电子ppt课件现代传感器原理及应用

1研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology第五章第五章 气体传感器气体传感器 Gas sensors第五章 气体传感器2研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology第五章第五章 气体传感器气体传感器 Gas sensors 5.1 概述概述 Introduction 5.2 半导体电阻半导体电阻型型气体传感器气体传感器 Semiconductor resistance-type gas sensors5.3 结型结型气体传感器气体传感器Junction-type gas sensors 5.4 浓差电池浓差电池Concentration cells5.5 接触燃烧式气体传感器接触燃烧式气体传感器 Contact combustion-type gas sensor 5.6 光学类气体传感器光学类气体传感器 Optical gas sensors5.7 气体传感器的应用气体传感器的应用 Applications第五章 气体传感器 Gas sensors 5.1 概述3研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology 二、分类：二、分类：1 1.按照原理：电阻式、结型、浓差电池式、按照原理：电阻式、结型、浓差电池式、光吸收式等等。光吸收式等等。2 2.从构成传感器材料的形态上从构成传感器材料的形态上分为分为两大两大类：类：干式气体传感器是干式气体传感器是指利用固体感测气体的；指利用固体感测气体的；湿式气体湿式气体传感器是传感器是利用水溶液或电解液与电极感知气体的。利用水溶液或电解液与电极感知气体的。三、对不同气体的检测方法三、对不同气体的检测方法，主要有：用半导体器件检，主要有：用半导体器件检测测气体气体的的电气法电气法、用电极和电解液检测、用电极和电解液检测气体气体的的电化学法电化学法、用光的折射率或光吸收等特性来检测气体的用光的折射率或光吸收等特性来检测气体的光学法光学法。这些。这些方法的物理效应、化学效应等用于开发多种气体传感器。方法的物理效应、化学效应等用于开发多种气体传感器。一、定义一、定义:能够把气体信息变成电信号的装置。能够把气体信息变成电信号的装置。5.1 5.1 概述概述 二、分类：1.按照原理：电阻式、结型、浓差电池式、光吸收式4研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology四、气体传感器的主要应用领域四、气体传感器的主要应用领域四、气体传感器的主要应用领域5研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology五、气体传感器的主要参数与特性五、气体传感器的主要参数与特性 1.1.灵敏度灵敏度-标志传感器对气体的敏感程度。用其输出标志传感器对气体的敏感程度。用其输出变化量变化量U U与气体浓度变化量与气体浓度变化量PP之比之比S S表示；也可表示；也可用用空气中的空气中的输出值输出值U U0 0与在被测气体中的与在被测气体中的输出值输出值U Ug g之比之比K K表示表示；即；即：2.2.响应时间响应时间-指从传感器与被测气体接触，到其输指从传感器与被测气体接触，到其输出达到新的恒定值所需要的时间，出达到新的恒定值所需要的时间，表示其对被测气体的表示其对被测气体的反应速度。反应速度。3.3.选择性选择性-指在多种气体共存时传感器指在多种气体共存时传感器区分气体种类区分气体种类的能力，的能力，对某种气体有较高的灵敏度表示对它的选择性好。对某种气体有较高的灵敏度表示对它的选择性好。五、气体传感器的主要参数与特性 灵敏度-标志传感器对气6研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology4.4.稳定性稳定性-当气体浓度不变、其它条件变化当气体浓度不变、其它条件变化时时，气，气敏元件敏元件输出特性维持不变输出特性维持不变的能力。表示传感器对气体浓的能力。表示传感器对气体浓度外各种因素的抵抗能力。度外各种因素的抵抗能力。5.5.温度特性温度特性-灵敏度随灵敏度随温度变化的特性温度变化的特性。元件自身温。元件自身温度与环境温度对灵敏度都有影响。采用温度补偿方法。度与环境温度对灵敏度都有影响。采用温度补偿方法。6.6.湿度特性湿度特性-灵敏度随灵敏度随环境湿度变化的特性环境湿度变化的特性，会影响，会影响检测精度。采用湿度补偿方法。检测精度。采用湿度补偿方法。4.稳定性-当气体浓度不变、其它条件变化时，气敏元7研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology5.2 5.2 半导体半导体电阻型气体传感器电阻型气体传感器 Semiconductor resistance-type gas sensors 5.5.2.22.2 体电阻型气体传感器体电阻型气体传感器 Body resistance-type gas sensors 5.25.2.1.1 表面电阻型气体传感器表面电阻型气体传感器 The surface resistance-type gas sensors 5.2 半导体电阻型气体传感器5.2.2 体电阻型气体传8研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology 一、定义一、定义：半导体半导体的表面电阻或的表面电阻或电导率电导率随随吸附吸附某气体某气体浓度而变化的元件浓度而变化的元件-有有SnOSnO2 2、ZnOZnO、WOWO3 3等。等。