氣體傳感器的組成：各類氣體傳感器原理詳解

氣體傳感器是氣體檢測系統(tǒng)的核心，通常安裝在探測頭內(nèi)。從本質(zhì)上講，氣體傳感器是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電信號的轉(zhuǎn)換器。探測頭通過氣體傳感器對氣體樣品進(jìn)行調(diào)理，通常包括濾除雜質(zhì)和干擾氣體、干燥或制冷處理、樣品抽吸，甚至對樣品進(jìn)行化學(xué)處理，以便化學(xué)傳感器進(jìn)行更快速的測量。
氣體種類繁多，性質(zhì)各異，因此，氣體傳感器種類也很多。按待檢氣體性質(zhì)可分為：用于檢測易燃易爆氣體的傳感器，如氫氣、一氧化碳、瓦斯、汽油揮發(fā)氣等；用于檢測有毒氣體的傳感器，如氯氣、硫化氫、砷烷等；用于檢測工業(yè)過程氣體的傳感器，如煉鋼爐中的氧氣、熱處理爐中的二氧化碳；用于檢測大氣污染的傳感器，如形成酸雨的NOx、CH4、O3，家庭污染如甲醛等。按氣體傳感器的結(jié)構(gòu)還可分為干式和濕式兩類；按傳感器的輸出可分為電阻式和費電阻式兩類；按檢測院里可分為電化學(xué)法、電氣法、光學(xué)法、化學(xué)法幾類。

半導(dǎo)體氣體傳感器
半導(dǎo)體氣體傳感器可分為電阻型和非電阻型(結(jié)型、MOSFET型、電容型)。電阻型氣敏器件的原理是氣體分子引起敏感材料電阻的變化；非電阻型氣敏器件主要有M()s二極管和結(jié)型二極管以及場效應(yīng)管(M()SFET)，它利用了敏感氣體會改變MOSFET開啟電壓的原理，其原理結(jié)構(gòu)與ISFET離子敏傳感器件相同。
電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器
作用原理
人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)SnO2、ZnO、Fe2O3、Cr2O3、MgO、NiO2等材料都存在氣敏效應(yīng)。用這些金屬氧化物制成的氣敏薄膜是一種阻抗器件，氣體分子和敏感膜之間能交換離子，發(fā)生還原反應(yīng)，引起敏感膜電阻的變化。作為傳感器還要求這種反應(yīng)必須是可逆的，即為了消除氣體分子還必須發(fā)生一次氧化反應(yīng)。傳感器內(nèi)的加熱器有助于氧化反應(yīng)進(jìn)程。SnO2薄膜氣敏器件因具有良好的穩(wěn)定性、能在較低的溫度下工作、檢驗氣體種類多、工藝成熟等優(yōu)點，是目前的主流產(chǎn)品。此外，F(xiàn)e2O3也是目前廣泛應(yīng)用和研究的材料。除了傳統(tǒng)的SnO、SnO2和Fe2O3三大類外，目前又研究開發(fā)了一批新型材料，包括單一金屬氧化物材料、復(fù)合金屬氧化物材料以及混合金屬氧化物材料。這些新型材料的研究和開發(fā)，大大提高了氣體傳感器的特性和應(yīng)用范圍。
選擇性是氣體傳感器的關(guān)鍵性能。如SnO2薄膜對多種氣體都敏感，如何提高SnO2氣敏器件的選擇性和靈敏度一直是研究的重點。主要措施有：在基體材料中加入不同的貴金屬或金屬氧化物催化劑，設(shè)置合適的工作溫度，利用過濾設(shè)備或透氣膜外過濾敏感氣體。在SnO2材料內(nèi)摻雜是改善傳感器選擇性的主要方法，添加Pt、Pd、Ir等貴金屬不僅能有效地提高元件的靈敏度和響應(yīng)時間，而且，催化劑不同，導(dǎo)致不同的吸附傾向，從而改善選擇性。例如在SnO2氣敏材料中摻雜貴金屬Pt、Pd、Au可以提高對CH4的靈敏度，摻雜Ir可降低對CH4的靈敏度，摻雜Pt、Au提高對H2的靈敏度，摻雜Pd降低對H2的靈敏度。
工作溫度對傳感器的靈敏度有影響。下圖左圖為SnO2氣敏器件對各種氣體溫度的電阻特性曲線。由圖可見，器件在不同溫度下對各種氣體的靈敏度不同，利用這一特性可以識別氣體種類。

制備工藝對SnO2的氣敏特性也有很大的影響。如在SnO2中添加ThO2，改變燒結(jié)溫度和加熱溫度就可以產(chǎn)生不同的氣敏效應(yīng)。按質(zhì)量計算，在SnO2中加入3～5％的ThO2，5％的Sm2．在600℃的H2氣氛中燒結(jié)，制成厚膜器件，工作溫度為400℃。則可作為CO檢測器件。上圖右圖是燒結(jié)溫度為600℃時氣敏器件的特性。可看出，工作溫度在170～200℃范圍內(nèi)，對H2的靈敏度曲線呈拋物線，而對CO改變工作溫度則影響不大，因此，利用器件這一特性可以檢測H2。而燒結(jié)溫度為400℃制成的器件，工作溫度為200℃時，對H2、CO的靈敏度曲線形狀都近似呈直線，但對CO的靈敏度要高得多，可以制成對CO敏感的氣體傳感器。
結(jié)構(gòu)及參數(shù)
SnO2電阻型氣敏器件通常采用燒結(jié)工藝。以多孔SnO2陶瓷為基底材料，再添加不同的其他物質(zhì)，用制陶工藝燒結(jié)而成，燒結(jié)時埋入加熱電阻絲和測量電極。此外，也有用蒸發(fā)和濺射等工藝制成的薄膜器件和多層膜器件，這類器件靈敏度高，動態(tài)特性好。還有采用絲網(wǎng)印刷工藝制成的厚膜器件和混合膜器件，這類器件具有集成度高，組裝容易，使用方便，便于批量生產(chǎn)的優(yōu)點。
下圖是電阻型氣體傳感器的一種典型結(jié)構(gòu)，它主要南SnO2敏感元件、加熱器、電極引線、底座及不銹鋼網(wǎng)罩組成。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可以檢測還原性氣體、可燃性氣體、蒸氣等。

電阻型氣體傳感器的主要特性參數(shù)有：
1、固有電阻R0和工作電阻Rs
固有電阻Ro又稱正常電阻，表示氣體傳感器在正常空氣條件下的阻值。工作電阻Rs表示氣體傳感器在一定濃度被測氣體中的阻值。
2、靈敏度S
通常用S=Rs／R0表示，有時也用兩種不同濃度C1、C2)檢測氣體中元件阻值之比來表示：S=Rs(C2)／R0(C1)。
3、響應(yīng)時間T1
反映傳感器的動態(tài)特性，定義為傳感器阻值從接觸一定濃度的氣體起到該濃度下的穩(wěn)定值所需時間。也常用達(dá)到該濃度下電阻值變化率的63％時的時問來表示。
4、恢復(fù)時問T2
又稱脫附時間。反映傳感器的動態(tài)特性，定義為傳感器從脫離檢測氣體起，直到傳感器電阻值恢復(fù)至正常空氣條件下的阻值，這段時間稱為恢復(fù)時間。
5、加熱電阻RH和加熱功率PH
RH為傳感器提供工作溫度的電熱絲阻值，PH為保持正常工作溫度所需要的加熱功率。
電阻型氣體傳感器具有成本低廉、制造簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長、對濕度敏感低和電路簡單等優(yōu)點。不足之處是必須工作于高溫下，對氣體的選擇性較差，元件參數(shù)分散，穩(wěn)定性不夠理想，功率要求高，當(dāng)探測氣體中混有硫化物時，容易中毒。
非電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器
非電阻型也是一類較為常見的半導(dǎo)體氣敏器件，這類器件使用方便，無需設(shè)置工作溫度，易于集成化，得到了廣泛應(yīng)用。主要有結(jié)型和MOSFET型兩種。
結(jié)型氣敏器件
結(jié)型氣敏傳感器件又稱氣敏二極管，這類氣敏器件是利用氣體改變二極管的整流特性來工作的。其結(jié)構(gòu)如下圖左圖所示。它的原理是：貴金屬Pd對氫氣具有選擇性，它與半導(dǎo)體接觸形成接觸勢壘。當(dāng)二極管加正向偏壓時，從半導(dǎo)體流向金屬的電子將增加，因此正向是導(dǎo)通的。當(dāng)加負(fù)向偏壓時，載流子基本沒有變化，這是肖特基二極管的整流特性。在檢測氣氛中，由于對氫氣的吸附作用，貴金屬的功函數(shù)改變，接觸勢壘減弱．導(dǎo)致載流子增多，正向電流增加，二極管的整流特性曲線會發(fā)生左移。下圖右圖為Pd—TiO2氣敏二極管在不同濃度H2的空氣中的特性曲線。因此，通過測量二極管的正向電流可以檢測氫氣濃度。

