气体传感器研究与介绍

气体传感技术简介ExSaf2主要内容传感器基本概念和分类催化燃烧式气体传感器半导体气体传感器电化学气体传感器红外气体传感器PID光离子化探测器ExSaf3传感器分类•从传感器定义出发,就可以将传感器分为约八大类•力敏•热敏•声敏•气敏•光敏•磁敏•化学敏感•其它敏感ExSaf4气体传感器的定义气体传感器就是把气体具有的物理、化学性质变成容易处理的电、光或磁的信号的转换元件。被转换出来的信号可以利用常规手段进行处理，从而达到对相关气体的识别和定量。传感器一般又称为一次仪表,是工业的眼睛,自动控制必不可少的元器件。ExSaf5气体传感器的分类A）利用物理化学性质的气体传感器：催化燃烧式、半导体式。。。B）利用物理性质的气体传感器：红外吸收式、热传导式。。。C）利用电化学性质的气体传感器：定电位电解式。。。。ExSaf6主要应用有毒性气体造成的中毒；由可燃气体造成的火灾和爆炸；空气中惰性气体含量过高造成的窒息。环境监测ExSaf7气敏传感器能够检测气体的种类及主要检测场所ExSaf8传感器的属性稳定性灵敏度选择性抗腐蚀性低成本长寿命易于标定和维护无需复杂的外围设备，所产生的电信号不需要由复杂的电子电路来处理ExSaf9LEL和PPM•LEL(最低爆炸限度）：LowerExplosiveLimit100%LEL=5%volCH4PPM:PartsPerMillion百万分之一1PPM＝1/1,000,000ExSaf10催化燃烧式可燃气体传感器催化燃烧式20世纪50年代源于英国的载体催化法。利用材料对气体接触燃烧的反应热改变另一种材料电阻特性的催化燃烧法。可用于探测空气中的多种气体和汽化物，包括甲烷、LPG、乙炔、氢气等可燃性气体。ExSaf11基本结构元件以Φ0.02～0.05mm的高性能铂(Pt)丝螺旋圈为骨架。外面包覆惰性难熔白色多孔材料(Al2O3)为载体,烧结成球状,习惯上称白元件。ExSaf12催化元件载体外若涂覆或浸渍上由活性棕黑色催化剂组成的外壳,烧结后称为黑元件。阻值相近的黑白元件选配连接后和补偿电阻一起构成惠斯登电桥,装上元件帽,经过灌封处理成为实用的可燃气体传感头。ExSaf13球形元件形貌图ExSaf14元件图ExSaf15工作原理•将一定量的工作电流通过Pt丝,同时将两只元件加热到催化剂的起燃温度400℃.•当载体催化元件在充足的氧气条件下遇到CH4时,就会在元件表面发生无焰燃烧,温度上升,而补偿元件不发生反应,温度不变。•利用电桥输出值与敏感元件阻值变化量ΔR成正比的关系,放大输出电压信号后即可推动显示部件进行报警,达到检测CH4浓度的目的。固定电阻固定电阻测量桥UT参比桥ExSaf16催化传感器的优点•快速的时间响应•优异的重复性•选择性好•广泛运用于工业上可燃气体的探测ExSaf17载体催化元件的缺点•催化元件功耗较高；•需要较频繁的标定；•需要在充足的氧气环境中工作（二值性）；•元件寿命相对较短ExSaf18载体催化元件的缺点•催化剂的积炭和中毒催化传感器的催化物质遇到某些物质时其活性会降低甚至失效，这就是常说的传感器被抑制或中毒。被抑制的传感器在洁净的空气中放置一段时间后催化物质会恢复其活性，传感器性能恢复，中毒则是永久性的损坏。一般含硅、硫、氯气或其它重金属会使传感器中毒，卤素化合物会引起传感器被抑制。可能对传感器中毒或抑制的物质中毒含铅化合物（尤其是四乙基铅）含硫化合物硅类含磷化合物抑制硫化氢卤代烃ExSaf19催化剂中毒的原因催化剂表面电子显微镜图ExSaf20催化剂中毒的原因催化剂X射线和电镜图ExSaf21半导体气体传感器ExSaf22半导体气体传感器•气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。