N型半导体吸附气型半导体吸附气体后阻值变化体后阻值变化图图：5.25.2.1.1 表面电阻型气体传感器表面电阻型气体传感器 一、定义：半导体的表面电阻或电导率随吸附某气体浓度而变化的9研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology 当气体分子的亲和能当气体分子的亲和能 半导体表面电子半导体表面电子的的逸出功时，逸出功时，如氧气、氧化氮如氧气、氧化氮气体会从表面夺取电子气体会从表面夺取电子；对于；对于N N型半导型半导体体，表面多数载流子（电子）浓度会减少，电阻增加。，表面多数载流子（电子）浓度会减少，电阻增加。若气体分子若气体分子 半导体表面电子的逸出功时，如氧气、氧10研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology5.2.15.2.1.1.1 SnO SnO2 2系气敏元件系气敏元件 5.2.5.2.1.1.2 ZnO2 ZnO系气敏元件系气敏元件 5.2.5.2.1.1.3 3 其他氧化物气敏元件其他氧化物气敏元件 5.2.1.1 SnO2系气敏元件 5.2.1.2 Zn11研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology一、工作原理一、工作原理 SnO SnO2 2性能稳定，是一种性能稳定，是一种N N型半导体型半导体 当当接触接触空气中空气中O O2 2和和NONO2 2时时，吸附氧吸附氧会束缚会束缚SnOSnO2 2表面表面中中的电子，使表面的电子减少，的电子，使表面的电子减少，SnO SnO2 2器件的电阻增加。器件的电阻增加。再与再与被测气体（如被测气体（如H H2 2、COCO）接触）接触时与吸附氧发生反时与吸附氧发生反应，将被氧束缚的电子释放出来，表面电导增加，使电应，将被氧束缚的电子释放出来，表面电导增加，使电阻减小。阻减小。用于用于检测可燃的还原性气体检测可燃的还原性气体如如H H2 2、COCO。5.2.15.2.1.1.1 SnO SnO2 2系气敏元件系气敏元件 一、工作原理 SnO2性能稳定，是一种N型半导体5.12研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology二、二、SnOSnO2 2气敏元件气敏元件 1.1.烧结型烧结型SnOSnO2 2气敏元件气敏元件 （l l）直热式直热式SnOSnO2 2气敏元件气敏元件-又称内热式器件又称内热式器件工作温度约工作温度约300，按照其加热方式可分为，按照其加热方式可分为直热式直热式与与旁旁热式热式两种。两种。二、SnO2气敏元件 1.烧结型SnO2气敏元件（l）13研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology芯片芯片-以以SnO2为主成份的烧结体，为主成份的烧结体，中间埋设两根电极中间埋设两根电极并兼作加热器的螺旋形并兼作加热器的螺旋形铂铂-铱合金线铱合金线(阻值约为阻值约为25)。见图见图a测量时电极测量时电极3和和4短接成一个电极短接成一个电极，并与，并与1组成测量电阻，组成测量电阻，如图（如图（c），它与加热电路），它与加热电路1,2间共用间共用1端，易相互干扰。端，易相互干扰。加热器与加热器与SnO2基体间由于热膨胀系数的差异而导致接触基体间由于热膨胀系数的差异而导致接触不良，最终会造成元件的失效，寿命短。不良，最终会造成元件的失效，寿命短。气敏元件的构成包括：气敏元件的构成包括：芯片芯片(敏感体和加热器敏感体和加热器)、基座、金属防爆网罩、基座、金属防爆网罩芯片-以SnO2为主成份的烧结体，中间埋设两根电极并兼14研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology（2 2）旁热式旁热式SnOSnO2 2气敏元件气敏元件 包括：包括：薄壁陶瓷薄壁陶瓷（含（含AlAl2 2O O3 375%75%的的7575瓷管）、瓷管）、气体敏感层气体敏感层（厚度（厚度100m11氧量充足，氧量充足，1UUT T时才能形成漏电流时才能形成漏电流I ID D。当栅极吸附了被测气体后当栅极吸附了被测气体后，栅极与半导体的功函数和表，栅极与半导体的功函数和表面状态发生变化，使面状态发生变化，使U UT T相应改变。由相应改变。由U UT T的变化来测定被测的变化来测定被测气体的性质和浓度。气体的性质和浓度。MOSFET气敏元件：利用UT对栅极表面吸附的气体非常敏感的48研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology二、二、Pd-MOSFETPd-MOSFET集成氢敏元件集成氢敏元件 先制一个扩散硅电阻先制一个扩散硅电阻加热元件加热元件，再作钯栅，再作钯栅MOSMOS晶体管和一只硅晶体管和一只硅二极管作测温元件，形成一个集成氢气传感器。二极管作测温元件，形成一个集成氢气传感器。当测温二极管与加热电阻形成一个闭环控制系统时，可保证当测温二极管与加热电阻形成一个闭环控制系统时，可保证集成传感器工作在恒温状态。集成传感器工作在恒温状态。结构图：结构图：二、Pd-MOSFET集成氢敏元件 先制一个扩散硅电阻加热元49研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology原理：原理：在在钯催化钯催化使氢电离成并扩散到钯膜与使氢电离成并扩散到钯膜与SiOSiO2 2界面上形成电界面上形成电偶极层，降低了金属与半导体的功函数差。偶极层，降低了金属与半导体的功函数差。MOSMOS晶体管由漏源晶体管由漏源间形成间形成N N沟道而导通。沟道而导通。测量氢气浓度时测量氢气浓度时，将漏极与栅极短接。将漏极与栅极短接。