MOSFET型氣敏器件
氣敏二極管的特性曲線左移可以看作二極管導(dǎo)通電壓發(fā)生改變，這一特性如果發(fā)生在場效應(yīng)管的柵極，將使場效應(yīng)管的閾值電壓UT改變。利用這一原理可以制成MOSFET型氣敏器件。
氫氣敏MOSFET是一種最典型的氣敏器件，它用金屬鈀(Pd)制成鈀柵。在含有氫氣的氣氛中，由于鈀的催化作用，氫氣分子分解成氫原子擴(kuò)散到鈀與二氧化硅的界面，最終導(dǎo)致MOSFET的閾值電壓UT發(fā)生變化。使用時常將柵漏短接，可以保證MOSFET工作在飽和區(qū)，此時的漏極電流ID=β(UGS—UT)2，利用這一電路可以測出氫氣的濃度。
氫氣敏MOSFET的特點有：
1、靈敏度
當(dāng)氫氣濃度較低時，氫氣敏MOSFET靈敏度很高，1ppm氫氣濃度變化，△UT的值可達(dá)到10mV，當(dāng)氫氣濃度較高時，傳感器的靈敏度會降低。
2、對氣體選擇性
鈀原子間的“空隙”恰好能讓氫原子通過，因此，鈀柵只允許氫氣通過，有很好的選擇性。
3、響應(yīng)時間
這種器件的響應(yīng)時間受溫度、氫氣濃度的影響，一般溫度越高，氫氣濃度越高，響應(yīng)越快，常溫下的響應(yīng)時間為幾十秒。
4、穩(wěn)定性
實際應(yīng)用中，存在UT隨時間漂移的特性，為此，采用在HCl氣氛中生長一層SiO2絕緣層，可以顯著改善UT的漂移。
除氫氣外，其他氣體不能通過鈀柵，制作其他氣體的Pd—MOSFET氣敏傳感器要采用一定措施，如制作CO敏MOSFET時要在鈀柵上制作約20nm的小孔，就可以允許CO氣體通過。另外，由于Pd—MOSFET對氫氣有較高的靈敏度，而對CO的靈敏度卻較低，為此可在鈀柵上蒸發(fā)一層厚約20nm的鋁作保護(hù)層，阻止氫氣通過。鈀對氨氣分解反應(yīng)的催化作用較弱，為此，要先在SiO2絕緣層上沉淀一層活性金屬，如Pt、Ir、La等。再制作鈀柵，可制成氨氣敏MOSFET。
固體電解質(zhì)氣體傳感器
固體電解質(zhì)是一種具有與電解質(zhì)水溶液相同的離子導(dǎo)電特性的固態(tài)物質(zhì)，當(dāng)用作氣體傳感器時，它是一種電池。它無需使氣體經(jīng)過透氣膜溶于電解液中，可以避免溶液蒸發(fā)和電極消耗等問題。由于這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，幾乎在石化、環(huán)保、礦業(yè)、食品等各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，其重要性僅次子金屬—氧化物一半導(dǎo)體氣體傳感器。
固體電解質(zhì)氧氣傳感器原理
同體電解質(zhì)在高溫下才會有明顯的導(dǎo)電性。氧化鋯(ZrO2)是典型的氣體傳感器的材料。純正的氧化鋯在常溫下是單斜晶結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度升到1000℃左右時就會發(fā)生同質(zhì)異晶轉(zhuǎn)變，由單斜晶結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嗑ЫY(jié)構(gòu)，并伴隨體積收縮和吸熱反應(yīng)，因此是不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在ZrO2中摻入穩(wěn)定劑如：堿土氧化鈣CaO或稀土氧化釔Y2O3，使其成為穩(wěn)定的熒石立方晶體，穩(wěn)定程度與穩(wěn)定劑的濃度有關(guān)。ZrO2加入穩(wěn)定劑后在l800℃氣氛下燒結(jié)，其中一部分鋯離子就會被鈣離子替代，生成(ZrO·CaO)。由于Ca2+是正二價離子，Zr4+是正四價離子，為繼續(xù)保持電中性，會在晶體內(nèi)產(chǎn)生氧離子O2-空穴，這是(ZrO·CaO)在高溫下傳遞氧離子的原因，結(jié)果是(ZrO·CaO)在300～800℃成為氧離子的導(dǎo)體。但要真正能夠傳遞氧離子還必須在固體電解質(zhì)兩邊有不同的氧分壓(氧位差)，形成所渭的濃差電池。其結(jié)構(gòu)原理如圖所示，兩邊是多孔的貴金屬電極，與中間致密的ZrO·CaO材料制成夾層結(jié)構(gòu)。

設(shè)電極兩邊的氧分壓分別為PO2(1)、PO2(2)，在兩電極發(fā)生如下反應(yīng)：
(+)極：PO2(2)，2O2-→O2+4e
(-)極：PO1(1)，O2+4e→2O2-
上述反應(yīng)的電動勢用能斯特方程表示：

可見，在一定溫度下，固定PO2(1)，有上式可求出傳感器(+)極待測氧氣的濃度。
固定PO2(1)實際上是(-)極形成一個電位固定的電極，即參比電極，有氣體參比電極和共存相參比電極兩種。氣體參比電極可以是空氣或其他混合氣體，如：H2一H2O，CO一CO2也能形成固定的PO2(1)。共存相參比電極是指金屬-金屬氧化物、低價金屬氧化物-高價金屬氧化物的混合粉末(固相)，這些混合物與氧氣(氣相)混合發(fā)生氧化反應(yīng)能形成同定的氧壓，因此也能作為參比電極。
除了測氧外，應(yīng)用β一Al2O3、碳酸鹽、NASICON等固體電解質(zhì)傳感器，還可用來測CO、SO2、NH4等氣體。近年來還出現(xiàn)了銻酸、La3F等可在低溫下使用的氣體傳感器，并可用于檢測正離子。
紅外氣體傳感器
作用原理
由不同原子構(gòu)成的分子會有獨特的振動、轉(zhuǎn)動頻率，當(dāng)其受到相同頻率的紅外線照射時,就會發(fā)生紅外吸收，從而引起紅外光強(qiáng)的變化，通過測量紅外線強(qiáng)度的變化就可以測得氣體濃度；需要說明的是振動、轉(zhuǎn)動是兩種不同的運動形態(tài)，這兩種運動形態(tài)會對應(yīng)不同的紅外吸收峰，振動和轉(zhuǎn)動本身也有多樣性；因此一般情況下一種氣體分子會有多個紅外吸收峰；根據(jù)單一的紅外吸收峰位置只能判定氣體分子中有什么基團(tuán)，精確判定氣體種類需要看氣體在中紅外區(qū)所有的吸收峰位置即氣體的紅外吸收指紋。但在已知環(huán)境條件下，根據(jù)單一紅外吸收峰的位置可以大致判定氣體的種類。由于在零下273攝氏度即絕對零度以上的一切物質(zhì)都會產(chǎn)生紅外幅射，紅外幅射與溫度正相關(guān)，因此，同催化元件一樣，為消除環(huán)境溫度變化引起的紅外幅射的變化，紅外氣體傳感器中會由一對紅外探測器構(gòu)成。
一個完整的紅外氣體傳感器由紅外光源、光學(xué)腔體、紅外探測器和信號調(diào)理電路構(gòu)成。

