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(lèi),論述了國(guó)內(nèi)外各類(lèi)氣體傳感器的工作原理、特點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r。關(guān)鍵詞傳感器檢測(cè)氣體光纖傳感器是將某種信號(hào),按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成另一種信號(hào)的器件和裝置。傳感技術(shù)是獲取信息的工具。這是一項(xiàng)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(cè)原理、材料科學(xué)、工藝加工三要素的最佳結(jié)合。在發(fā)達(dá)國(guó)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(cè)出來(lái),并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件,人們很早就開(kāi)始了氣體傳感器的研究,將其用來(lái)對(duì)有毒、有害氣體的探測(cè),對(duì)易爆、易燃?xì)怏w的安全報(bào)警。對(duì)人類(lèi)生產(chǎn)生活中所需了解的氣體進(jìn)行檢測(cè)、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(xiàng)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(guò)程中具有許多特有的性質(zhì),如光纖傳輸信息時(shí)能量損耗很小,給遠(yuǎn)距離遙測(cè)帶來(lái)很大方便。光纖材料性能穩(wěn)定,不受電磁場(chǎng)干擾,在高溫、高壓、低溫、強(qiáng)腐蝕等惡劣環(huán)境下保持不變.所以光纖傳感器從問(wèn)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(jìn)行討論。1 氣體傳感器現(xiàn)狀有關(guān)資料表明,1992年中國(guó)的氣體傳感器產(chǎn)量為50萬(wàn),而1990年、1991年分別為200萬(wàn)和近400萬(wàn),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(cè)氣體的物理化學(xué)性質(zhì)

3、來(lái)檢測(cè)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(guò)電流、電導(dǎo)、光的折射率等物理量的變化來(lái)檢測(cè)的;而化學(xué)性傳感器是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)反映引起物理量的變化來(lái)檢測(cè)的。2 氣體傳感器分類(lèi)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(lái)檢測(cè)特定氣體的成分或濃度。優(yōu)點(diǎn)是在低濃度區(qū)(300仍對(duì)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(jiǎn)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(cè)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(cè)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(duì)氣體濃度加以探

4、測(cè)。此類(lèi)傳感器主要用來(lái)對(duì)可燃性氣體濃度和低濃度毒氣的檢測(cè),高濃度范圍內(nèi)測(cè)量精度不高,受周?chē)h(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(cè)氣體濃度。穩(wěn)定性好,通常組成惠斯登電橋來(lái)檢測(cè)2。2.1.3 氧化錫氣體傳感器氧化錫摻雜不同,則可檢測(cè)不同氣體。利用氧化錫燒結(jié)體吸附還原性氣體時(shí)電阻值減小的特性,可檢測(cè)還原氣體是否存在,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)可燃性氣體(如CH4,CO等的漏氣報(bào)警。2.1.4 氧化鋅氣體傳感器ZnO一種研究時(shí)間較長(zhǎng)、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(zhǎng)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(diǎn)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(lái)的新型傳感器。由于不用催化劑,故檢測(cè)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(guò)隔膜將擴(kuò)散吸收劑電解液中的被測(cè)氣體電解,以此來(lái)檢測(cè)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(jìn)行的,只要測(cè)定加在電極上的電位,即可測(cè)得被測(cè)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(diǎn)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(guò)測(cè)量被測(cè)氣體的電解電流來(lái)測(cè)量氣體濃度。2. 3 紅外氣體傳感器被測(cè)氣體與傳感器直接接觸后,吸收紅外線的特定波長(zhǎng),用紅外檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)氣體濃度。測(cè)量吸收光譜,可知?dú)怏w類(lèi)型;測(cè)吸收強(qiáng)度,即可知?dú)怏w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(shí),形成濃差電池電動(dòng)勢(shì)不同。主要用來(lái)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?xì)怏w傳感器。可燃?xì)怏w在元件表面,燃燒時(shí)溫度升高而引起鉑絲電阻發(fā)生變化,測(cè)出可燃?xì)怏w的濃度。2. 6 MOS場(chǎng)