在漏源极间加恒流在漏源极间加恒流100A100A使使MOSMOS管刚刚开启管刚刚开启，此时：，此时：若若I ID D恒定，恒定，当氢气扩散入钯栅层后必然当氢气扩散入钯栅层后必然引起引起U UT T变化变化，同时，同时引引起栅源间电压变化起栅源间电压变化，则有：，则有：氢气量越多，功函数变化越大，氢气量越多，功函数变化越大，UUT T越大，则栅源间电压变越大，则栅源间电压变化化UUG G越大。这样，越大。这样，通过测量栅源间电压通过测量栅源间电压UUG G，就可测知周围氢，就可测知周围氢气的含量气的含量。原理：在钯催化使氢电离成并扩散到钯膜与SiO2界面上形成电偶50研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology三、氨敏元件三、氨敏元件 先在先在SiOSiO2 2上淀积一层上淀积一层d d轨道未被填满的过渡金属轨道未被填满的过渡金属衬底层衬底层（如（如LaLa、IrIr、PtPt），再形成钯栅，使氨在钯栅表面的分解，再形成钯栅，使氨在钯栅表面的分解速度增大，反应为：速度增大，反应为：氨分解的氨分解的氢原子氢原子透过栅极扩散到透过栅极扩散到Pd-SiOPd-SiO2 2界面，使界面，使PdPd的功函的功函数下降。不同衬底都可使数下降。不同衬底都可使NHNH3 3的响应特性改善。的响应特性改善。NHNH3 3(环境中氨环境中氨)NH)NH3 3（吸附在（吸附在PdPd表面的氨）表面的氨）N N+3+3H H（吸附在（吸附在PdPd表面）表面）用于制造尿素、用于制造尿素、肥料和亚硝酸肥料和亚硝酸工业中。工业中。三、氨敏元件 先在SiO2上淀积一层d轨道未被填满的过渡金51研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology四、四、SnO2-MOSFET COCO气敏元件气敏元件 为了提高其低温下的灵敏度，为了提高其低温下的灵敏度，常在常在SnOSnO2 2表面溅射一层表面溅射一层10105050的的PdPd层，层，对对COCO有较好的响应特性。有较好的响应特性。PdPd、PtPt-SnOSnO2 2栅气敏元件对栅气敏元件对COCO的响应特性：的响应特性：四、SnO2-MOSFET CO气敏元件 为了提高其低温下的52研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology五、五、PdO-Pd双层双层孔栅孔栅Pd-MOSFETPd-MOSFET对对CO具有敏感性能具有敏感性能 PdO-Pd PdO-Pd双层双层“孔栅孔栅”结构剖面结构剖面 “孔栅孔栅”结构结构-是在普通是在普通MOS管的金属栅上开出许管的金属栅上开出许多孔洞多孔洞。或将钯栅氧化，用金作保护层，得到保护层金或将钯栅氧化，用金作保护层，得到保护层金属属-Pd双层双层“孔栅孔栅“结构。结构。五、PdO-Pd双层孔栅Pd-MOSFET对CO具有敏感性能53研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology 孔栅允许孔栅允许CO分子渗入并到洞底的分子渗入并到洞底的SiO2表面，表面，CO分子分子再沿着孔洞周界层隙向再沿着孔洞周界层隙向Pd-SiO2界面扩散进去。界面扩散进去。孔钯栅孔钯栅MOS器件对器件对CO具有敏感性能。具有敏感性能。因为钯对氢的因为钯对氢的“离析溶解离析溶解”特性，对氢气的灵敏度大特性，对氢气的灵敏度大于对于对CO的灵敏度。的灵敏度。带孔双层栅结构，可抑制对带孔双层栅结构，可抑制对H H2 2的灵敏度，保持较好的的灵敏度，保持较好的COCO灵灵敏度，改善元件对敏度，改善元件对COCO的灵敏度和选择性。的灵敏度和选择性。孔栅允许CO分子渗入并到洞底的SiO2表面，CO分子再沿54研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology定义定义-用固体电解质作为介质，加上孔状电极，两边用固体电解质作为介质，加上孔状电极，两边因气体浓度差而因气体浓度差而产生电位差的气体传感器产生电位差的气体传感器。固体电解质固体电解质依靠在低于其熔点温度下阴或阳离子导电，依靠在低于其熔点温度下阴或阳离子导电，其电导率为其电导率为1010-1-11010-2-2（cmcm）-1-1）：如）：如ZrOZrO2 2的的氧离子氧离子、LiSOLiSO4 4的的LiLi+离子都有传导性。离子都有传导性。主要有主要有O O2-2-(CaTi(CaTi10.910.9MgMg0.050.05O O3-3-,CeO,CeO2 2,Bi,Bi1.51.5W W0.240.24O O3 3)、F F-(LaF(LaF3 3,Pb,Pb1-x1-xBiBix xF F2+x2+x,PbF,PbF2 2,CaF,CaF2 2)、ClCl-(PbCl(PbCl2 2,SnCl,SnCl2 2,CsPbClCsPbCl2 2)、BrBr-(PbBr(PbBr2 2,CsPbBr,CsPbBr2 2)、NaNa+(Na-AlNa-Al2 2O O3 3,NaNa2 2ZrPSiOZrPSiO1212,Na-Ga,Na-Ga2 2O O3 3)、NH4NH4+(NHNH4 4-Al-Al2 2O O3 3)等等。等等。S S、SOSO2 2、SOSO3 3、N0N02 2、卤素等多种。、卤素等多种。