為什么紅外氣體傳感器不能測量氧氣、氫氣、氮氣等由相同原子構(gòu)成的氣體分子?
月亮和地球、地球和太陽靠萬有引力連接，分子內(nèi)部原子間靠化學(xué)鍵連接。如果二者是理想球體而且沒有其它萬有引力干擾則地球軌道將是圓的，實際上上面兩個條件都不成立，因此其軌道是橢圓的，也就是地球和太陽之間的距離不停地在短半徑和長半徑之間轉(zhuǎn)換，即振動，只是振動周期長達(dá)一年，在這個過程中，地球處于短半徑點和長半徑點時，它和太陽之間的引力是不同的，即能量級別不同。在分子內(nèi)部原子間靠化學(xué)鍵連接，原子間的空間距離、角度、方向由于電子分布的不均衡而不停發(fā)生變化，即振動、轉(zhuǎn)動，而且不同的分子會有獨特的振動、轉(zhuǎn)動頻率,當(dāng)遇到相同頻率的紅外線照射時會產(chǎn)生諧振、原子間距離和電子分布發(fā)生變化即偶極距發(fā)生變化，紅外吸收就是這樣產(chǎn)生的(紫外吸收同理)。
以上內(nèi)容中包含紅外吸收的兩個基本條件：諧振、偶極距變化。這兩個條件同時滿足才能產(chǎn)生紅外吸收。
氧氣、氫氣、氮氣等由同一種原子構(gòu)成的分子為什么沒有紅外吸收峰:兩個基本條件一是氣體分子振動頻率與照射的紅外線頻率相同，二是偶極距變化。不難理解，第一個條件容易滿足，第二個條件無可能性。
相同原子構(gòu)成的分子正負(fù)電荷中心完全重疊，即偶極距為零，其結(jié)果是電子在分子中的分布是均衡的，以紅外光本身的低能量密度特征，其照射不會改變這種均衡，更不可能使分子電離，即不會導(dǎo)致能量變化。而不同原子構(gòu)成的分子:以水(蒸氣)分子為例,分子中電子的分布偏向氧這端，即微觀上水分子中氫那一端呈正電性,氧那一端呈負(fù)電性，正負(fù)電荷中心是不重疊的，即偶極矩不為零。這是因為氧吸引電子的能力比氫強(qiáng)的緣故。
在與水分子振動、轉(zhuǎn)動頻率相同的紅外線照射時，會使電子在水分子中的分布更偏向氧一端，導(dǎo)致氫和氧的平均距離變短，即偶極距變短，能量變高，即水分子受到紅外照射時會從低能級躍遷到高能級，紅外吸收就是這樣產(chǎn)生的。可以這樣去簡單理解:紅外線與相同原子組成的分子相遇時，由于相同原子組成的分子是理想的彈性球體，兩者的相互作用是完全彈性碰撞，只有能量交換，沒有能量轉(zhuǎn)移。不同原子組成的分子與紅外線相互作用則有能量轉(zhuǎn)移。因此，紅外吸收原理不能測相同原子構(gòu)成的分子。
非色散紅外吸收氣體傳感器
非色散：白光通過三棱鏡會被分為七色光即赤、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。這個三棱鏡就是一個分光系統(tǒng)，能把7色光分開。有分光系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)即色散型光學(xué)系統(tǒng),無分光系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)即非色散性。非色散系統(tǒng)簡易、可靠、小巧、廉價。平時我們感受到的白光、紫外、紅外光都是不同頻率、波長混合成的光；而單頻率、單波長的光即單色光。前面講到只有紅外線的頻率和氣體分子振動、轉(zhuǎn)動頻率相同時才會產(chǎn)生紅外吸收，理論上在設(shè)計氣體傳感器時，我們希望用單色光去照射氣體或者照射后我們用設(shè)置光柵(濾光片)的辦法獲得單色光。
非色散紅外氣體傳感器通常由光源、光學(xué)腔體、濾光片(光柵)、探測器和信號調(diào)理電路構(gòu)成，在傳感器中濾光片和探測器是一體的。
紅外氣體傳感器優(yōu)點:
1、除了相同原子組成的氣體，所有氣體都可以測。
2、全量程。
3、傳感過程本身不會干擾傳感。
缺點:
1、昂貴。紅外氣體傳感器本質(zhì)上是紅外幅射導(dǎo)致探測器溫度變化進(jìn)而是電性能變化的溫度傳感器，傳感過程復(fù)雜。要求系統(tǒng)有如下特征：光源必須有穩(wěn)定的紅外幅射；光學(xué)腔體物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；濾光片及紅外探測器穩(wěn)定。這些問題，合理的工藝技術(shù)本身能較好的解決，但是制造成本高，導(dǎo)致價格昂貴。
2、在普通的以寬頻紅外光源加濾光片加探測器設(shè)計中，濾光片本身不能實現(xiàn)理想的選擇性濾光，因此干擾尤其是水的干擾一直存在。選擇性的問題深層原因在于很多不同的氣體分子會有相同的化學(xué)鍵，即有相近甚至重疊的紅外吸收。
3、粉塵、背景幅射、強(qiáng)吸附及氣、液、固易發(fā)生轉(zhuǎn)換的檢測對象都會對檢測結(jié)果造成影響。
催化燃燒式氣體傳感器
作用原理
一般由線徑15um或20um或30um的高純度鉑線圈并在其外包裹載體催化劑形式球體，在一定的溫度條件下，當(dāng)可燃性氣體與上述球體接觸時會與其表面的吸附氧發(fā)生劇烈的無焰燃燒反應(yīng)，反應(yīng)釋放的熱量導(dǎo)致鉑線圈溫度變化，溫度變化又導(dǎo)致鉑線圈電阻發(fā)生變化，測量電阻變化就可以測到氣體濃度。

因此與其說催化元件是氣體傳感器不如說他是個溫度傳感器，為克服環(huán)境溫度變化帶來的干擾，催化元件會成對構(gòu)成一支完整的元件，這一對中一個對氣體有反應(yīng)，另一個對氣體無反應(yīng)，而只對環(huán)境溫度有反應(yīng)，這樣兩支元件相互對沖就可以消除環(huán)境溫度變化帶來的干擾。
和半導(dǎo)體元件不同，催化元件傳感過程較為復(fù)雜，前者是氣體與傳感器接觸后發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)直接導(dǎo)致傳感器電阻即電信號的變化，后者則是氣體在催化元件上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)首先導(dǎo)致的結(jié)果是傳感器載體表面及載體內(nèi)部的溫度變化，載體的溫度變化經(jīng)過熱傳遞最終導(dǎo)致鉑線圈電阻的變化，完成傳感的全過程。
存在的問題
傳感過程復(fù)雜，導(dǎo)致問題產(chǎn)生的幾率就大一些。
1、對長分子鏈的有機(jī)物以及不飽和烴，對半導(dǎo)體來說，不完全反應(yīng)導(dǎo)致的積炭只會對反應(yīng)過程產(chǎn)生影響，而不會對電子傳輸產(chǎn)生大的影響，而對催化來講，炭的存在不僅影響反應(yīng)過程，更會對熱傳遞產(chǎn)生劇烈影響，結(jié)果是反應(yīng)產(chǎn)生的熱量向傳感器內(nèi)部傳遞效率變低了，熱量大都散失掉了，最終是，同樣的氣體濃度，釋放同樣的熱，由于炭的存在，導(dǎo)致傳感器:溫度只有很小的變化，即靈敏度變得很低。
2、因為需要熱傳遞，為了保證熱效率，反應(yīng)必須在瞬間完成，即要求有極高的反應(yīng)效率，就需要有大量的納米級的催化劑以及納米級的孔，這樣的特征有利于傳感也有利于中毒。
3、催化元件的線性是由兩個因素決定的a、溫度傳感材料pt線圈的電阻~溫度特性是線性的。b、爆炸下限以內(nèi)反應(yīng)放熱和氣體濃度是線性的。因此，兩個因素任一發(fā)生變化，就會導(dǎo)致傳感器線性變化。實際上，鉑線圈會持續(xù)升華變細(xì)即導(dǎo)阻變大；反應(yīng)釋放的熱量與濃度的線性關(guān)系只在氣體濃度為爆炸下限以內(nèi)時才成立。
未來發(fā)展
催化元件的未來主要取決于工藝技術(shù)的進(jìn)步:
1、結(jié)構(gòu)改進(jìn)，解決的問題是震動引起的漂移。
2、過濾層改進(jìn)，解決的問題是中毒。
3、開發(fā)新材料改善積碳。
4、制造過程對設(shè)計實現(xiàn)的保障如避免形變。
5、MEMS化。需要說明的是，器件結(jié)構(gòu)、封裝、制造工藝的改進(jìn)不僅會改善元件的綜合性能，也會引發(fā)新的應(yīng)用。和半導(dǎo)體相比，催化元件MEMS化的困境在于如何在小的表面積下有更高的催化效率、熱效率。
6、催化元件的應(yīng)用定位會更精準(zhǔn)專一。
7，催化元件不會被淘汰。
電化學(xué)傳感器
電化學(xué)就是研究電學(xué)和化學(xué)行為之間關(guān)系的學(xué)科。這個學(xué)科最重要的應(yīng)用是電能與化學(xué)能之間的高效轉(zhuǎn)換和大功率密度存儲技術(shù)。我們知道本質(zhì)上傳感器是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，如壓力傳感器就是把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。因此，很容易理解，電化學(xué)氣體傳感器就是一個電池，叫氣體燃料電池。

最常見的電池，把一堆可以導(dǎo)電的化學(xué)物質(zhì)裝起來，插入兩個不同材料的電極，用導(dǎo)線連接就會有電產(chǎn)生。以鉛酸蓄電池為例，硫酸水溶液就是導(dǎo)電的化學(xué)物質(zhì)，把鉛放進(jìn)其中，在鉛和硫酸接觸的地方(界面)會產(chǎn)生電，把氧化鉛放進(jìn)去，界面也會有電，兩個界面電量有差異，即有電壓，用導(dǎo)線連起來電子就會從鉛流到氧化鉛，鉛就變成了氧化鉛，氧化鉛變成了氧化亞鉛。電量和化學(xué)量及反應(yīng)過程相關(guān)聯(lián)。
這里最重要的概念：一是把一個導(dǎo)體插入導(dǎo)電的化學(xué)物質(zhì)中界面會產(chǎn)生電位，同一種物質(zhì)中插入不同的導(dǎo)體產(chǎn)生不同的電位。二是不同的電位相連接，在界面會發(fā)生反應(yīng)。三是導(dǎo)電回路由電池和外接導(dǎo)線兩部分構(gòu)成。電池外部在連接導(dǎo)線內(nèi)是電子，電池內(nèi)是離子。即導(dǎo)電過程由電子移動和離子移動共同完成。

