氣體傳感器及其在火災(zāi)探測(cè)中的應(yīng)用

氣體傳感器及其在火災(zāi)探測(cè)中的應(yīng)用摘要：闡述了幾種氣體火災(zāi)探測(cè)器的工作原理、性能特點(diǎn)及其應(yīng)用，介紹了幾種新型復(fù)合氣體火災(zāi)探測(cè)器，探討了氣體火災(zāi)探測(cè)器的發(fā)展前景和趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：火災(zāi)探測(cè)器；氣體火災(zāi)探測(cè)器；氣體傳感器。一、 氣體火災(zāi)探測(cè)器概述氣體是火災(zāi)的早期特征之一，研究氣體探測(cè)器對(duì)于防治火災(zāi)有重意義。傳統(tǒng)的火災(zāi)探測(cè)器中感溫探測(cè)器，感煙探刷器，感火焰探測(cè)器其原理是基于火災(zāi)中溫度變化或者利用火災(zāi)煙霧，火焰的電學(xué)，光學(xué)等物理特性來(lái)進(jìn)行火災(zāi)識(shí)別。這種識(shí)別模式很難可靠地發(fā)現(xiàn)早期火災(zāi)，如感煙探測(cè)器不能探測(cè)到酒精火焰，感溫探測(cè)器不易探測(cè)到陰燃火源。在現(xiàn)代高大空間建筑中，當(dāng)存在遮擋和環(huán)境干擾的時(shí)候，常規(guī)的感煙、感溫探測(cè)器由于火災(zāi)燃燒產(chǎn)物在空間傳播受空間高度和面積的影響，很難對(duì)火災(zāi)發(fā)生快速響應(yīng)。近年來(lái)，由于氣體傳感技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，氣體傳感器相傳統(tǒng)火災(zāi)探劇器結(jié)合形成多元參數(shù)復(fù)合探劇技術(shù)以及開發(fā)研究新型火災(zāi)氣體傳感器已成為火災(zāi)探測(cè)領(lǐng)域的新動(dòng)向。目前，用于檢測(cè)火災(zāi)的氣體主要有CO、CO2、NOX、甲烷、H2、H2O、胺(-NH2)等。對(duì)于不同的氣體和不同的應(yīng)用場(chǎng)合，所用的氣體檢測(cè)方法也不盡相同?？捎米魈綔y(cè)可燃性氣體或可燃物燃燒生成氣體傳感器已有很多，應(yīng)用最廣泛的主要有半導(dǎo)體氣體傳感器、紅外吸收氣體傳感器、電化學(xué)傳感器以及正在發(fā)展的智能氣體傳感器等。二、 氣體傳感器2.1、半導(dǎo)體氣體傳感器半導(dǎo)體氣體傳感器主要是以氧化物半導(dǎo)體作為基本材料，使氣體吸附于該半導(dǎo)體表面，利用由此產(chǎn)生的電導(dǎo)率的變化而制作的器件。按檢測(cè)不同氣體特征量的方式，半導(dǎo)體氣體傳感器大體分為電阻式和非電阻式兩種，見表1。電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器用氧化錫、氧化鋅等金屬氧化物材料作為敏感元件，利用其阻值的變化來(lái)檢測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)；非電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器采用氧化銀、金屬柵的場(chǎng)效應(yīng)管、金屬/半導(dǎo)體結(jié)型二極管等作為敏感元件，利用它們與氣體接觸后的整流特性，以及晶體管作用的變化進(jìn)行表面單位的直接測(cè)定。自從1962年半導(dǎo)體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器問世以來(lái)，半導(dǎo)體氣體傳感器已經(jīng)成為當(dāng)今世界上產(chǎn)量最大、最具有實(shí)用價(jià)值的傳感器之一。