5.5.4 4 浓差电池气体传感器浓差电池气体传感器 定义-用固体电解质作为介质，加上孔状电极，两边因气体浓55研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology5.5.4 4.1 .1 浓差电池式浓差电池式ZrOZrO2 2氧传感器氧传感器 5.5.4 4.2 SO.2 SO2 2传感器传感器 5.4.1 浓差电池式ZrO2氧传感器 5.4.2 SO56研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology用用ZrOZrO2 2固体电解质固体电解质为工作介质：为工作介质：ZrOZrO2 2有氧离子传导性，有氧离子传导性，添添加适量的加适量的CaOCaO或或Y Y2 2O O3 3等的固溶体，等的固溶体，CaCa2+2+和和Y Y3+3+置换了置换了ZrZr4+4+部分部分位置，产生氧的空位（位置，产生氧的空位（O O2-2-），即），即稳定化稳定化ZrOZrO2 2介质。介质。在一定高温下，在一定高温下，当稳定化当稳定化ZrOZrO2 2介质两侧介质两侧有多孔性金属电极有多孔性金属电极，且两侧氧浓度不同时，出现高浓度侧氧且两侧氧浓度不同时，出现高浓度侧氧通过氧空位通过氧空位以以O O2-2-离离子状态向低氧浓度一侧迁移，形成氧离子电导特性。子状态向低氧浓度一侧迁移，形成氧离子电导特性。两侧电极上产生氧浓差电势两侧电极上产生氧浓差电势，即形成一种浓差电池。，即形成一种浓差电池。如下图：如下图：5.5.4 4.1 .1 浓差电池式浓差电池式ZrOZrO2 2氧传感器氧传感器 用ZrO2固体电解质为工作介质：ZrO2有氧离子传导性，添加57研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology氧浓差电池结构图、原理图：氧浓差电池结构图、原理图：参比电极参比电极和和测量测量电极电极都是金属都是金属PtPt，且有让氧离子，且有让氧离子通过的多孔。通过的多孔。氧浓差电池结构图、原理图：参比电极和测量电极都是金属Pt，58研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology高浓度侧：高浓度侧：在参比电极上在参比电极上吸附一个氧分子，与吸附一个氧分子，与4 4个电子形个电子形成两个成两个O O2-2-离子进入电解质，使参比电极带正电位；离子进入电解质，使参比电极带正电位；低浓度侧：低浓度侧：两个两个O O2-2-离子经高温受热的电解质到达离子经高温受热的电解质到达测量电测量电极，极，给出给出4 4个电子使测量电极带负电。个电子使测量电极带负电。高浓度侧高浓度侧参比电极上参比电极上:O:O2 2+4e 2O+4e 2O2-2-低浓度侧低浓度侧测量电极上测量电极上:2O:2O2-2-O O2 2+4e +4e 对于理想气体所产生的对于理想气体所产生的电动势电动势E E，可用可用NernstNernst公式表示：公式表示：R R为气体常数，为气体常数，T T为绝对温为绝对温度，度，F F为法拉第常数，为法拉第常数，P PR R为为高氧浓度，高氧浓度，P PM M为低氧浓度。为低氧浓度。高浓度侧：在参比电极上吸附一个氧分子，与4个电子形成两个O259研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and TechnologyT=700T=700时，若参比气体为空气（即氧分压较大），时，若参比气体为空气（即氧分压较大），E E值与测量侧气体的氧含量或氧分压值与测量侧气体的氧含量或氧分压P P值关系：值关系：T=700时，若参比气体为空气（即氧分压较大），E值与测量60研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology控制空燃比的控制空燃比的ZrOZrO2 2氧传感器的结构氧传感器的结构：由产生电动势的：由产生电动势的ZrOZrO2 2电解质管、起电极作用的衬套、以及防止电解质管、起电极作用的衬套、以及防止ZrOZrO2 2管损坏和导管损坏和导入汽车排气的进气孔组成。入汽车排气的进气孔组成。ZrOZrO2 2管的内、外表面有管的内、外表面有一一薄薄层铂，起电极作用层铂，起电极作用+对对COCO与与O O2 2的的反应起催化作用。反应起催化作用。ZrOZrO2 2氧传感器的结构氧传感器的结构 输出特征输出特征 控制空燃比的ZrO2氧传感器的结构：由产生电动势的ZrO2电61研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology 特点：特点：（1 1）工作温度较高（工作温度较高（在在800800以上），以上），用催用催化性强的化性强的二氧化钌（二氧化钌（RuORuO2 2）工作温度降至）工作温度降至300300，扩大应，扩大应用范围用范围，延长电池的使用寿命延长电池的使用寿命。（2 2）电解质及电极材料的物理化学性能受高温的影响。）电解质及电极材料的物理化学性能受高温的影响。如控制汽车的空气如控制汽车的空气/燃料比；在锅炉和内燃机中测量燃料比；在锅炉和内燃机中测量和控制燃烧过程；控制高温炼钢的质量；用于环境保护，和控制燃烧过程；控制高温炼钢的质量；用于环境保护，分析和监控大气污染。分析和监控大气污染。特点：（1）工作温度较高（在800以上），用催化性62研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology二、二、ZrOZrO2 2微量氧分析仪微量氧分析仪 除氧单元为分子筛高效脱氧，配氧单元为电化学氧化锆氧泵，除氧单元为分子筛高效脱氧，配氧单元为电化学氧化锆氧泵，测氧单元为测氧单元为ZrO2浓差电池。浓差电池。当样品被分成当样品被分成（I I）和和（IIII）两条气路，两条气路，假设，假设，P Px x代表样品气中的氧含量；代表样品气中的氧含量；P Pa1a1得得P Pa2a2分别为向气路分别为向气路（I I）和和（IIII）中泵入的氧量；中泵入的氧量；P Pc1c1和和P Pc2c2分别为两气路中与可燃性气分别为两气路中与可燃性气体反应而消耗掉的氧量；体反应而消耗掉的氧量；P P1 1和和P P2 2分别为两气路中最终测得的氧分别为两气路中最终测得的氧含量。