•烧结型SnO2气体传感器是用粒度在1μm以下的SnO2粉末，加入少量Pd或Pt等触媒剂及添加剂，经研磨后使其均匀混合，然后将已均匀混合的膏状物滴入模具内，再埋入加热丝及电极，经600～800℃数小时烧结后，可得多孔状的气敏元件芯体，将其引线焊接在管座上，并罩上不锈钢网制成。ExSaf23烧结型半导体气体传感器的工作原理•遇O2等氧化性气体时，氧原子吸附半导体表面的电子成为氧负离子，半导体表面层电阻率增大。遇H2、CO、碳氢化合物等(还原性即可燃性)气体，氧负离子与可燃气体发生反应导致其表面浓度降低，因此半导体电阻率减小；在检测前，材料表面已经吸着氧，所以对可燃性气体更敏感。最佳工作温度一般多在200～500℃范围内。为使传感器能在这样高的温度范围内稳定工作，具有高温稳定性的半导体材料只有金属氧化物，常见的是SnO2和ZnO。ExSaf24半导体传感器特点•半导体传感器检测气体种类相当广泛，从可燃到有毒，同时也包括其它方法极难检测到的卤代烃，在检测未知气体方面有着极大的优势；•由于半导体传感器在检测过程中没有物质消耗，因此半导体传感器有着较长的寿命，一般为3年；•选择性较差，功耗高。•线性差，受湿度影响较大。ExSaf25电化学气体传感器ExSaf26电化学气体传感器•电化学气体传感器利用气敏电极或者气体扩散电极等构成一系列电池测量各种气体含量ExSaf27电化学气体传感器电化学传感器可准确测量空气中微量气体（ppm级)的含量或者用于环境监测,如O2、CO、H2S、CO2、SO2、NH3、HCN、HF等腐蚀性或有毒气体。ExSaf28可检测气体类型商品化的电化学传感器可以检测的气体：O2、CO、H2S、SO2、Cl2、HCN、PH3、NH3、NO、NO2、酒精、肼、偏二甲肼等几十种气体。ExSaf29燃料电池型氧气传感器•氧气浓度太低会造成窒息；而超过常量的过量氧气可能会引起不可想象的对燃烧或其它的化学反应的加速或提高。•燃料池氧气传感器，它主要由以下几部分组成：扩散栅、由金或铂等贵金属制成的传感电极(阴极)、由铅锌等金属制成的工作电极(阳极)、电解液(比如氢氧化钾溶液或醋酸钾溶液)ExSaf30电化学氧气传感器原理扩散到传感器上的氧气在阴极上被还原为羟基：O2+2H2O+4e-4OH-羟基离子铅电极上被氧化：2Pb+4OH-2PbO+2H2O+4e-整个的一个反应方程式为：2Pb+O22PbO氧气传感器产生电流正比于所消耗的氧气的量。氧气检测仪器通过检测传感器输出的电流得到氧气浓度。ExSaf31电化学氧气传感器失效机理氧气传感器的失效机理导致较低输出的原因：所有的可用电极表面都转化为了PbO2由于暴露在其它气体中使电解液中毒电解液泄漏干涸毛细管堵塞导致较高输出的原因：传感器室或毛细管的损坏电解液中有气泡存在ExSaf32恒定电位电解式传感器•用透气性隔膜、工作电极、对电极、参照电极和电解质溶液组成的密封结构的合成树脂容器。ExSaf33工作原理电化学传感器是通过与目标气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电流信号来工作。原理图如右图示。毛细管扩散栅外壳传感电极参考电极计数电极电解液池ExSaf34工作原理•通过控制使工作电极(W)和参考电极之间的电位保持一定,故工作电极和对电极(C)的电位保持一定,构成恒电位仪电路。•使所测气体在活性电极上进行氧化还原反应,测量气体电解时产生的电流,然后推算出气体的浓度。ExSaf35工作原理三电极电化学传感器ExSaf36CO传感器的例子以这种原理制作的CO传感器在两个电极上的电化学反应：CO在传感电极上的氧化：CO+H2OCO2+2H++2e-计数电极通过将空气或水中的氧气还原对此进行平衡。1/2O2+2H++2e-H2OCO分子被电解，通过测量产生的电流，就可以得到气体浓度。