傳感器主要物理特性舉例工作溫度/P被測(cè)氣體電阻式表面控制型氧化錫、氧化鋅字:溫?45()可燃性氣體體控制型Lal—xSrxCo()3,r-FeiOs氧化鈦、氧化鉆、氧化鎂、氧化錫30。?45070()以上酒精、可燃性氣體、氧氣非電阻式表面電位氧化銀室溫硫醇二極管整流特性鋁/硫化鎘、鉗/氧化鈦室溫?200氫氣、一氧化碳、酒精晶體管特性祐柵MOS場(chǎng)效應(yīng)管150氫氣、硫化氫表1半導(dǎo)體氣體傳感器的分類2.2、紅外吸收式氣體傳感器紅外吸收式氣體傳感器原理基于Lambert-Beer定律，即若對(duì)兩個(gè)分子以上的氣體照射紅外光，則分子的動(dòng)能發(fā)生變化并吸收特定波長(zhǎng)光，這種特定波長(zhǎng)光是由分子結(jié)構(gòu)決定的，由該吸收頻譜判別分子種類，由吸收的強(qiáng)弱可測(cè)得氣體體積分?jǐn)?shù)。由于不同氣體的紅外吸收峰不同，通過測(cè)量和分析紅外吸收峰來(lái)檢測(cè)氣體。目前，最新研制開發(fā)的流體切換式、流程直接測(cè)量式和傅立葉變換式在線紅外分析儀，能精確地檢測(cè)氣體，具有高抗振和抗污染能力。與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合能連續(xù)測(cè)試分析氣體，具有自動(dòng)校正、自動(dòng)運(yùn)行的功能，靈敏度高，誤報(bào)率低，選擇性好，可靠性高，響應(yīng)速度快。但這種方法成本高，裝置復(fù)雜，操作過程歷時(shí)長(zhǎng)。2.3、 接觸燃燒式氣體傳感器接觸燃燒式氣體傳感器可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式。其工作原理是：氣敏材料（如Pt電熱絲等）在通電狀態(tài)下的溫度約為300°C?600°C，可燃性氣體氧化燃燒或者催化劑作用下氧化燃燒，電熱絲由于燃燒而升溫，從而使其阻值發(fā)生變化，測(cè)量電阻的變化從而測(cè)量氣體體積分?jǐn)?shù)。這種傳感器對(duì)不燃燒氣體不敏感，例如，在鉑絲上涂敷活性催化Rh和Pd等制成的傳感器具有廣譜特性，能檢測(cè)各種可燃性氣體。接觸燃燒式氣體傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)氣體的選擇性好，線性好，受溫度、濕度影響小，響應(yīng)快，廣泛應(yīng)用于石油化工廠、造船廠、礦井隧道和浴室廚房的可燃性氣體的監(jiān)測(cè)和報(bào)警。但是，它對(duì)低體積分?jǐn)?shù)可燃性氣體靈敏度低，敏感元件受到催化劑侵害后其特性銳減，電熱絲易斷。2.4、 電化學(xué)式氣體傳感器電化學(xué)式氣體傳感器可分為原電池式、可控電位電解式、電量式、離子電極式四種類型。原電池式氣體傳感器通過檢測(cè)電流來(lái)檢測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)，可用來(lái)檢測(cè)氧氣、酸性氣體和毒性氣體。可控電位電解式傳感器是通過檢測(cè)電解時(shí)流過的電流來(lái)檢測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)，與原電池不同的是，它需要外界施加特定電壓,可以檢測(cè)CO、NO、NO2、O2、SO2等氣體。電量式氣體傳感器通過被測(cè)氣體與電解質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的電流檢測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)。離子電極式氣體傳感器通過測(cè)量離子極化電流來(lái)檢測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)。電化學(xué)式氣體傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：低體積分?jǐn)?shù)時(shí)氣體選擇性好，靈敏度高，體積小、重量輕，對(duì)氣體的反應(yīng)迅速并可連續(xù)探測(cè)，但需要定期填充電解液。2.5、 智能氣體傳感器20世紀(jì)80年代末，研究人員開始將氣敏元件和智能技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成智能氣體傳感器。采用多個(gè)具有不同敏感特性的氣敏元件組成陣列，通過模式識(shí)別技術(shù)對(duì)混合氣體進(jìn)行氣體識(shí)別和濃度檢測(cè)。