于是：含量。于是：设计原理框图：设计原理框图：二、ZrO2微量氧分析仪 除氧单元为分子筛高效脱氧，配氧单元63研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology根据法拉第定理：根据法拉第定理：Pa为配氧量（10-6），I为泵电流（mA），q为载气流速L/h 当两气路中气体流量相等，两个配氧单元当两气路中气体流量相等，两个配氧单元（I I、IIII）电极两端电极两端的电流相等时，向两气路中泵入的氧量也相等，即的电流相等时，向两气路中泵入的氧量也相等，即P Pa2a2=P=Pa1a1，所以两气路中与可燃性气体反应消耗的氧也应相等，即所以两气路中与可燃性气体反应消耗的氧也应相等，即P Pc1c1=P=Pc2c2。测出氧单元测出氧单元（I I、IIII）两端的电势两端的电势E E1 1和和E E2 2，计算出，计算出P P1 1和和P P2 2，从而求出，从而求出P Px x。求出样品气体中的氧含量：求出样品气体中的氧含量：根据法拉第定理：Pa为配氧量（10-6），I为泵电流（m64研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology三、极限电流式三、极限电流式ZrOZrO2 2氧传感器氧传感器 当给当给ZrO2上加电压时上加电压时，氧经，氧经ZrO2被从阴极泵到阳极，泵电流引被从阴极泵到阳极，泵电流引起电极极化，使单位外电压的增加所产生的泵电流的增加逐渐起电极极化，使单位外电压的增加所产生的泵电流的增加逐渐减小，出现减小，出现电流不变电流不变的现象，这个泵电流称为的现象，这个泵电流称为极限电流。极限电流。极限电流式极限电流式ZrOZrO2 2氧传感器原理图与特性曲线：氧传感器原理图与特性曲线：三、极限电流式ZrO2氧传感器 当给ZrO2上加电压时，氧经65研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology用这种方法构成的氧传感器称作用这种方法构成的氧传感器称作极限电流氧传感器极限电流氧传感器在在ZrO2上施加电压时，与待上施加电压时，与待测气体有小孔相连的测气体有小孔相连的小室内小室内，氧形成氧负离子（氧形成氧负离子（O2-）被抽）被抽到另一侧，在电极电路中有到另一侧，在电极电路中有电流流过；电流流过；增大电压增大电压，流经，流经回路的电流增大；回路的电流增大；待电压超待电压超过某一数值时过某一数值时，电流不再增，电流不再增大而大而达到极限值达到极限值。用这种方法构成的氧传感器称作极限电流氧传感器在ZrO2上施加66研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and TechnologyI IL L与被测环境中氧气的含量与被测环境中氧气的含量成正比成正比，且完全决定于且完全决定于氧氧向小室内扩散的速率向小室内扩散的速率（由扩散孔的面积和长度所决定）（由扩散孔的面积和长度所决定），表示为：，表示为：DO2是是N2中氧的扩散中氧的扩散系数，系数，S是扩散孔面积，是扩散孔面积，L是扩散是扩散孔长度，孔长度，PO2是待测气体的是待测气体的氧分压值。氧分压值。I IL L被镀在被镀在ZrOZrO2 2管外的涂覆层所限制。应用时管外的涂覆层所限制。应用时,管子管子外部暴露在汽车尾气中直接和尾气接触，内电极和空外部暴露在汽车尾气中直接和尾气接触，内电极和空气接触。气接触。主要应用于缺氧报警、环境氧浓度测定与监控，汽车主要应用于缺氧报警、环境氧浓度测定与监控，汽车发动机燃烧室的空燃比测控等。发动机燃烧室的空燃比测控等。IL与被测环境中氧气的含量成正比，且完全决定于氧向小室内扩散67研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology测量固定燃烧排气中的测量固定燃烧排气中的SOSO2 2传感器结构传感器结构:采用采用LiLi+离子导体，即离子导体，即LiSOLiSO4 4电解质电解质；由于；由于SOSO2 2和氧共存和氧共存会反应生成会反应生成SOSO3 3，其电化学电池表示为：，其电化学电池表示为：决定电位的电极反应：决定电位的电极反应：5.5.4 4.2 SO.2 SO2 2浓差电池传感器浓差电池传感器 PtPt（OO2 2、SOSO2 2、SOSO3 3）/LiSO/LiSO4 4/Pt/Pt（SOSO3 3、SOSO2 2、OO2 2）测量固定燃烧排气中的SO2传感器结构:决定电位的电极反应：68研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology当氧浓度高时，电动势当氧浓度高时，电动势E E可表示为：可表示为：式中式中P PSO2SO2（inin）是两侧送入的）是两侧送入的SOSO2 2的分压。的分压。如一侧流过已知浓度的如一侧流过已知浓度的SOSO2 2，E E可求得另一侧的可求得另一侧的SOSO2 2浓度。浓度。如以如以5%Ag5%Ag2 2SOSO4 4固溶于固溶于LiLi2 2SOSO4 4中制成电解质，电化学电池：中制成电解质，电化学电池：AuAu、Ag/LiAg/Li2 2SOSO4 4(5%AgSO(5%AgSO4 4)/SO)/SO3 3、SOSO2 2、O O2 2、AuAu效果较好。效果较好。如用硝酸盐和碳酸盐作为固体电解质，可作成测量如用硝酸盐和碳酸盐作为固体电解质，可作成测量NONO、NONO2 2和和COCO、COCO2 2的传感器。的传感器。