電化學(xué)CO氣體傳感器是一個化學(xué)電池即CO燃料電池。其中: CO是提供電子的一極(工作電極)，氧氣是獲得電子的一極，硫酸水溶液是電解質(zhì)。和鉛酸蓄電池最大的不同是電極材料不同，電化學(xué)氣體傳感器(co)電極材料是氣體，鉛酸蓄電池是固體。電化學(xué)氣體傳感器的電極叫氣體電極。電化學(xué)CO氣體傳感器中，工作電極CO作為供電子的一極，只有CO和硫酸水溶液觸是無法進(jìn)行的電子釋放、收集和傳導(dǎo)的。其一CO完成提供電子的過程需要條件，即在電催化條件下降低CO提供電子的難度。實踐中這個條件由多孔鉑電極（或其它電催化導(dǎo)電電極）提供。其二，CO提供的電子需要導(dǎo)體收集后傳導(dǎo)，也由多孔鉑電極完成。
同理，作為對電極的氧氣電極亦需要有多孔鉑電極協(xié)助獲得電子。鉑電極實際上是反應(yīng)平臺。電化學(xué)傳感器傳感原理雖然簡單，但是實現(xiàn)可靠精確的傳感卻很難：其一需要鉑電極有穩(wěn)定的多孔結(jié)構(gòu)，孔的數(shù)量足夠多，硫酸水溶液進(jìn)到孔里，CO (或氧氣)也能進(jìn)到孔里，在氣(CO)-固(pt)-液(硫酸水溶液中的水)共同接觸的位置即三相界面完成電子提供。因此,三相界面如何在硫酸長期浸泡、電化學(xué)反應(yīng)沖擊、電泳驅(qū)動下保持穩(wěn)定，是可靠精確傳感的核心。其二，硫酸水溶液要穩(wěn)定，不揮發(fā)，不吸水、不泄漏。任何硫酸水溶液的質(zhì)量變化都會導(dǎo)致傳感器內(nèi)部壓力的變化,進(jìn)而引起三相界面的變化。其三、由封裝、材料物理特性決定的電極和硫酸水溶液接觸應(yīng)力要穩(wěn)定不變。
目前電化學(xué)傳感器的主要問題基本源于上述因素。電化學(xué)傳感器最核心的技術(shù)及工藝之一是如何構(gòu)建孔的物理結(jié)構(gòu)合理穩(wěn)定可靠的電極，它和靈敏度、響應(yīng)恢復(fù)、壽命、溫度特性密切相關(guān)。其二是封裝。電化學(xué)傳感器存在的問題如干燥條件下的失水失活、高濕條件下的吸水漏液，長期接觸被測氣體導(dǎo)致的中毒失活，電極孔結(jié)構(gòu)解體導(dǎo)致的失活。體現(xiàn)在性能上是漏液、壽命短(相比其它原理)、體積大。體現(xiàn)在制造上表現(xiàn)為設(shè)計、工藝復(fù)雜、制造成本昂貴。
電化學(xué)傳感器的未來：明確的方向是電解液室溫固態(tài)化并以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)MEMS化。實現(xiàn)固態(tài)化和MEMS化的電化學(xué)傳感器不僅能夠克服包括制造在內(nèi)的大部分問題，而且可以激發(fā)新的應(yīng)用，為企業(yè)帶來新的增長。此時的電化學(xué)傳感器將是高度一體化的，易集成的、小巧的電子系統(tǒng)。但是，這樣的結(jié)果仍然不能克服高濃度或被測氣體長期與傳感器接觸導(dǎo)致的傳感器性能變化。
PID——光離子化檢測器
PID由紫外光源和氣室構(gòu)成。紫外發(fā)光原理與日光燈管相同，只是頻率高，能量大。被測氣體到達(dá)氣室后，被紫外燈發(fā)射的紫外光電離產(chǎn)生電荷流，氣體濃度和電荷流的大小正相關(guān)，測量電荷流即可測得氣體濃度。

特殊氣體:物理形態(tài)多變、化學(xué)過程及反應(yīng)生成物復(fù)雜多樣。包括無機(jī)氣體如氨氣。有機(jī)氣體如甲苯等。
前面介紹的各種氣體傳感器，對復(fù)雜氣體的檢測面臨巨大挑戰(zhàn)。如:對有機(jī)蒸氣的檢測，紅外吸收原理面臨著很難克服的困難：a、有機(jī)蒸氣由于分子量大的緣故，特征吸收波長較長，紅外吸收后能量變化小，通常靈敏度會很低。b、長分子鏈的有機(jī)蒸氣易吸附，會粘附在探測器上，破壞光傳輸。c、不能實現(xiàn)對voc總量的檢測。紅外系統(tǒng)若實現(xiàn)總量評價，則需要全光譜響應(yīng)的濾光片、探測器和全光譜紅外光源，這樣的要求不僅難實現(xiàn)，即使實現(xiàn)，在全光譜范圍內(nèi)，無機(jī)氣體、水的干擾將順理成章。而化學(xué)傳感器中半導(dǎo)體易被無機(jī)氣體、溫、濕度干擾，漂移，濃度分辯率低，雖然其檢測范圍寬、覆蓋氣體種類多，但仍僅適合在低端應(yīng)用。在這樣的背景下，在工業(yè)現(xiàn)場voc檢測時PlD是較好的選擇。
相對其它傳感器plD最大的特點是只對很少的無機(jī)氣體，如氨氣、磷化氫等敏感。原因在于大部分的無機(jī)氣體有很高的電離能(大于11.7ev)。目前plD燈最高紫外幅射能量僅為11.7ev。因此，在石油化工園區(qū)，PiD的響應(yīng)可以認(rèn)為是voc的響應(yīng)。
PID工作原理
1、在真空玻璃腔內(nèi)充入高純度稀有氣體如氬氣、氪氣。
2、用紫外透光片氟化鎂單晶將玻璃腔體密封，在此氟化鎂晶體對紫外光透明。
3、在玻璃腔外壁套上電極。
4、在氟化鎂窗口加上電極和電場，做為被測氣體氣室，這就是一個完整的可電離VOC的紫外燈。工作時在玻璃腔外加上高頻電場，紫外燈內(nèi)的稀有氣體被外加電場電離出電子和離子，電子和離子復(fù)合時紫外光的形式向外幅射能量。紫外光穿過氟化鎂窗口到達(dá)氣室，氣室內(nèi)被測氣體被紫外光電離產(chǎn)生電子和離子，電荷在電場作用下產(chǎn)生電流，就可以測到了。

PlD穩(wěn)定工作需要:
1、PID必須幅射足夠的能量才能電離被測氣體；
2、產(chǎn)生紫外光的高頻電場必須是穩(wěn)定的。
3、玻璃腔體內(nèi)不能有雜質(zhì)氣體，雜質(zhì)氣體會導(dǎo)致附加電離，影響紫外發(fā)光效率。
4、紫外光譜是穩(wěn)定、均勻的。
5、紫外光到達(dá)氣室的傳輸是穩(wěn)定、均勻并不與構(gòu)成氣室的金屬電極材料相互作用而產(chǎn)生重金屬沉積，重金屬在紫外幅射窗口沉積會阻擋紫外到達(dá)氣室。
這就要求：紫外燈充入的發(fā)光物質(zhì)必須是氣體才能均勻發(fā)光并傳輸。腔體內(nèi)不能有雜質(zhì)氣體，以防止附加電離等。這些要求決定了發(fā)光氣體的選擇只能是稀有氣體。窗口材料則必須對紫外透明并具有穩(wěn)定的理化性質(zhì)，事實上紫外窗口材料的選擇是極其有限的。這些限至條件最終也決定了PID應(yīng)用的局限性。
為什么目前的PID不能測丙烷、乙烷、甲烷和大部分無機(jī)物
PID的本質(zhì)是使被測物質(zhì)電離后測電荷流，電離需要能量。目前的PID紫外幅射能量最常見的是8.3ev、9.8ev、10.6ev。而電離甲烷需要的能量為12.6ev，乙烷為11.56ev、丙烷為10.95ev、二氧化碳為13ev等。事實上，人們很想開發(fā)出能量更高的PID，但限至條件在于稀有氣體的種類極其有限，紫外波長(能量)是由稀有氣體本身的電子能級決定的，人類無法改變；另一個限至條件是特定波長的紫外光透光窗口材料，能透什么樣波長的紫外光取決于窗口材料的晶格常數(shù)，在目前的材料體系中選擇也極有限。人們雖然開發(fā)出11.7ev的發(fā)光體，但適合的窗口材料只有氟化鋰(LiF)，而氟化鋰極易吸水，導(dǎo)致11.7ev的PID壽命只有兩個月。即目前的紫外燈由于輸出能量的限制，仍不能檢測甲烷等有較高電離能的物質(zhì)。
PID為什么沒有選擇性?
如果我們選擇的PID的紫外幅射能量是10.6ev，就意味著被測環(huán)境中電離能小于10.6ev的所有氣體分子都會被電離，我們測到的電荷流是所有被電離氣體的電荷流的和，而不是某種氣體的電荷流。PID無選擇性是由此決定的。
PID在工作時，氣室內(nèi)被電離的物質(zhì)相遇時會復(fù)合還原，長鏈分子、灰塵等會沉積在窗口表面，除此，傳感器工作時產(chǎn)生的離子流轟擊氣室電極也會使重金屬沉積在窗口表面，這顯然會影響紫外光透過，而導(dǎo)致零點漂移、靈敏度降低，影響檢測結(jié)果。實際上除了PiD燈的制備技術(shù)、氣室設(shè)計，PID燈紫外透過窗口的清洗技術(shù)也是核心技術(shù)之一。
PID的未來
1、PiD作為理想的非放射性離子源會永遠(yuǎn)存在；
2、提高PID燈內(nèi)充氣前的真空度以及填充氣體純度以提高發(fā)光效率和發(fā)光穩(wěn)定性；
3、開發(fā)新的窗口材料及加工精度以改善透光率、出射光均勻性、封裝質(zhì)量、以及穩(wěn)定性和壽命；
4、預(yù)防色散導(dǎo)致窗口的重金屬沉積，延長壽命；
5、防止大分子有機(jī)物、小顆粒物沉積的窗口清潔技術(shù)；
6、輸出能量更高的長壽命PID燈的開發(fā)；
7、小體積。
氣體傳感器的發(fā)展方向
氣體傳感器的研究涉及面廣、難度大，屬于多學(xué)科交叉的研究內(nèi)容。要切實提高傳感器各方面的性能指標(biāo)需要多學(xué)科、多領(lǐng)域研究工作者的協(xié)同合作。氣敏材料的開發(fā)和根據(jù)不同原理進(jìn)行傳感器結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計一直受到研究人員的關(guān)注。未來氣體傳感器的發(fā)展也將圍繞這兩方面展開工作。具體表現(xiàn)如下:
氣敏材料的進(jìn)一步開發(fā)一方面尋找新的添加劑對已開發(fā)的氣敏材料性能進(jìn)行進(jìn)一步提高；另一方面充分利用納米、薄膜等新材料制備技術(shù)尋找性能更加優(yōu)越的氣敏材料。
新型氣體傳感器的開發(fā)和設(shè)計根據(jù)氣體與氣敏材料可能產(chǎn)生的不同效應(yīng)設(shè)計出新型氣體傳感器。近年來表面聲波氣體傳感器、光學(xué)式氣體傳感器、石英振子式氣體傳感器等新型傳感器的開發(fā)成功進(jìn)一步開闊了設(shè)計者的視野。目前仿生氣體傳感器也在研究中。
氣體傳感器傳感機(jī)理的進(jìn)一步研究新的氣敏材料和新型傳感器層出不窮，很有必要在理論上對它們的傳感機(jī)理進(jìn)行深度的研究。只有機(jī)理明確了，下一步的工作才會少走彎路。
氣體傳感器的智能化生產(chǎn)和生活日新月異的發(fā)展對氣體傳感器提出了更高的要求，氣體傳感器智能化是其發(fā)展的必由之路。智能氣體傳感器將在充分利用微機(jī)械與微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、電路與系統(tǒng)、傳感技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊理論等多學(xué)科綜合技術(shù)的基礎(chǔ)上得到發(fā)展。
仿生氣體傳感器的迅速發(fā)展警犬的鼻子就是一種靈敏度和選擇性都非常好的理想氣敏傳感器，結(jié)合仿生學(xué)和傳感器技術(shù)研究類似狗鼻子的＂電子鼻＂將是氣體傳感器發(fā)展的重要方向之一。
制造業(yè)的未來是智能化，智能化的基礎(chǔ)就是傳感器；互聯(lián)網(wǎng)的方向是物聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)的基石也是傳感器；
《傳感器技術(shù)》匯編了一套各種傳感器的基礎(chǔ)知識，介紹了各種傳感器的原理。
責(zé)任編輯：PSY
原文標(biāo)題：深度解讀各類氣體傳感器
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氣體傳感器的組成：氣體傳感器有哪些分類

