氣體傳感器是利用被測氣體的物理化學(xué)性質(zhì)

3、來檢測氣體的,分為物理性和化學(xué)性兩種。物理性的傳感器是通過電流、電導(dǎo)、光的折射率等物理量的變化來檢測的;而化學(xué)性傳感器是通過化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)反映引起物理量的變化來檢測的。2 氣體傳感器分類2.1 半導(dǎo)體氣體傳感器半導(dǎo)體氣體傳感器是利用氣敏元件同氣體接觸,使半導(dǎo)體性質(zhì)變化,以此來檢測特定氣體的成分或濃度。優(yōu)點是在低濃度區(qū)(300仍對可燃性氣體和某些毒性氣體(甲烷有較高靈敏度;體積小,結(jié)構(gòu)簡單,成本低,使用方便 1。2.1.1 電導(dǎo)式傳感器傳感器保持一定溫度,當(dāng)被測氣體接觸傳感元件后,在傳感元件表面形成吸附,使其電導(dǎo)率發(fā)生變化。被測氣體濃度與傳感元件的電阻值之間有一定的關(guān)系,因此可對氣體濃度加以探

4、測。此類傳感器主要用來對可燃性氣體濃度和低濃度毒氣的檢測,高濃度范圍內(nèi)測量精度不高,受周圍環(huán)境影響大。2.1.2 熱導(dǎo)式傳感器傳感元件(金屬氧化物吸附氣體后,電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率變化,致使元件溫度變化,由此檢測氣體濃度。穩(wěn)定性好,通常組成惠斯登電橋來檢測2。2.1.3 氧化錫氣體傳感器氧化錫摻雜不同,則可檢測不同氣體。利用氧化錫燒結(jié)體吸附還原性氣體時電阻值減小的特性,可檢測還原氣體是否存在,同時可實現(xiàn)可燃性氣體(如CH4,CO等的漏氣報警。2.1.4 氧化鋅氣體傳感器ZnO一種研究時間較長、應(yīng)用水平較高的半導(dǎo)體氧化物氣敏材料。一維ZnO納米材料由于具有大的比表面積和穩(wěn)定的單晶結(jié)構(gòu)能夠顯著改善傳統(tǒng)敏感

5、材料的靈敏度和長期穩(wěn)定性。然而納米線的靈敏度還不夠高,選擇性還需要改善。因此,采用尺寸小、粒徑分布均勻、單分散的貴金屬量子點修飾ZnO納米線,有效地提高了氧化鋅氣體傳感器的靈敏度和選擇性,更好地發(fā)揮了貴金屬的催化作用3。2.1.5 氧化鐵氣體傳感器它是近幾年發(fā)展起來的新型傳感器。由于不用催化劑,故檢測靈敏度有所提高。2.2 電化學(xué)式氣體傳感器2.2.1 定電位電解傳感器通過隔膜將擴散吸收劑電解液中的被測氣體電解,以此來檢測氣體濃度。電解作用是在外部加了特定電位的電極表面上進行的,只要測定加在電極上的電位,即可測得被測氣體特有的電解電位,根據(jù)電解電位不同,使傳感器只有一定程度的選擇性。缺點是電極

6、表面易污染,電解液不好保持4。2.2.2 伽伐尼電池式傳感器通過測量被測氣體的電解電流來測量氣體濃度。2. 3 紅外氣體傳感器被測氣體與傳感器直接接觸后,吸收紅外線的特定波長,用紅外檢測器來檢測氣體濃度。測量吸收光譜,可知氣體類型;測吸收強度,即可知氣體濃度。精度高,選擇性好,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2. 4 固體電解質(zhì)氣體傳感器利用固體電解質(zhì)的氧離子導(dǎo)電特性,當(dāng)元件兩側(cè)的氧濃度不同時,形成濃差電池電動勢不同。主要用來分析氣體中氧的濃度。2. 5 燃燒式氣體傳感器利用氣體成分的反應(yīng)性,如催化燃燒可燃氣體傳感器?？扇細怏w在元件表面,燃燒時溫度升高而引起鉑絲電阻發(fā)生變化,測出可燃氣體的濃度。2. 6 MOS場