当氧浓度高时，电动势E可表示为：式中PSO2（in）是两侧69研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology5.5.5 5.1 .1 气敏元件的检测原理与结构气敏元件的检测原理与结构 5.5.5 5.2 .2 气敏元件的特性气敏元件的特性 5.5.5 5 接触燃烧式气体传感器接触燃烧式气体传感器 5.5.1 气敏元件的检测原理与结构 5.5.2 气敏元70研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology1.1.可燃气体（可燃气体（H H2 2、COCO、CHCH4 4、LPGLPG）与空气中氧接触）与空气中氧接触发生发生氧化反应，产生反应热（无焰接触燃烧热），使铂丝温氧化反应，产生反应热（无焰接触燃烧热），使铂丝温度升高，度升高，具有具有PTCPTC的的铂电阻值增加，铂电阻值增加，且在且在T T不太高时，不太高时，电电阻率与温度有良好的线性关系。阻率与温度有良好的线性关系。2.2.一般空气中可燃性气体都可完全燃烧，其发热量与可一般空气中可燃性气体都可完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度成正比；铂电阻的增大量燃性气体的浓度成正比；铂电阻的增大量RR就与就与可燃可燃性气体浓度成正比性气体浓度成正比。一、原理：一、原理：实际在铂丝圈外涂覆一层氧化物触媒，以延长其寿命，实际在铂丝圈外涂覆一层氧化物触媒，以延长其寿命，提高响应特性。提高响应特性。5.5.5 5.1 .1 气敏元件的检测原理与结构气敏元件的检测原理与结构 1.可燃气体（H2、CO、CH4、LPG）与空气中氧接触发生71研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technologya a）元件的内部示意图）元件的内部示意图 b b）敏感元件外形图）敏感元件外形图 1.1.直径直径505060m60m的的99.999%99.999%铂丝绕制成直径铂丝绕制成直径约为约为0.5mm0.5mm的线圈的线圈；2.2.在线圈外面涂以氧化在线圈外面涂以氧化铝或与氧化硅组成的膏铝或与氧化硅组成的膏状涂覆层，一定温度下状涂覆层，一定温度下烧结成烧结成球状球状多孔载体多孔载体；3.浸渍钯盐溶液高温在浸渍钯盐溶液高温在多孔多孔载载体体上形成贵金属接触媒层；上形成贵金属接触媒层；4.组装成组装成气体敏感元件气体敏感元件。二、结构图：二、结构图：a）元件的内部示意图 b）敏感元件外形图 1.直径50672研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology图中图中F F1 1是气敏元件是气敏元件，F F2 2补偿元件补偿元件，F2铂线圈的尺寸、阻值、载体铂线圈的尺寸、阻值、载体层与层与F1相同，只是无贵金属触相同，只是无贵金属触媒粉体。媒粉体。以补偿环境温度变化、电源电以补偿环境温度变化、电源电压变化等所引起的偏差。压变化等所引起的偏差。工作时要求在工作时要求在F F1 1和和F F2 2上应保持一上应保持一定电流（定电流（100100200mA200mA），以供），以供给可燃性气体给可燃性气体F F1 1上接触燃烧所上接触燃烧所需的热量。需的热量。三、接触燃烧式气敏元件的检测电路三、接触燃烧式气敏元件的检测电路图中F1是气敏元件，F2补偿元件，F2铂线圈的尺寸、阻值、载73研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology如果如果BD上电阻为上电阻为R1，BC上为上为R2，F1的电阻为的电阻为RF1，F2的电阻为的电阻为RF2；当当F1与可燃性气体接触时与可燃性气体接触时，剧烈的氧化反应释放出热，剧烈的氧化反应释放出热量，温度上升量，温度上升电阻值增大，电阻值增大，电阻变化为电阻变化为RF，所以，所以，A、B间的电位差间的电位差E：如果BD上电阻为R1，BC上为R2，F1的电阻为RF1，F274研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology由于平衡条件由于平衡条件 ，则：，则：而而RRF F可以表示为：可以表示为：为元件的电阻温度系数；为元件的电阻温度系数；TT为燃烧引起的温度增加值；为燃烧引起的温度增加值；HH为气体燃烧的发热量；为气体燃烧的发热量；Q Q为气体的燃烧热，由气体的种类决定；为气体的燃烧热，由气体的种类决定；M M为燃性气体的浓度为燃性气体的浓度%（volvol）；C C为气敏元件的热容量；为气敏元件的热容量；为气敏元件上涂覆的催化剂决定的常数。为气敏元件上涂覆的催化剂决定的常数。由于平衡条件 ，则：而RF可以表75研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology ，A A、B B间的电位差间的电位差E E与可燃性气体的浓度与可燃性气体的浓度m m成正比成正比。若与相应的电路配合，能在空气中可燃性气体达到一定若与相应的电路配合，能在空气中可燃性气体达到一定浓度时自动发出报警信号。浓度时自动发出报警信号。，A、B间的电位差E与可燃性气体的浓76研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology横坐标：气体浓度单位横坐标：气体浓度单位对于不同的可燃性气体其值不同；对于不同的可燃性气体其值不同；输出电压与浓度成正比输出电压与浓度成正比大多数可燃性气体的摩尔燃烧热大多数可燃性气体的摩尔燃烧热（Q Q）与可燃性气体的爆炸下限浓度）与可燃性气体的爆炸下限浓度（m m）的乘积（的乘积（mQmQ）大体上是一）大体上是一个常数。个常数。优点优点：与之配套的二次仪表设计简单；与之配套的二次仪表设计简单；此气体传感器可作为定量检测元件。此气体传感器可作为定量检测元件。