氣體傳感器的分類如下：
一、半導(dǎo)氣體傳感器
這種類型的傳感器在氣體傳感器中約占60%，根據(jù)機(jī)理分為電導(dǎo)型和非電導(dǎo)型，電導(dǎo)型中又分為表面型和容積控制型。
二、固體電解質(zhì)氣體傳感器
這種傳感器元件為離子對固體電解質(zhì)隔膜傳導(dǎo)，稱為電化學(xué)池，分為陽離子傳導(dǎo)和陰離子傳導(dǎo)，是選擇性強(qiáng)的傳感器，研究較多達(dá)到實用化的是氧化鋯固體電解質(zhì)傳感器，其機(jī)理是利用隔膜兩側(cè)兩個電池之間的電位差等于濃差電池的電勢。穩(wěn)定的氧化鉻固體電解質(zhì)傳感器已成功地應(yīng)用于鋼水中氧的測定和發(fā)動機(jī)空燃比成分測量等。
為彌補(bǔ)固體電解質(zhì)導(dǎo)電的不足，近幾年來在固態(tài)電解質(zhì)上鍍一層氣敏膜，把圍周環(huán)境中存在的氣體分子數(shù)量和介質(zhì)中可移動的粒子數(shù)量聯(lián)系起來。
三、接觸燃燒式氣體傳感器
接觸燃燒式傳感器適用于可燃性氣H2、CO、CH4的檢測。
四、電化學(xué)氣體傳感器
電化學(xué)方式的氣體傳感器常用的有兩種：
1、恒電位電解式傳感器
是將被測氣體在特定電場下電離，由流經(jīng)的電解電流測出氣體濃度，這種傳感器靈敏度高，改變電位可選擇的檢洌氣體，對毒性氣體檢測有重要作用。
2、原電池式氣體傳感器
在KOH電解質(zhì)溶液中，Pt—Pb或Ag—Pb電極構(gòu)成電池，已成功用于檢測O2，其靈敏度高，缺點是透水逸散吸潮，電極易中毒。
五、光學(xué)氣體傳感器
1、直接吸收式氣體傳感器
紅外線氣體傳感器是典型的吸收式光學(xué)氣體傳感器，是根據(jù)氣體分別具有各自固有的光譜吸收譜檢測氣體成分，非分散紅外吸收光譜對SO2、CO、CO2、NO等氣體具有較高的靈敏度。
2、光反應(yīng)氣體傳感器
光反應(yīng)氣體傳感器是利用氣體反應(yīng)產(chǎn)生色變引起光強(qiáng)度吸收等光學(xué)特性改變，傳感元件是理想的，但是氣體光感變化受到限制，傳感器的自由度小。
3、氣體光學(xué)特性的新傳感器
光導(dǎo)纖維溫度傳感器為這種類型，在光纖頂端涂敷觸媒與氣體反應(yīng)、發(fā)熱。溫度改變，導(dǎo)致光纖溫度改變。利用光纖測溫已達(dá)到實用化程度，檢測氣體也是成功的。
梅特勒-托利多InPro 6800G/12/220/Ka可精確測量濃度介于0.1％至100％的氧氣濃度，為滿足特定應(yīng)用的要求，InPro 6800G/12/220/Ka的長度為220 mm，適用于中長長度安裝。它采用了Kalrez?O形圈和316L不銹鋼液接部分，應(yīng)用范圍廣泛。