7、效應(yīng)管傳感器例如在把一MOS場效應(yīng)管中,漏極電流I。流過時的最小臨界電壓值隨空氣中所含氫氣濃度的增高而降低。利用這一特性可檢測氫氣。缺點是氣體響應(yīng)特性受溫度限制,且長期穩(wěn)定性差。2. 7 光波導(dǎo)式氣體傳感器張貴德等人的光波導(dǎo)氣體傳感器主要是由表面均勻覆蓋一層固體染料膜的毛細波導(dǎo)管組成。當(dāng)氣體接觸到染料膜時,它從一種顏色變化到另一種顏色,并伴隨有膜的折射率和光吸收系數(shù)的變化。當(dāng)光通過波導(dǎo)時,光的損耗則與待測氣體濃度有關(guān),從而測得氣體濃度。波導(dǎo)的透射光強只與染料膜的狀態(tài)變化有關(guān)。當(dāng)待測氣體消失時,染料膜又恢復(fù)到原顏色。因而光波導(dǎo)傳感器重復(fù)性好,穩(wěn)定性好,易于在惡劣環(huán)境下工作5。3光纖氣體傳感器3.

8、1對光纖氣體傳感器的要求(1高精度和可靠性,很多應(yīng)用場合是要求測量氣體極限值用于報警或危險指示,所以其精度和可靠性必須高。(2能與各種應(yīng)用裝置相配合,使之具有檢側(cè)、顯示、報警、控制等功能。(3附加干擾少,應(yīng)能長時間穩(wěn)定工作,時間老化性好。(4轉(zhuǎn)換性能優(yōu)良,線性特征范圍寬,檢測信號的信噪比高,重復(fù)性好,響應(yīng)速度快。(5尺寸小,重量輕,價廉,具有普及性。3.2光纖氣體傳感器的特點光學(xué)傳感器以光學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ),將被敏感的狀態(tài)以光信號形式取出;利用小型而簡單的半導(dǎo)體器件,如LED,PIN,APD等很容易進行光/電、電/光轉(zhuǎn)換,易于與高速發(fā)展的電子裝置相適應(yīng)。它與其他傳感器相比,有如下優(yōu)點:(1靈敏度高,

9、頻帶寬,初態(tài)范圍大;由于傳輸?shù)男畔⑤d體是光,所以已研制成功的光纖傳感器分辨率大部分優(yōu)于其他同類傳感器。光信號載頻高,頻帶寬,光器件已較成熟,能做成強大的動態(tài)范圍。(2光纖不僅可作敏感元件,當(dāng)用作傳輸線時,其損耗很低,因此不必考慮測量儀器和被測物體的相對位置,特別適合于電子式等傳感器不太適于的地方,可以與光纖遙測技術(shù)相配合實現(xiàn)遠距離測量與控制。(3光纖材料有很好的電絕緣性。光纖傳感器不受電磁干擾,能避免產(chǎn)生火花,適用于油灌氣體。它耐高壓,耐腐蝕,在惡劣環(huán)境下工作可靠。(4光纖是無源器件,對被測對象不產(chǎn)生影響。其自身獨立性好,可適應(yīng)各種使用環(huán)境。(5光纖傳感器組成的光纖傳感器系統(tǒng)便于與中心計算機連

10、接,可實現(xiàn)多功能、智能化的要求。(6光纖加特殊保護層后能在高低溫下工作。(7光纖傳感器體積小,重量輕,安裝簡單,造價低。3.3各類光纖氣體傳感器光纖傳感技術(shù)可以說是傳統(tǒng)的光檢測技術(shù)和光學(xué)纖維應(yīng)用的結(jié)合。光纖傳感器的檢測原理是根據(jù)光在光纖中被外界被測參數(shù)作用的情況,即外界被測參數(shù)對可能引起的光強、波長、頻率、相位等參數(shù)的變化,從這些可能變化的光參數(shù)中提取被測參數(shù)的信息。其一般形式為利用光纖本身的特性或外加敏感元件,將被測信號的變化調(diào)制成光參數(shù)的變化。因此光纖傳感器中根據(jù)光纖所起的作用可分為功能型和非功能型6。3.3.1非功能型光纖氣體傳感器光纖在傳感器中只起傳輸光信號的作用,即在光纖中傳輸?shù)墓庑?/p>