LEL：Lower explosion limit5.5.5 5.2 .2 气敏元件的特性气敏元件的特性 横坐标：气体浓度单位LEL：Lower explosion 77研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology原理：原理：采用近红外线低损耗光纤系统、低功率激光器及采用近红外线低损耗光纤系统、低功率激光器及其低成本低损耗光纤耦合，其低成本低损耗光纤耦合，研究被测气体分子研究被测气体分子对对近红外光的吸收或差动吸收，可实现大气远距离近红外光的吸收或差动吸收，可实现大气远距离在线检测与控制。在线检测与控制。5.5.6 6.1 .1 光纤气体传感器光纤气体传感器 5.5.6 6 光学类气体传感器光学类气体传感器 原理：5.6.1 光纤气体传感器 5.6 光学类气体传感78研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology一、差动吸收法光纤远距离测量系统一、差动吸收法光纤远距离测量系统 图中光源为激光器，或发光二极管。图中光源为激光器，或发光二极管。将光源用光纤连接将光源用光纤连接到被测气体多次反射吸收盒到被测气体多次反射吸收盒即气体怀特盒即气体怀特盒。被调谐的激。被调谐的激光器的两个频率光器的两个频率f fA A、f fW W分别取在被测气体分子吸收频率和分别取在被测气体分子吸收频率和非吸收频率上。非吸收频率上。一、差动吸收法光纤远距离测量系统 图中光源为激光器，或发光二79研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology 怀特盒怀特盒输出光信号经透镜到光劈输出光信号经透镜到光劈BS(1)，光劈把，光劈把光分为两束，分别经滤光片光分为两束，分别经滤光片L1、L2得到得到1、2两波长两波长光信号，由硅光电二极管光信号，由硅光电二极管PD1、PD2转换为电信号转换为电信号Is(1)、Is(2)；为消除光源发光不稳定性带来的测量误差，用光栅为消除光源发光不稳定性带来的测量误差，用光栅把把1、2分别送至两硅光电二极管分别送至两硅光电二极管PD3、PD4，变为，变为电信号电信号Ir(1)、Ir(2),四个电流信号在模拟处理单元进行信号处理，并四个电流信号在模拟处理单元进行信号处理，并显示记录被测气体浓度、补偿光纤传输损失、激光器显示记录被测气体浓度、补偿光纤传输损失、激光器发光不稳定性以及系统系数的标定。发光不稳定性以及系统系数的标定。怀特盒输出光信号经透镜到光劈BS(180研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology1.1.用可见光吸收遥测用可见光吸收遥测NONO2 2浓度浓度 原理：原理：在可见光谱内，空气污染中只有在可见光谱内，空气污染中只有NONO2 2分子呈现很大的吸收分子呈现很大的吸收特性；特性；选择选择1 1=496.5nm=496.5nm为最小吸收波长为最小吸收波长，2 2=514.5nm=514.5nm为最大吸为最大吸收波长收波长。可用氩离子激光器为光源，用上图实现两者的差动测。可用氩离子激光器为光源，用上图实现两者的差动测量以表征空气中量以表征空气中NONO2 2的含量。的含量。两波谱上的差动吸收系数为两波谱上的差动吸收系数为=5.9102/m=5.9102/m。由光纤传送的怀特。由光纤传送的怀特NONO2 2浓度实时测量结果曲线：浓度实时测量结果曲线：1.用可见光吸收遥测NO2浓度 原理：在可见光谱内，空气污染81研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology 传感器光信号通过差动信号检测与处理，显示传感器光信号通过差动信号检测与处理，显示和记录空气中被测和记录空气中被测NO2浓度。浓度。把摩托车排出的废气引进测量气室，发动机速度把摩托车排出的废气引进测量气室，发动机速度由低速（约由低速（约500rpm,A区）到高速（约区）到高速（约3000rpm,B区）区）变化进行测试，所得实时测量结果如图所示。如光路变化进行测试，所得实时测量结果如图所示。如光路长度长度Lc=1km，光纤长度，光纤长度Lf=1.3km时，探测时，探测NO2浓度浓度的灵敏度可达的灵敏度可达Nmin=3.010-8。完全满足一般城市大气中完全满足一般城市大气中NO2浓度的检测要求。浓度的检测要求。传感器光信号通过差动信号检测与处理，82研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology2.2.用近红外光遥测用近红外光遥测CHCH4 4浓度浓度原理原理：由于硅光纤对近红外：由于硅光纤对近红外光波段的传输损失；光波段的传输损失；大气的污染气体：大气的污染气体：CHCH4 4、HClHCl、COCO2 2等都在近红外区分布有吸等都在近红外区分布有吸收谱线。所以收谱线。所以用波长为用波长为0.920.921.65m1.65m的近红外光的近红外光InGaAsPInGaAsP或或InGaSbPInGaSbP半导体激半导体激光二极管（光二极管（LDLD），可实现分，可实现分子浓度的远距功率离遥测。子浓度的远距功率离遥测。选择选择1.66m的的LD做光源，更做光源，更有利于提高探测灵敏度。有利于提高探测灵敏度。CHCH4 4为为6.5%6.5%浓度时的浓度时的CHCH4 4-N-N2 2混合气混合气体结果，体结果，光纤系统吸收测量光纤系统吸收测量CH4浓度图浓度图:在在1.66m谱线谱线CH4分分子吸收系数比在子吸收系数比在1.33m更大更大2.