智能氣體傳感器主要由氣敏陣列和處理電路兩大部分組成，如圖1所示。氣敏陣列由對(duì)不同氣體有較高靈敏度的敏感單元組成，氣敏陣列通常可以采用集成工藝制作專用的氣體傳感器陣列。體積小、功耗低，便于數(shù)據(jù)的集中采集與處理。單個(gè)氣體傳感器與氣體陣列在特性上有質(zhì)的區(qū)別，單個(gè)氣體傳感器對(duì)氣體的響應(yīng)可用強(qiáng)度來(lái)表示。而氣敏陣列除了各個(gè)傳感器的響應(yīng)外，并且在全部傳感器組成的多維空間中形成響應(yīng)模式，因此可以對(duì)多種氣體進(jìn)行辨識(shí)。信號(hào)處理部分包括氣敏信號(hào)采集、信號(hào)預(yù)處理、模式識(shí)別以及顯示輸出等功能模塊。其中，信號(hào)預(yù)處理單元是對(duì)氣敏陣列的響應(yīng)模式進(jìn)行預(yù)加工，完成特征提取。模式識(shí)別單元運(yùn)用一定的算法完成氣體的定性定量辨識(shí)。常用的模式識(shí)別算法有相關(guān)算法、最小二乘算法、主成分分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等。目前，利用模糊邏輯算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及它們的復(fù)合算法研制的智能火災(zāi)氣體探測(cè)器，如電子鼻已能隨機(jī)自動(dòng)辨認(rèn)各類火災(zāi)氣體，可以區(qū)分出燃著的香煙和燃燒各種木材的氣味，具有較高的智能化和可靠性。暨理電路「">

氣體氣成侑y仁曾」模式［七煒定過、定京集r預(yù)姓國(guó)「">

氣體圖1智能氣體傳感器的系統(tǒng)組成三、氣體傳感器的不足及改進(jìn)方案3.1、 半導(dǎo)體氣體傳感器穩(wěn)定性較差，受環(huán)境影響較大；尤其，每一種傳感器選擇性都唯一，輸出參數(shù)能確定，不宜應(yīng)用于計(jì)量準(zhǔn)確要求場(chǎng)所。3.2、 磁性氧氣傳感器只能用于氧氣檢測(cè)，選擇性極好。大氣環(huán)境中氮氧化物能夠產(chǎn)生微小影響，這些干擾氣體含量往往很少，磁氧分析技術(shù)選擇性幾乎是唯一。四、氣體傳感器在火災(zāi)探測(cè)中的應(yīng)用4.1、 特殊場(chǎng)所叮燃?xì)怏w火災(zāi)探測(cè)在煤礦、石油、化工等企業(yè)，一但發(fā)生可燃?xì)怏w泄露，極易造成大面積火災(zāi)并引起爆炸事故，所以在這些場(chǎng)所對(duì)煤氣、天然氣、液化氣等可燃性氣體進(jìn)行氣體泄露檢測(cè)，可以做到極早期的預(yù)防災(zāi)害的發(fā)生?？扇夹詺怏w監(jiān)測(cè)的原理是：針對(duì)某中具有一定選擇性、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短的氣體傳感器，將氣體傳感器安裝在生產(chǎn)，儲(chǔ)備、使用等車間場(chǎng)所中，及時(shí)監(jiān)測(cè)氣體含量，如果可燃性氣體含量達(dá)到預(yù)先設(shè)定值或氣體濃度達(dá)到氣體最低爆炸濃度界限，通過控制器啟動(dòng)報(bào)警裝置或開動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，從而達(dá)到預(yù)防火災(zāi)災(zāi)害、減小爆炸危險(xiǎn)的目的?，F(xiàn)行的可燃?xì)怏w探測(cè)器一般都是點(diǎn)型氣體探測(cè)器材，在實(shí)際應(yīng)用中存在著壽命短、易中毒、探測(cè)器面積小等缺陷，因此目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用一般只限于在重點(diǎn)位置安裝?