11、號不會受到來自外部介質(zhì)變化的影響。這類傳感器的特點是結(jié)構(gòu)簡單,安全可靠,但靈敏度較低。(1吸收光譜型傳感器:這類傳感器是基于氣體對光譜的吸收特性,利用不同分子各自不同的吸收譜線,通過對某一特定的吸收譜線強度的探測,而達到檢測對應(yīng)氣體成分及濃度的目的,其工作方式分為單波長比較型和雙波長差分比較型及窄帶譜寬吸收型,傳感機理的理論依據(jù)相同。(2 薄膜透射型:將一種對氣體敏感的材料涂于透明膜片表面,當(dāng)氣體濃度變化時,透射過薄膜的光強亦發(fā)生變化,即透過薄膜的光強受到氣體濃度的調(diào)制,從而可以檢測到氣體濃度。(3 干涉型非功能光纖氣體傳感器:利用氣體濃度與氣體折射率的關(guān)系,用干涉法檢測氣體折射率的變化,從而

12、間接得知氣體濃度。3.3.2功能型光纖氣體傳感器光纖在傳感器中既是傳輸光信號的介質(zhì),同時經(jīng)過一定處理后,又可作為功能性的傳感元件。這類傳感器的特點是靈敏度比較高,但光纖必須做一定的化學(xué)或物理處理,故工藝較為復(fù)雜。(1近場池漏型:光纖中,光源同時在纖芯和包層中傳播,在包層中傳播的光被稱為迅衰波,它以光軸為中心,向兩測迅速衰減。如果光纖無包層,則迅衰波會透過光纖。(2 多孔光纖作為傳感元件:多孔光纖是經(jīng)過復(fù)雜工藝制成的,內(nèi)部有大量密集的小孔,外面包一層能與被測氣體相互作用的化學(xué)物質(zhì),當(dāng)氣體進人多孔光纖時,會改變其光吸收特性或者使敏感物質(zhì)發(fā)出熒光的光參數(shù)發(fā)生變化,從而檢測到氣體的濃度。(3 包層內(nèi)為

13、熒光物質(zhì)的光纖作為氣體傳感元件圈:一定波長范圍的光在此光纖中傳播時,會將包層激發(fā)出熒光,并藕合到纖芯內(nèi)。這種光的強度與特點氣體濃度有一定的函數(shù)關(guān)系,從而檢測到氣體的濃度。(4 功能型干涉式光纖氣體傳感器5:這種傳感器的關(guān)鍵部分是采用干涉儀來檢測傳感光纖的光學(xué)光路變化。例如,在光纖外涂一層把可用來檢測氫氣濃度。當(dāng)金屬把與氫氣接觸時,其晶格會擴張,導(dǎo)致被包的光纖纖芯伸長,從而使光纖的光程增加。(5 反射式光纖氣體傳感器困:在光纖端面用濺射或蒸鍍等工藝手段,涂敷上一層敏感材料,如一層鎳,可測氧氣濃度。4結(jié)論可以看出,基于幾個最基本的概念,現(xiàn)行的光纖氣敏傳感技術(shù)發(fā)展相當(dāng)快,其靈敏度是傳統(tǒng)氣體傳感器所無法比擬的,加之在個別場合中,光纖傳感器的獨特優(yōu)點,其應(yīng)用潛力無法估量。目前的光纖檢測技術(shù),光功率的測量技術(shù)較完善,原理也簡單,因此應(yīng)用性較強。但一個真正精度高,符合客戶要求的光纖氣體傳感器還沒有在世界上商品化,也就是科研成果與市場沒有很好地聯(lián)系起來,研究者們的目光更多在傳感元件本身,而對于光電檢測接口的標(biāo)準(zhǔn)化問題研究的較少,因此,今后的目光應(yīng)轉(zhuǎn)向光纖氣體傳感器的實用化上。5參考文獻1 何圣靜,陳彪. 新型傳感器