一，半導(dǎo)氣體傳感器
這種類型的傳感器在氣體傳感器中約占60%，根據(jù)其機(jī)理分為電導(dǎo)型和非電導(dǎo)型，電導(dǎo)型中又分為表面型和容積控制型.
(1 ) SnO2半導(dǎo)體是典型的表面型氣敏元件，其傳感原理是SnO2為n 型半導(dǎo)體材料。當(dāng)施加電壓時，半導(dǎo)體材科溫度升高，被吸附的氧接受了半導(dǎo)體中的電子形成了O2或O2原性氣體H2、CO、CH4存在時，使半導(dǎo)體表面電阻下降，電導(dǎo)上升，電導(dǎo)變化與氣體濃度成比倒。NiO為p型半導(dǎo)體，氧化性氣體使電導(dǎo)下降，對O2敏感。ZnO半導(dǎo)體傳感器也屬于此種類型。
半導(dǎo)體氣體傳感器
a. 電導(dǎo)型的傳感器元件分為表面敏感型和容積控制型，表面敏感型傳感材料為SnO2+Pd 、ZnO十Pt 、AgO、V 205 、金屬酞青、Pt —SnO2。 表面敏感型氣體傳感器可檢測氣體為各種可燃性氣體C0、NO2、 氟利昂。傳感材料Pt —SnO2 的氣體傳感器可檢測氣體為可燃性氣體CO、H2、CH4 。
b. 容積控制型傳感材料為Fe2O8、la1-SSrxCOO8 和TiO2、CoO-MgO —SnO2體傳感器可檢測氣體為各種可燃性氣體CO、NO2 氟利昂。。傳感材料Pt —SnO2
容積控制型半導(dǎo)體氣體傳感器可檢測氣體為液化石油氣、酒精、空燃比控制、燃燒爐氣尾氣。
( 2) 容積控制型的是晶格缺陷變化導(dǎo)致電導(dǎo)率變化，電導(dǎo)變化與氣體濃度成比例關(guān)系。
Fe2O8、TiO2屬于此種，對可燃性氣體敏感。
(3) 熱線性傳感器，是利用熱導(dǎo)率變化的半導(dǎo)體傳感器，又稱熱線性半導(dǎo)體傳感器，是在Pt 絲線圈上涂敷SnO2層，Pt絲除起加熱作用外，還有檢測溫度變化的功能。施加電壓半導(dǎo)體變熱，表面吸氧，使自由電子濃度下降，可燃性氣體存在時，由于燃燒耗掉氧自由電子濃度增大，導(dǎo)熱率隨自由電子濃度增加而增大，散熱率相應(yīng)增高，使Pt 絲溫度下降，阻值減小，P t絲阻值變化與氣體濃度為線性關(guān)系。
這種傳感器體積小、穩(wěn)定、抗毒，可檢測低濃度氣體，在可燃?xì)怏w檢測中有重要作用。
( 4) 非電導(dǎo)型的FET場效應(yīng)晶體管氣體傳感器，Pd —FET．場效應(yīng)晶體管傳感器，利用Pd 吸收H z 并擴(kuò)散達(dá)到半導(dǎo)體Si 和Pd的界面，減少Pd 的功函，這種對H2、CO敏感。非電導(dǎo)型FET場效應(yīng)晶體管氣體傳感器體積小，便于集成化，多功能，是具有發(fā)展前途的氣體傳感器。
二，固體電解質(zhì)氣體傳感器
這種傳感器元件為離子對固體電解質(zhì)隔膜傳導(dǎo)，稱為電化學(xué)池，分為陽離子傳導(dǎo)和陰離子傳導(dǎo)，是選擇性強(qiáng)的傳感器，研究較多達(dá)到實用化的是氧化鋯固體電解質(zhì)傳感器，其機(jī)理是利用隔膜兩側(cè)兩個電池之間的電位差等于濃差電池的電勢。穩(wěn)定的氧化鉻固體電解質(zhì)傳感器已成功地應(yīng)用于鋼水中氧的測定和發(fā)動機(jī)空燃比成分測量等。
為彌補(bǔ)固體電解質(zhì)導(dǎo)電的不足，近幾年來在固態(tài)電解質(zhì)上鍍一層氣敏膜，把圍周環(huán)境中存在的氣體分子數(shù)量和介質(zhì)中可移動的粒子數(shù)量聯(lián)系起來。
三，接觸燃燒式氣體傳感器
接觸燃燒式傳感器適用于可燃性氣H2、CO、CH4的檢測。可燃?xì)怏w接觸表面催化劑
Pt 、Pd 時燃燒、破熱，燃燒熱與氣體濃富有關(guān)。這類傳感器的應(yīng)用面廣、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，缺點是選擇性差。
四，電化學(xué)氣體傳感器
電化學(xué)方式的氣體傳感器常用的有兩種
( 1 )恒電位電解式傳感器
是將被測氣體在特定電場下電離，由流經(jīng)的電解電流測出氣體濃度，這種傳感器靈敏度高，改變電位可選擇的檢洌氣體，對毒性氣體檢測有重要作用。
( 2) 原電池式氣體傳感器
在KOH電解質(zhì)溶液中，Pt —Pb或Ag —Pb 電極構(gòu)成電池，已成功用于檢測O2，其靈敏度高，缺點是透水逸散吸潮，電極易中毒。
五，光學(xué)氣體傳感器
( 1 )直接吸收式氣體傳感器
紅外線氣體傳感器是典型的吸收式光學(xué)氣體傳感器，是根據(jù)氣體分別具有各自固有的光譜吸收譜檢測氣體成分，非分散紅外吸收光譜對SO2、CO、CO2、NO等氣體具有較高的靈敏度。
另外紫外吸收、非分散紫外線吸收、相關(guān)分光、二次導(dǎo)數(shù)、自調(diào)制光吸收法對NO、NO2、SO2、烴類( CH4) 等氣體具有較高的靈敏度。
( 2)光反應(yīng)氣體傳感器
光反應(yīng)氣體傳感器是利用氣體反應(yīng)產(chǎn)生色變引起光強(qiáng)度吸收等光學(xué)特性改變，傳感元件是理想的，但是氣體光感變化受到限制，傳感器的自由度小。
( 3 )氣體光學(xué)特性的新傳感器
光導(dǎo)纖維溫度傳感器為這種類型，在光纖頂端涂敷觸媒與氣體反應(yīng)、發(fā)熱。溫度改變，導(dǎo)致光纖溫度改變。利用光纖測溫已達(dá)到實用化程度，檢測氣體也是成功的。
此外，利用其它物理量變化測量氣體成分的傳感器在不斷開發(fā)，如聲表面波傳感器檢測SO2、NO2、H2S、NH3、H2 等氣體也有較高的靈敏度。

1
、半導(dǎo)體式氣體傳感器

它是利用一些金屬氧化物半導(dǎo)體材料，在一定溫度下，電導(dǎo)率隨著
環(huán)境氣體成份的變化而變化的原理制造的。比如，酒精傳感器，就
是利用二氧化錫在高溫下遇到酒精氣體時，電阻會急劇減小的原理
制備的。

半導(dǎo)體式氣體傳感器可以有效地用于：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、
酒精、
甲醛、
一氧化碳、
二氧化碳、
乙烯、
乙炔、
氯乙烯、
苯乙烯、
丙烯酸等很多氣體地檢測。尤其是，這種傳感器成本低廉，適宜于
民用氣體檢測的需求。

下列幾種半導(dǎo)體式氣體傳感器是成功的：甲烷（天然氣、沼氣）、
酒精、一氧化碳（城市煤氣）、硫化氫、氨氣（包括胺類，肼類）。
高質(zhì)量的傳感器可以滿足工業(yè)檢測的需要。

缺點：穩(wěn)定性較差，受環(huán)境影響較大；尤其，每一種傳感器的選擇
性都不是唯一的，輸出參數(shù)也不能確定。因此，不宜應(yīng)用于計量準(zhǔn)
確要求的場所。

目前這種傳感器的主要供應(yīng)商在日本（發(fā)明者），其次是中國，最
近有新加入了韓國，其他國家如美國在這方面也有相當(dāng)?shù)墓ぷ鳎?br/>是始終沒有匯入主流！中國在這個領(lǐng)域投入的人力和時間都不亞于
日本，但是由于多年來國家政策導(dǎo)向以及社會信息閉塞等原因，我
國流行于市場的半導(dǎo)體式氣體傳感器性能質(zhì)量都遠(yuǎn)遜于日本產(chǎn)品，
相信，隨著市場進(jìn)步，民營資本的進(jìn)一步興起，中國產(chǎn)的半導(dǎo)體式
氣體傳感器
達(dá)到和超越日本水平已經(jīng)指日可待

2
、催化燃燒式氣體傳感器

這種傳感器是在白金電阻的表面制備耐高溫的催化劑層，在一定的
溫度下，
可燃性氣體在其表面催化燃燒，
燃燒是白金電阻溫度升高，
電阻變化，變化值是可燃性氣體濃度的函數(shù)。

催化燃燒式氣體傳感器選擇性地檢測可燃性氣體：
凡是可以燃燒的，
都能夠檢測；凡是不能燃燒的，傳感器都沒有任何響應(yīng)。當(dāng)然，凡
是可以燃燒的，都能夠檢測這一句有很多例外，但是，總的來講，
上述選擇性是成立的。
催化燃燒式氣體傳感器計量準(zhǔn)確，響應(yīng)快速，壽命較長。傳感器的
輸出與環(huán)境的爆炸危險直接相關(guān)，在安全檢測領(lǐng)域是一類主導(dǎo)地位
的傳感器。

缺點：在可燃性氣體范圍內(nèi)，無選擇性。暗火工作，有引燃爆炸的
危險。大部分元素有機(jī)蒸汽對傳感器都有中毒作用。

目前這種傳感器的主要供應(yīng)商在中國、日本、英國（發(fā)明國）！目
前中國是這種傳感器的最大用戶（煤礦），也擁有最佳的傳感器生
產(chǎn)技術(shù)，盡管不斷有各種各樣的代理商在宣傳上干擾社會對這種傳
感器的認(rèn)識，但是畢竟，催化燃燒式氣體傳感器的主流制造商在國
內(nèi)。

3
、熱導(dǎo)池式氣體傳感器

每一種氣體，都有自己特定的熱導(dǎo)率，當(dāng)兩個和多個氣體的熱導(dǎo)率
差別較大時，可以利用熱導(dǎo)元件，分辨其中一個組分的含量。這種
傳感器已經(jīng)傳感器地用于氫氣的檢測、二氧化碳的檢測、高濃度甲
烷的檢測。

這種氣體傳感器可應(yīng)用范圍較窄，限制因素較多。

這是一種老式產(chǎn)品，全世界各地都有制造商。產(chǎn)品質(zhì)量全世界大同
小異。

4
、電化學(xué)式氣體傳感器

它相當(dāng)一部分的可燃性的、有毒有害氣體都有電化學(xué)活性，可以被
電化學(xué)氧化或者還原。利用這些反應(yīng)，可以分辨氣體成份、檢測氣
體濃度。電化學(xué)
氣體傳感器
分很多子類：

（
1
）、原電池型氣體傳感器（也稱：加伏尼電池型氣體傳感器，也
有稱燃料電池型氣體傳感器，也有稱自發(fā)電池型氣體傳感器），他
們的原理行同我們用的干電池，只是，電池的碳錳電極被氣體電極
替代了。以氧氣傳感器為例，氧在陰極被還原，電子通過電流表流
到陽極，
在那里鉛金屬被氧化。
電流的大小與氧氣的濃度直接相關(guān)。
這種傳感器可以有效地檢測氧氣、二氧化硫、氯氣等。

（
2
）
、
恒定電位電解池型氣體傳感器，這種傳感器用于檢測還原性
氣體非常有效，它的原理與原電池型傳感器不一樣，它的電化學(xué)反
應(yīng)是在電流強(qiáng)制下發(fā)生的，是一種真正的庫侖分析的傳感器。這種
傳感器已經(jīng)成功地用于：一氧化碳、硫化氫、氫氣、氨氣、肼、等
氣體的檢測之中，是目前有毒有害氣體檢測的主流傳感器。