用近红外光遥测CH4浓度原理：由于硅光纤对近红外光波段的83研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology二、光纤二、光纤NHNH3 3气体传感器气体传感器 探头结构图探头结构图：原理：原理：气体穿过透气膜进入探头气体穿过透气膜进入探头,使探头内部电解质使探头内部电解质溶液的溶液的PHPH值发生变化，从而改变了内充液中指示剂值发生变化，从而改变了内充液中指示剂的共轭酸碱异构体的浓度比。的共轭酸碱异构体的浓度比。二、光纤NH3气体传感器 探头结构图：84研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology 双探头结构的光纤传感器双探头结构的光纤传感器：两个两个LED发出的光发出的光经半透半反镜和透镜系统经半透半反镜和透镜系统以同样的平行光以同样的平行光束馈送入入射光纤，来自探头的信号经出射光纤直接由光电二极束馈送入入射光纤，来自探头的信号经出射光纤直接由光电二极管接收。这样，参比光和信号光经过的路径相同，补偿了光路上管接收。这样，参比光和信号光经过的路径相同，补偿了光路上的变化。整个系统结构检测灵敏度高，检测限达的变化。整个系统结构检测灵敏度高，检测限达nmol/L级。级。双探头结构的光纤传感器：85研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology电容麦克型红外吸收式气敏传感器电容麦克型红外吸收式气敏传感器 结构图：结构图：两个构造形式两个构造形式完全相同的光学系统完全相同的光学系统，一束一束红外光入射到密封红外光入射到密封某种气体的某种气体的比较槽内比较槽内，另一束另一束红外光入射到通红外光入射到通有被测气体的有被测气体的测量槽内测量槽内。两个光源同时（或交替两个光源同时（或交替地）以固定周期开闭。地）以固定周期开闭。5.5.6 6.2 .2 红外吸收式传感器红外吸收式传感器 电容麦克型红外吸收式气敏传感器 结构图：两个构造形式完全相同86研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology气体吸收峰原理图气体吸收峰原理图，各频率强度为各频率强度为I0的入射红的入射红外光穿过气体时，气体吸收自己特征频率红外光穿过气体时，气体吸收自己特征频率红外光的能量后使出射光能量减弱为外光的能量后使出射光能量减弱为I原理：原理：气体吸收峰原理图，各频率强度为I0的入射红外光穿过气体时，气87研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology 通过测量槽和比较槽的通过测量槽和比较槽的光量差值光量差值I 将随被测气体将随被测气体种类而不同，同时种类而不同，同时I 因同种气体浓度的不同而不同。因同种气体浓度的不同而不同。因此，因此，通过测量槽红外光波长和光强变化就可知被测气通过测量槽红外光波长和光强变化就可知被测气体的种类和浓度体的种类和浓度。若两个光学系统以一定的周期开闭，若两个光学系统以一定的周期开闭，I 则以振幅则以振幅形式输入到检测器。形式输入到检测器。检测器检测器是密封有一定气体的容器。是密封有一定气体的容器。两种光量两种光量振幅的周期性变化振幅的周期性变化被检测器内气体吸收后，可被检测器内气体吸收后，可变为变为温度的周期性变化温度的周期性变化，又体现为间隔，又体现为间隔薄膜两侧的压力薄膜两侧的压力变化变化而以电容量的改变量输出。而以电容量的改变量输出。M为摩尔分子吸收系数，取决于气为摩尔分子吸收系数，取决于气体体种类种类和入射和入射波长波长；L为光和气体的为光和气体的作用长度；作用长度；C为待测为待测气体浓度气体浓度M为摩尔分子吸收系数，取决于气体种类和入射波长；L为光和气88研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology量子型红外光敏元件气敏传感器量子型红外光敏元件气敏传感器 结构：结构：量子型红外光敏元件，量子型红外光敏元件，红外滤光片红外滤光片原理：原理：它可直接把它可直接把光量变为电光量变为电信号信号，可通过改变，可通过改变红外滤光片红外滤光片而提高而提高元件元件的灵敏度和红外光的灵敏度和红外光谱响应特性，增加被测气体种谱响应特性，增加被测气体种类和扩大测量气体的浓度范围。类和扩大测量气体的浓度范围。量子型红外光敏元件气敏传感器 结构：量子型红外光敏元件，红89研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology 一、简易家用气体报警一、简易家用气体报警电路电路原理原理：采用直热式气敏传感器：采用直热式气敏传感器TGS109TGS109。当室内可燃性气。当室内可燃性气体浓度增加时，气敏传感器阻值降低，测试回路的电流体浓度增加时，气敏传感器阻值降低，测试回路的电流增加，可直接驱动蜂鸣器增加，可直接驱动蜂鸣器BZBZ报警。报警。可对丙烷、丁烷、甲烷等气体报警浓度。可对丙烷、丁烷、甲烷等气体报警浓度。5.5.7 7 气体传感器的应用气体传感器的应用 一、简易家用气体报警电路原理：采用直热式气敏传感器TGS190研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology二、有害气体二、有害气体鉴别、报警与控制电路鉴别、报警与控制电路 二、有害气体鉴别、报警与控制电路 91研究内容西北大学信息科学与技术学院 School of Information Science and Technology原理：原理：一方面一方面可鉴别有无有害气体产生，鉴别液体是可鉴别有无有害气体产生，鉴别液体是否有挥发性，否有挥发性，另一方面另一方面可自动控制排风扇排气。可自动控制排风扇排气。MQS2B是旁热式烟雾、有害气体传感器，是旁热式烟雾、有害气体传感器，无有害气无有害气体时体时阻值较高，阻值较高，有有害气体或烟雾有有害气体或烟雾时阻值急剧下降，时阻值急剧下降，A、B电压下降使电