；跉怏w分子紅外吸收原理的大面積可燃?xì)怏w探測(cè)器材在90年代初期由英國(guó)西格公司首創(chuàng)，沈陽(yáng)消防科研所填補(bǔ)了中國(guó)在此項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域的空白，自行研制開發(fā)了線型紅外可燃?xì)怏w探測(cè)器，采用雙波段實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃?xì)怏w的探測(cè)，一對(duì)探測(cè)器的最遠(yuǎn)探測(cè)距離可達(dá)80米，探測(cè)靈敏度高、響應(yīng)速度快，不會(huì)因某種氣體中毒而損壞壞器件，也不會(huì)因可燃性氣體濃度過高而降低性能。由于該系統(tǒng)采用了雙波段互補(bǔ)技術(shù)、信號(hào)窄脈動(dòng)同步分離術(shù)、探測(cè)器工作點(diǎn)自動(dòng)啟動(dòng)技術(shù)。最大限度的消除了灰塵、雨、雪、霧等自然環(huán)境對(duì)系統(tǒng)工作的影響，較好地解決了系統(tǒng)在較惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的問題。其探測(cè)效率、壽命、性能穩(wěn)定都遠(yuǎn)優(yōu)于目前應(yīng)用的典型可燃性氣體控制器。4.2、 高靈敏度的光聲火災(zāi)氣體探測(cè)利用光聲氣體傳感器的高靈敏度、快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)微量火災(zāi)氣體進(jìn)行探測(cè)從而實(shí)現(xiàn)火災(zāi)早期預(yù)報(bào)。這種氣體傳感器原理是：氣體吸收入射脈沖調(diào)制紅外光束彳麥產(chǎn)生聲波，通過對(duì)聲波信號(hào)檢測(cè)得知?dú)怏w濃度。圖8為Nebiker等人開發(fā)的一種光聲火災(zāi)氣體檢劇裝置，通過控制真空燈泡脈搏街電流得到脈沖調(diào)制的紅外光源，這種脈沖光源省略了斬波器、馬達(dá)等設(shè)備，而且可以由燈泡的亮度，燈泡的溫度、脈沖寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)紅外光源的可靠穩(wěn)定。當(dāng)檢測(cè)氣體進(jìn)入約1cm3大小的檢測(cè)室彳麥，在氣體吸收波長(zhǎng)脈動(dòng)光源作用下產(chǎn)生聲波，通過微音器檢測(cè)送入放大處理電路，經(jīng)過數(shù)字處理彳麥得到氣體的濃度，如圖9,利用這種光聲火災(zāi)氣體檢劇裝置對(duì)歐洲實(shí)驗(yàn)火TF2氣體濃度進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在陰燃價(jià)段CO濃度即表現(xiàn)了一定程度的增長(zhǎng)，而CO2、增長(zhǎng)較慢，當(dāng)陰燃轉(zhuǎn)為明火時(shí)，CO2氣體濃度顯著增加，同時(shí)CO氣體濃度顯著減少，在整個(gè)過程中，始終有少量CH4氣體的釋放，最高濃度可達(dá)20PPm左右。實(shí)驗(yàn)證明光聲氣體探測(cè)器能采劇火災(zāi)早期現(xiàn)象，在火災(zāi)探測(cè)領(lǐng)域有極大的發(fā)展相應(yīng)用前景。4.3、智能火災(zāi)探測(cè)智能火災(zāi)采劇是指探測(cè)系統(tǒng)采用有模糊邏輯算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能化算法以及它們的復(fù)合算法，能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，即具有自學(xué)習(xí)功能和自適應(yīng)能力，同時(shí)對(duì)信號(hào)的處理、報(bào)警的確定以及聯(lián)動(dòng)邏輯等功能都采取智能算法，從而更接近人的感觀口實(shí)際情況，提高火災(zāi)報(bào)警和聯(lián)動(dòng)控制的準(zhǔn)確性和可靠性，智能氣體探測(cè)引佰近年來(lái)在火災(zāi)探測(cè)領(lǐng)域得到的一定程度的發(fā)展，最早的電子鼻探測(cè)器成功地區(qū)分出了燃著的香煙和燃燒各種木材的氣味，如區(qū)分出橡木、紅木和火柴梗燃燒的不同氣味。