1、半導(dǎo)體式氣體傳感器
2、催化燃燒式氣體傳感器
3、熱導(dǎo)池式氣體傳感器
4、電化學(xué)式氣體傳感器

一氧化碳是一種無色無味、易燃易爆的有毒氣體，是碳基燃料燃燒后不完整后的主要產(chǎn)物。我們可以用一氧化碳所占燃燒氣體的比例來表示燃燒的效率。即便國家對汽車尾氣排放的審核標(biāo)準(zhǔn)一再提高，但是隨著人們與日俱增的對物質(zhì)需求的提升和人均用車量導(dǎo)致CO等溫室的氣體污染不斷加重。在原礦進(jìn)行提煉時，整個能量轉(zhuǎn)化過程比較容易釋放煤氣。因為在現(xiàn)代化的生活與工業(yè)生產(chǎn)中，煤氣屬于中關(guān)鍵性能源，伴隨社會發(fā)展與進(jìn)步，煤氣使用、生產(chǎn)以及運輸規(guī)模不斷變大，而煤氣中一氧化碳的含量比較多。并且其中一氧化碳占比將近0.97，基本等同于空氣含量，所以擴(kuò)散難度比較大，經(jīng)常會聚集在某個區(qū)域。如果一個區(qū)域中一氧化碳的含量達(dá)到特定濃度，極易引起爆炸的事故。同時一氧化碳是無味無色的氣體，比較難察覺，這種氣體是有毒的氣體，所以經(jīng)常會見到一氧化碳的中毒事件。一氧化碳這種劇毒性的氣體，最主要的危害有兩點：一是會污染大氣環(huán)境，二是會一氧化碳會使得人體內(nèi)細(xì)胞缺氧而導(dǎo)致人機(jī)體細(xì)胞死亡。如果人體血液的循環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)入了一氧化碳，這種氣體就會結(jié)合血紅蛋白，生產(chǎn)碳氧的血紅蛋白，這種血紅蛋白比較難解離，導(dǎo)致人的組織細(xì)胞缺氧甚至死亡。二氧化碳是一種完全燃燒的產(chǎn)物，通常用于定量攝入EGR水平;它也是一種重要的溫室氣體，與CO一起，是一種燃燒完成度和總排碳量的測量方法。因此，如何在生活以及工作環(huán)境對一氧化碳和二氧化碳進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，對于今后生態(tài)環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要。在國內(nèi)環(huán)境污染不斷加重以及檢測技術(shù)不夠先進(jìn)的背景下，各種檢測設(shè)備老化，因為這些諸多問題，需要將環(huán)境的監(jiān)測領(lǐng)域投資加大，繼而推動光纖氣體的監(jiān)測技術(shù)發(fā)展。就目前而言，國內(nèi)大氣質(zhì)量的周報中，五大主要污染源就是臭氧、PM10、二氧化氮、二氧化硫以及一氧化碳，這些氣體監(jiān)測儀主要源自國外，并且這些儀器主要采取光化學(xué)方式監(jiān)測，就監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的態(tài)勢來看，最新一代的監(jiān)測技術(shù)是光譜學(xué)與光學(xué)技術(shù)，這兩種技術(shù)即為差分吸收的光譜技術(shù)。[i]
1.1                         氣體傳感技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
伴隨全球工業(yè)化的革命發(fā)展，生產(chǎn)力提升和日新月異科技的發(fā)展卻導(dǎo)致環(huán)境污染變得越來越嚴(yán)重，環(huán)境保護(hù)已成為了全世界不得不一起共同面對的巨大挑戰(zhàn)。各國政府都設(shè)置環(huán)境保護(hù)的組織，旨在經(jīng)科學(xué)手段檢測污染源，合理的運用新型的傳感測量技術(shù)是針對環(huán)境污染最有效監(jiān)控途徑。近幾年來，世界各國對環(huán)境保護(hù)投資比較大，通過大量物力以及人力對新型傳感的器件進(jìn)行開發(fā)，用來對未知的污染源進(jìn)行識別，同時對已知的污染源變化進(jìn)行監(jiān)測。有學(xué)者預(yù)測，環(huán)境保護(hù)傳感器的市場會逐漸擴(kuò)大，直至在未來環(huán)境保護(hù)方面市場份額達(dá)到舉足輕重的地位。僅僅在我國2016年對傳感器需求就達(dá)到了30億只，換算市值可達(dá)到1200億元。光纖傳感技術(shù)是一種七十年代后期才逐漸開始發(fā)展起來的新技術(shù)。但是我國中高檔傳感器幾乎均靠國外進(jìn)口，國內(nèi)缺乏對新型光纖傳感技術(shù)為原理的新型傳感器研發(fā)和產(chǎn)品化。而由于光纖傳感器有極高的靈敏度和精度、輕細(xì)柔軟便于安裝、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和安全抗干擾性的特性，能補(bǔ)足傳統(tǒng)傳感器的種種局限，因此我們可以斷言光纖傳感器將會在未來環(huán)境監(jiān)控上起到重大的作用和影響。
氣體檢測傳感器的發(fā)展趨勢是：
1.由勞動密集型向技術(shù)密集型方向發(fā)展。
2.氣體檢測現(xiàn)在主要經(jīng)大型工業(yè)的實驗室以及人工采樣方式來處理，今后應(yīng)該轉(zhuǎn)向智能化、機(jī)械化以及自動化的方向。
3.由物理理論領(lǐng)域監(jiān)測向全方位信息領(lǐng)域監(jiān)測的方向發(fā)展。
4．向新材料新工藝傳感器發(fā)展。
5.向物理、電子、光學(xué)等多方面高新領(lǐng)域發(fā)展。
6.由單功能向多功能傳感器發(fā)展。
1.3 本論文內(nèi)容和結(jié)構(gòu)框架
本論文第一章對氣體傳感器應(yīng)用前景與當(dāng)前進(jìn)展進(jìn)行簡要分析，對氣體傳感器發(fā)展趨勢進(jìn)行總結(jié)，以便給氣體傳感器研究提供參考。
第二章對光纖氣體的傳感器分類與發(fā)展進(jìn)行介紹，同時分析LED燈在今后氣體傳感器的發(fā)展中所產(chǎn)生的影響。
第三章介紹了了氣體傳感器的特性概述，首先簡單介紹了氣體分子光譜理論，然后粗略的介紹了光譜吸收定律和氣體分子的吸收線，最后描述了一下氣體傳感器耦合問題。
第四章主要介紹了在光纖氣體傳感系統(tǒng)當(dāng)中，因為存在很多影響測試結(jié)果的不利因
素，而我們可以通過差分吸收檢測方法和波長調(diào)制諧波檢測方法來保證實驗的準(zhǔn)確性，本
章簡單的介紹了一下差分吸收法和諧波檢測的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)和給出了模型支持簡單的了
解了兩種方法的工作原理。還以此建立了傳感器的理論模型。
第五章主要研究了一種簡單的檢測co2和co的基于LED光譜吸收的氣體傳感器，同時分析了其工作原理和工作模擬圖，通過比對不同氣體的吸收譜來選擇相應(yīng)的波長闡述了具體的設(shè)計理念展示了相關(guān)數(shù)據(jù)。
第六章總結(jié)了本論文所完成的研究工作，討論了論文本身存在的不足之處。展望了未來光纖傳感器的發(fā)展和進(jìn)步。
2 光纖氣體傳感器概論
2.1 光纖氣體傳感器的發(fā)展
由于氣體光譜的吸收氣體測量的技術(shù)，主要優(yōu)勢就是鑒別氣體濃度以及測量的靈敏度比較高，所以在控制工業(yè)的氣體監(jiān)測以及環(huán)境監(jiān)測中有著重要作用。通常傳統(tǒng)吸收光譜的分析方法只可以對野外實地的采集樣本進(jìn)行監(jiān)測，再經(jīng)實驗室的儀器實施精確光譜的分析。另外，傳統(tǒng)吸收光譜工作的時間比較長，儀器的精密性要求，所以對工作環(huán)境有著一定要求，所以導(dǎo)致實際應(yīng)用受限，特別在工業(yè)氣體與環(huán)境監(jiān)測控制的過程中，傳統(tǒng)分析方法無法與在線連續(xù)性的精準(zhǔn)監(jiān)測要求相符。而光纖傳的感技術(shù)在70年代的末期才逐漸出現(xiàn)在大家視野的一門高新技術(shù)。把石英光纖當(dāng)作例子，于1.55波長附近，光纖的損耗能夠降低到每公里 0.2d B。換句話說，光纖氣體傳感器可以克服以往舊的傳感器無法對惡劣環(huán)境的情況（例如高溫環(huán)境、易爆高危高毒環(huán)境或高頻高磁場環(huán)境），工作人員可以通過相應(yīng)的軟件程序進(jìn)行遠(yuǎn)距離操控。與傳統(tǒng)的電傳感器相比，光纖傳感器所需要的匹配功率較低，操作人員的安全得到大大提升。另外，光纖由于具有耐腐蝕的特性，可在高核輻射這種危險環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)。由于光纖有交寬頻帶，可以攜帶海量信息，經(jīng)分波長、分時與分頻等多路服用的技術(shù)，可實現(xiàn)不同傳感器共用傳輸?shù)墓饫w，一個探測器或是一個光源，一根光纖，就可以測量不同的化學(xué)參量，或用于多點或分布式測量，這樣可以大大降低整個系統(tǒng)的成本。[ii]