ExSaf37CO传感器工作原理(1)(2)WE(8)CO(g)CO2(g)CO2(aq)样品出口(9)(6)(5)(4)CO(aq)(3)H+H+H+H+过滤器多孔膜多孔电极电解液(7)ExSaf38电化学传感器的交叉反应ExSaf39电化学传感器的优点•电化学传感器具有极好的线性•电化学传感器具有良好的重复性•电化学传感器良好的选择性•极低的功耗，由于电化学传感器相当于一个电池，基本不消耗外界电源•电化学传感器分辨率高，多数用于检测ppm级气体ExSaf40电化学传感器的缺点电化学传感器受温度影响较大，温度上升10度，灵敏度增加1倍；寿命较短电解质水溶液产生的问题（1）电解液的蒸发或污染常导致传感器信号衰降，使用寿命短。（2）催化剂长期与电解液直接接触，催化活性降低。（3）在通气条件下，电解液常失去水份而干涸，致使传感器失效。（4）电解液易发生漏液现象，腐蚀电子线路ExSaf41红外气体传感器ExSaf42红外吸收原理红外光谱图ExSaf43红外吸收原理ExSaf44红外吸收光谱CH43.4umCO24.26umCO4.7umExSaf45红外传感器测量原理ExSaf46双光路测量原理ExSaf47红外气体传感器ExSaf48红外传感器特点•选择性好•不易受有害气体的影响而中毒、老化•响应速度快、稳定性好•防爆性好•信噪比高，使用寿命长、测量精度高•价格高ExSaf49PID光离子化检测器ExSaf50PID简介光离子化检测器（PhotoIonizationDetector,简称PID）是一种具有极高灵敏度，用途广泛的检测器，可以检测从极低浓度的10ppb到较高浓度的10000ppm的挥发性有机物和其它有毒气体。许多有害物质原料都含有VOC，PID由于其对VOC的高灵敏度，成为有害物质早期危险报警、泄漏监测等不可缺少的实用工具。ExSaf51PID工作原理PID使用了一个紫外灯（UV）光源将有机物分子电离成可被检测器检测到的正负离子（离子化）。检测器捕捉到离子化了的气体的正负电荷并将其转化为电流信号实现气体浓度的测量。当待测气体吸收高能量的紫外光时，气体分子受紫外光的激发暂时失去电子成为带正电荷的离子。气体离子在检测器的电极上被检测后，很快与电子结合重新组成原来的气体和蒸气分子。ExSaf52光谱图ExSaf53化合物的电离电位（IP）化合物的电离电位将化合物电离或离子化的能量称为电离能或电离电位，以电子伏特（eV）为计量单位。由紫外灯发出的紫外光能量也以eV为单位，如果待测气体分子的电离能低于灯的发射能量，这种气体分子就可以被离子化，就可以被PID检测。例如，苯的IP为9.24eV，可以被标准的10.6eV的紫外灯电离，而氯甲烷的IP是11.32eV，只能匹配11.70eV的紫外灯。CO的IP是14.01eV，就不可能被常规的PID灯（9.8、10.6、11.7eV）离子化。ExSaf54PID可测试的气体VOC（VolatileOrganicCompounds)：挥发性有机化合物，含碳原子的有机化合物。芳香烃类（一些拥有苯环的化合物）：苯、甲苯、二甲苯、乙苯等酮类和醛类（一些含有C=O基的化合物）：丙酮、甲基酮、乙基酮、乙醛等胺及胺类化合物（包含氮元素的碳化物）：二乙基胺氯代烃类：三氯乙烯、全氯乙烯硫化物：硫醇不饱和烃类：丁烷、辛烷氨气（无机物）半导体气体，砷化氢、磷化氢氮氧化物，溴气，碘ExSaf55PID不可测试的气体放射性物质；空气（N2、O2、CO2、H2O）常见毒气（CO、HCN、SO2）；天然气（甲烷、乙烷等）；酸性气体；臭氧、双氧水等；非挥发性物质。ExSaf56PID主要用途易燃易爆物料生产运输管理；化工物料泄漏；热交换流体；工业卫生；室内空气质量；环境保护；密闭空间进入；应急事故检测。ExSaf57谢谢！