传感器原理与应用ppt课件

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1、第十章气体传感器第一节概述气体传感器是指能将被测气体的类别、浓度和成分转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。气体传感器必须满足下列条件：（1）能够检测可燃性气体、有害气体的允许浓度，并能及时给出显示、报警和控制信号；（2）对被测气体以外的共存气体或物质不敏感；（3）性能长期稳定;（4）响应快、重复性好；（5）使用维护方便、价格便宜等。地球环境污染包括：噪声、辐射、温室效应、水污染、土地沙漠化、资源不合理开采、森林乱砍乱伐、及空气污染，这些都严重威胁人类的生存与发展。气体与人类的生存与发展息息相关，有效地检测气体的成分与浓度，并加以调

2、节和控制，有利于人类改善和保护人类自身的生存环境，促进人类社会的可持续发展。被测气体的种类繁多、性质各异，所以不可能用一种方法或一种气体传感器来检测所有的各种气体，检测方法应随气体种类、浓度、成分和用途而异。主要分为危险与有害气体：危险气体指易燃、易爆气体，如氢气、瓦斯、液化石油气等；有害气体是指对人体有害的气体，CO、SO2、氟里昂等。气体传感器通常在大气工况中使用，而且被测气体分子一般要附着于气体传感器的功能材料（气敏材料）表面且与之起化学反应，因而气体传感器也可归于化学传感。因此，气体传感器必须具有较强的抗环境影响能力。一、气体传感器

3、的分类气体传感器是一种气－电转换元件。结构上分为两类：干式和湿式。干式：构成气体传感器的材料为固体；湿式：构成气体传感器的材料为液体。按工作原理分：半导体式、接触燃烧式、化学反应式、热传导式、光干涉式等。本章主要介绍半导体式、接触燃烧式气体传感器。二、气体传感器的性能要求（必须满足的条件）三、气体传感器的主要参数（1）灵敏度气敏元件的阻值变化量ΔR与气体浓度的变化量ΔP之比称为灵敏度K。K＝ΔR/ΔP灵敏度是气体传感器的重要参数，灵敏度高表示气体传感器可以检测低浓度的气体。（2）响应时间从气敏元件和被测接触，到气敏元件的阻值达到新的稳定值所

4、需的时间。表示气敏元件对被测气体浓度的反应速度。（3）选择性在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能力成为选择性。对某种气体的选择性好，即气敏元件对它有较高的的灵敏度，也是重要参数，目前较难解决，有待进一步的研究。(4)稳定性当气体浓度不变时，若其它条件发生变化，在规定时间内气敏元件输出特性保持不变的能力。稳定性表示气敏元件对被测气体浓度以外的各种因素的抵抗能力。环境大气（空气）中污染物浓度的表示方法有两种：1、质量浓度表示法：每立方米空气中所含污染物的质量数，即mg/m3。2、体积浓度表示法：一百万体积的空气中所含污染物的体积数，

5、即ppm。大部分气体检测仪器测得的气体浓度都是体积浓度（ppm）。而按我国规定，特别是环保部门，则要求气体浓度以质量浓度的单位（如：mg/m3）表示，我们国家的标准规范也都是采用质量浓度单位（如：mg/m3）表示。这两种气体浓度单位mg/m3与ppm有何关系呢？其间如何换算？第二节半导体气敏传感器一、半导体气敏传感器的工作原理气敏传感器分电阻型和非电阻型。电阻型半导体气敏传感器大多采用半导体材料作为气敏元件，分N、P型；N型有SnO2、ZnO等；P型有PbO、CuO等。非电阻型气敏传感器主要有MOS型气敏传感器。1、电阻型半导体气敏传感器的

6、工作原理电阻型半导体气敏传感器气敏元件的敏感部分是金属氧化物微结晶粒子烧结体，当它的表面吸附有被测气体时，半导体微结晶粒子接触界面的导电电子比例就会发生变化，使气敏元件的电阻值随被测气体的浓度的改变而变化。这种反应是可逆的，所以气敏元件可重复使用。其电阻值的变化使伴随着金属氧化物半导体表面对气体的吸附和释放而产生的，为加速这种反应，通常要用加热器对气敏元件加热（200℃～400℃）。当加热的气敏元件表面接触并吸附被测气体时，首先是被吸附的分子在表面自由扩散（物理吸附）而失去功能，这期间，一部分分子被蒸发掉，剩下的一部分则因热分解而固定在吸附

7、位置上（化学吸附）。若元件材料的功函数比被吸附气体分子的电压亲和力为小时，则被吸附气体分子就会从元件表面夺取电子而以阴离子形式吸附。功函数(workfunction)在固体物理中被定义成:把一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所需的最少的能量。具有阴离子吸附性质的气体称为氧化性气体，如O2、NOx(氮氧化合物，一氧化氮、二氧化氮）。若气敏元件材料的功函数大于被吸附气体的离子化能量，被吸附气体将把电子给予元件而以阳离子形式吸附。具有阳离子吸附性质的气体称为还原性性气体，如H2、CO、HC（是指发动机废气中的未燃部分，还包括供油系中燃料的蒸发和

8、滴漏。单独的HC只有在浓度相当高的情况下才会对人体产生影响，一般情况下作用不大，但它却是产生化学烟雾的重要成分）乙醇等。(甲烷CH4、丙烷C3H8)当半导体气敏传感器在洁净的空气