7、效應(yīng)管傳感器例如在把一MOS場(chǎng)效應(yīng)管中,漏極電流I。流過(guò)時(shí)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(cè)氫氣。缺點(diǎn)是氣體響應(yīng)特性受溫度限制,且長(zhǎng)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(xì)波導(dǎo)管組成。當(dāng)氣體接觸到染料膜時(shí),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(guò)波導(dǎo)時(shí),光的損耗則與待測(cè)氣體濃度有關(guān),從而測(cè)得氣體濃度。波導(dǎo)的透射光強(qiáng)只與染料膜的狀態(tài)變化有關(guān)。當(dāng)待測(cè)氣體消失時(shí),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(duì)光纖氣體傳感器的要求(1高精度和可靠性,很多應(yīng)用場(chǎng)合是要求測(cè)量氣體極限值用于報(bào)警或危險(xiǎn)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(bào)警、控制等功能。(3附加干擾少,應(yīng)能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作,時(shí)間老化性好。(4轉(zhuǎn)換性能優(yōu)良,線性特征范圍寬,檢測(cè)信號(hào)的信噪比高,重復(fù)性好,響應(yīng)速度快。(5尺寸小,重量輕,價(jià)廉,具有普及性。3.2光纖氣體傳感器的特點(diǎn)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(hào)形式取出;利用小型而簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體器件,如LED,PIN,APD等很容易進(jìn)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(diǎn):(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(lèi)傳感器。光信號(hào)載頻高,頻帶寬,光器件已較成熟,能做成強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)范圍。(2光纖不僅可作敏感元件,當(dāng)用作傳輸線時(shí),其損耗很低,因此不必考慮測(cè)量?jī)x器和被測(cè)物體的相對(duì)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(cè)技術(shù)相配合實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)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(wú)源器件,對(duì)被測(cè)對(duì)象不產(chǎn)生影響。其自身獨(dú)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(jì)算機(jī)連

10、接,可實(shí)現(xiàn)多功能、智能化的要求。(6光纖加特殊保護(hù)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(jiǎn)單,造價(jià)低。3.3各類(lèi)光纖氣體傳感器光纖傳感技術(shù)可以說(shuō)是傳統(tǒng)的光檢測(cè)技術(shù)和光學(xué)纖維應(yīng)用的結(jié)合。光纖傳感器的檢測(cè)原理是根據(jù)光在光纖中被外界被測(cè)參數(shù)作用的情況,即外界被測(cè)參數(shù)對(duì)可能引起的光強(qiáng)、波長(zhǎng)、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(cè)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(cè)信號(hào)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(hào)的作用,即在光纖中傳輸?shù)墓庑?/p>

11、號(hào)不會(huì)受到來(lái)自外部介質(zhì)變化的影響。這類(lèi)傳感器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安全可靠,但靈敏度較低。(1吸收光譜型傳感器:這類(lèi)傳感器是基于氣體對(duì)光譜的吸收特性,利用不同分子各自不同的吸收譜線,通過(guò)對(duì)某一特定的吸收譜線強(qiáng)度的探測(cè),而達(dá)到檢測(cè)對(duì)應(yīng)氣體成分及濃度的目的,其工作方式分為單波長(zhǎng)比較型和雙波長(zhǎng)差分比較型及窄帶譜寬吸收型,傳感機(jī)理的理論依據(jù)相同。(2 薄膜透射型:將一種對(duì)氣體敏感的材料涂于透明膜片表面,當(dāng)氣體濃度變化時(shí),透射過(guò)薄膜的光強(qiáng)亦發(fā)生變化,即透過(guò)薄膜的光強(qiáng)受到氣體濃度的調(diào)制,從而可以檢測(cè)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(cè)氣體折射率的變化,從而

12、間接得知?dú)怏w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(hào)的介質(zhì),同時(shí)經(jīng)過(guò)一定處理后,又可作為功能性的傳感元件。這類(lèi)傳感器的特點(diǎn)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(chǎng)池漏型:光纖中,光源同時(shí)在纖芯和包層中傳播,在包層中傳播的光被稱(chēng)為迅衰波,它以光軸為中心,向兩測(cè)迅速衰減。如果光纖無(wú)包層,則迅衰波會(huì)透過(guò)光纖。(2 多孔光纖作為傳感元件:多孔光纖是經(jīng)過(guò)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(cè)氣體相互作用的化學(xué)物質(zhì),當(dāng)氣體進(jìn)人多孔光纖時(shí),會(huì)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(cè)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(zhǎng)范圍的光在此光纖中傳播時(shí),會(huì)將包層激發(fā)出熒光,并藕合到纖芯內(nèi)。這種光的強(qiáng)度與特點(diǎn)氣體濃度有一定的函數(shù)關(guān)系,從而檢測(cè)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(lái)檢測(cè)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(lái)檢測(cè)氫氣濃度。當(dāng)金屬把與氫氣接觸時(shí),其晶格會(huì)擴(kuò)張,導(dǎo)致被包的光纖纖芯伸長(zhǎng),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(cè)氧氣濃度。4結(jié)論可以看出,基于幾個(gè)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(wú)法比擬的,加之在個(gè)別場(chǎng)合中,光纖傳感器的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),其應(yīng)用潛力無(wú)法估量。目前的光纖檢測(cè)技術(shù),光功率的測(cè)量技術(shù)較完善,原理也簡(jiǎn)單,因此應(yīng)用性較強(qiáng)。但一個(gè)真正精度高,符合客戶要求的光纖氣體傳感器還沒(méi)有在世界上商品化,也就是科研成果與市場(chǎng)沒(méi)有很好地聯(lián)系起來(lái),研究者們的目光更多在傳感元件本身,而對(duì)于光電檢測(cè)接口的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)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(shí)用化上。5參考文獻(xiàn)1 何圣靜,陳彪. 新型傳感器