目前利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件智能火災(zāi)氣體探測(cè)器三能隨機(jī)自動(dòng)辨認(rèn)各類火災(zāi)氣體，下一步工作是對(duì)多種類型火災(zāi)的辨認(rèn)能力、失報(bào)條件、早期報(bào)警能力和執(zhí)行持續(xù)性監(jiān)測(cè)的工程技術(shù)問題進(jìn)行深入研究。電子鼻技術(shù)在火災(zāi)探測(cè)領(lǐng)域的研究將拓展氣體傳感器的研究領(lǐng)域，擴(kuò)大氣體傳感器的應(yīng)用范圍，提高火災(zāi)探測(cè)的智能化和可靠性。五、氣體傳感器在火災(zāi)探測(cè)中的發(fā)展前景在火災(zāi)探測(cè)技術(shù)中，氣體火災(zāi)探測(cè)技術(shù)起步晚，但發(fā)展較快，尤其在火災(zāi)早期報(bào)警領(lǐng)域愈來(lái)愈受到火災(zāi)研究人員的重視，并已研制出各種類型的氣體火災(zāi)探測(cè)器以及智能、復(fù)合氣體火災(zāi)探測(cè)器。目前，氣體火災(zāi)探測(cè)器繼續(xù)朝著小型化、智能化和多參量/多判據(jù)的復(fù)合探測(cè)方向發(fā)展。5.1、 小型化隨著新的探測(cè)技術(shù)和新材料的應(yīng)用以及微電子技術(shù)的發(fā)展，氣體火災(zāi)探測(cè)器趨向小型化、微型化。利用納米粒子的電阻隨周圍環(huán)境中組成氣體的改變而發(fā)生變化的特性，可將納米材料制成氣體探測(cè)器，對(duì)有毒氣體、易燃易爆氣體等進(jìn)行檢測(cè)和定量測(cè)量。由于納米材料結(jié)品表面催化活性強(qiáng)，以及具有多孔結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，使用納米結(jié)品薄膜制作的氣敏元件具有更強(qiáng)的可選擇性和抗干擾性，提高了火災(zāi)報(bào)警的準(zhǔn)確性，減少誤報(bào)率。同時(shí)，納米材料粒度小，表面積小，大大降低使用溫度，縮小了功耗，使氣體火災(zāi)探測(cè)器逐步精良化、微型化。5.2、 智能化因納米、薄膜等新材料制備技術(shù)的成功應(yīng)用，為氣體火災(zāi)探測(cè)器集成化和智能化提供了很好的前提條件。氣體火災(zāi)探測(cè)器將在充分利用微機(jī)械與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、電路與系統(tǒng)、傳感技術(shù)、仿生學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論等多學(xué)科綜合技術(shù)的基礎(chǔ)上得到發(fā)展。研制能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)多種氣體的全自動(dòng)數(shù)字化的智能氣體傳感器，將是今后該領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。5.3、多參量/多判據(jù)的復(fù)合探測(cè)火災(zāi)是一個(gè)極其復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，不同環(huán)境和不同燃燒物質(zhì)的火災(zāi)生成物，如氣體成分、煙霧粒徑、溫度場(chǎng)分布及光譜構(gòu)成均有不同，只用一種火災(zāi)參量探測(cè)變化莫測(cè)的各類火災(zāi)勢(shì)必有很大困難，可能引起誤報(bào)的非火災(zāi)信號(hào)有灰塵、水氣、煙霧等不具備真實(shí)火災(zāi)的參量。因此，多參量/多判據(jù)的復(fù)合火災(zāi)探測(cè)不僅可以克服單一火災(zāi)參量造成的誤報(bào)，還可以識(shí)別由于非火災(zāi)信號(hào)導(dǎo)致的誤報(bào)，仍是未來(lái)氣體火災(zāi)探測(cè)器的研究熱點(diǎn)。此外，多參量/多判據(jù)的復(fù)合氣體探測(cè)還可以使火災(zāi)探測(cè)的時(shí)間縮短，實(shí)現(xiàn)早期報(bào)警。六、參考文獻(xiàn)程曉