光纖傳感器主要優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)比較簡單、靈敏度比較高、體積較小以及耐腐蝕等，也就因為這些優(yōu)勢逐漸受到廣大科研人員的喜愛。在無數(shù)的智慧火花碰撞后衍生出了許多結(jié)合其他的高新領(lǐng)域和光纖的傳感技術(shù)的新技術(shù)，也就是氣體傳感的技術(shù)。到目前為止，光纖的傳感器在濃度、位移、加速度以及振動等物理量測量中有廣泛應(yīng)用，其市場前景與潛力比較大[iii]。
2.2          光纖氣體傳感器的分類
光纖傳感器主要在氣體物理與化學(xué)性質(zhì)、光學(xué)現(xiàn)象等測量中，下面我們將簡單的介紹幾種主流的光纖傳感器：
2.2.1光譜吸收型熒光型
我們可以通過測量與之相對應(yīng)熒的光輻射對氣體濃度進(jìn)行檢測，熒光不僅可以由被物質(zhì)的被測物質(zhì)自身變化而來，而且可以由熒光染料和被測物化學(xué)反應(yīng)而來。圖2-1呈現(xiàn)的是熒光物質(zhì)經(jīng)吸收特定的波長所得光照，當(dāng)電子將能量吸收以后，就會轉(zhuǎn)變成受激的狀態(tài)，由低能態(tài)轉(zhuǎn)變成高能態(tài)；電子受光輻射的刺激以后，會出現(xiàn)熒光，并且此時熒光波長比應(yīng)激波長大。通常在受激的狀態(tài)下，電子不會長時間停留，其壽命普遍在1-20ns之間。
圖2-1熒光產(chǎn)生機(jī)理
如果測量濃度將某種特定光照射吸收以后，不僅可以對熒光輻射強(qiáng)度進(jìn)行改變，而且能引起壽命的變化。所以按照各種測量的方式以及傳感的機(jī)理，可以劃分成兩種，其一是對熒光輻射的壽命進(jìn)行測量；其二是對熒光輻射的強(qiáng)度進(jìn)行測量[iv]。相較于吸收型的光纖傳感器，熒光型的傳感器中傳感熒光波長與激勵光波長不一樣，因為各種熒光材料中熒光輻射的波長不一樣，所以熒光傳感器在鑒別被測量物方面，準(zhǔn)確性比較高[v]。就實際應(yīng)用而言，人們經(jīng)常希望激勵波長和輻射波長可以有較遠(yuǎn)的距離，以便經(jīng)價格低廉波長的濾波器劃分傳感光和激勵光。都要去激勵波長處于近紅外區(qū)或是見光區(qū)，關(guān)于這段波的研究技術(shù)相對成熟，價格方面人們也比較容易接受。熒光傳感的原理主要就是對某固定的波長段熒光的強(qiáng)度進(jìn)行測量，經(jīng)過這個原理，能夠制作出熒光pH的傳感器，即通過實驗不斷改變濃度ph值的大小，使得熒光輻射的強(qiáng)度也不斷改變。熒光壽命的測量方法較為復(fù)雜，這里我們就暫且不去討論。熒光型傳感器具有極高的物質(zhì)鑒別能力但其缺點就是其檢測信號極其微弱不易測量且設(shè)計檢測系統(tǒng)極其復(fù)雜，不利于實現(xiàn)工業(yè)化和商品化。
2.2.2基于折射率變化的傳感器
就折射率的變化也就是光程變化光纖傳感器而言，主要是將特殊材料涂敷在光纖端面或是表面，該材料折射率與體積在氣體上有較強(qiáng)的敏感性。例如：雜聚硅氧烷( HPS)材料能夠經(jīng)溶膠凝膠(Sol-Gel)方式，將其涂抹于光纖的表面，并且設(shè)計涂層的折射率類似石英光纖的折射率。該材料與某種化學(xué)量發(fā)生作用后，會改變了折射率，這各類型HPS能夠?qū)Σ煌瘜W(xué)量進(jìn)行測量。例如：glycidoxyl propyl siloxane折射率在碳?xì)浠衔锓磻?yīng)后，對于甲苯會有敏感性。并且折射率發(fā)生變化，會使得波導(dǎo)參數(shù)發(fā)生變化，例如：雙折射率、損耗與有效的折射率等，上述參數(shù)能夠采取千涉或是強(qiáng)度檢測方式進(jìn)行測量。膜與氫氣相遇，就會出現(xiàn)膨脹，四氟乙烯、高分子膜與己烷、酒精燈相遇，同樣會膨脹。這些材料會在光纖的端部沉積，構(gòu)成Fabry-Perot的干涉儀，而氣體所致薄膜膨脹可已經(jīng)測量干涉儀的光強(qiáng)度輸出獲得。[vi]
2.2.3基于染料染色劑的傳感器
在石英的吸光譜上，部分氣體吸收波不夠明顯，即便存在吸收波，但是因為各種因素導(dǎo)致相應(yīng)波長的光源并不存在與現(xiàn)實生活中，基于這種情況應(yīng)運而生的便是將染料指示劑當(dāng)作中間產(chǎn)物，完成間接的傳感。一旦燃料和氣體產(chǎn)生化學(xué)的反應(yīng)，本身光學(xué)的性質(zhì)同樣會變化，經(jīng)過對其中變化進(jìn)行測量，可以獲取被測氣體信息[vii]。ph值的傳感器屬于較常見的一種，染料的指示劑，例如：石蕊試紙顏色會伴隨ph大小改變而發(fā)生變化。因此我們可以通過測量所對應(yīng)的溶液ph值來測量部分氣體的濃度（如NH3.CO2等）。
2.2.4 光纖漸逝場氣體傳感器
光纖漸逝場氣體傳感器在現(xiàn)實生活是一類已經(jīng)得到實現(xiàn)且具有廣大潛力前景的一類傳感器。企業(yè)已經(jīng)能商業(yè)化出產(chǎn)著在波長3.39um處利用漸逝場原理的光纖傳感器。但是另一方面因為該類傳感器在該波長段處的光纖傳輸損耗極高運用效率極低，導(dǎo)致該類別傳感器的光路往往不能夠超過3米及以上標(biāo)準(zhǔn)。此類傳感器檢測的氣體濃度同時也將限制于百分之二量級上。漸逝場的傳感器并且容易發(fā)生表面污染的問題，即便經(jīng)高分子的隔離膜能夠防止大型的污染物進(jìn)入到漸逝場的區(qū)域，和氣體分子的體積接近的分子卻難以阻擋，這些污染物將會改變光纖表面的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，從而改變其測量出的參數(shù)導(dǎo)致影響傳感器的靈敏度。如何降低表面污染對漸勢場型傳感器的影響是未來科研人員仍需要攻克的主要技術(shù)性難關(guān)。
漸勢場型光纖氣體傳感原理圖
2.2.5 吸收式光纖氣體傳感器
在這些傳感器之中，光纖作用就是當(dāng)作傳輸?shù)慕橘|(zhì)，只可以對光能量進(jìn)行傳輸，所傳輸光能量能夠和待測氣體的樣本互相作用，產(chǎn)生各類信息，以便在某些區(qū)域檢測待測氣體的樣本[viii]。依據(jù)現(xiàn)有的情況數(shù)據(jù)分析，吸收式光纖氣體傳感器是在現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)手段支持下由理論走向造福社會的一類新型的傳感器。
吸收型的傳感器主要是經(jīng)氣體測量石英光纖透射窗口(0.8-1.7um)吸收峰。通過氣體吸收產(chǎn)生的光強(qiáng)衰減程度來通過一定的數(shù)學(xué)公式運算對氣體濃度進(jìn)行測定，主要是按照Lambert-Beer的定律計算。常見氣體(如CO2, C2H2, CH4, N02, C0)在紅外光譜范圍內(nèi)都存在較強(qiáng)的吸收譜線，該紅外光譜波段對應(yīng)接收器與氣體的發(fā)光器均是相對理想光電轉(zhuǎn)換的器件。經(jīng)該方式能夠準(zhǔn)確測量大部分氣體的濃度，不僅能保證產(chǎn)品質(zhì)量安全，而且具有靈敏度高、高抗電磁干擾功能、響應(yīng)速度比傳統(tǒng)傳感器快、成本價格低廉、運用對象廣泛、具有良好的兼容性特別是傳感頭不帶電、本質(zhì)防爆的特點，在高危工業(yè)的檢測中應(yīng)用前景較好，此次所用傳感器就是吸收型傳感器
圖3吸收型光纖氣體傳感的原理圖
2.3          LED在傳感器起到的功效
在光纖的系統(tǒng)中，主要是采取光纖和發(fā)光二極管最佳耦合高亮度，并且傳感器中明確要求部件達(dá)到最大利用率和安全保障率的同時，確保發(fā)射波長和光纖吸收的頻率創(chuàng)口一樣。LED的器件公共特性都一樣，光/電流的曲線特性如圖2-3所示。如果范圍比較寬，也就是40dB左右，在一定的范圍區(qū)間內(nèi)光輸出就會伴隨正向偏置電流變化方向，與線性圖比較接近，然而，伴隨器件的溫度變化，會增加使用期，曲線也會越來月平穩(wěn)。這種變化會影響到傳感器的系統(tǒng)，繼而使得測量數(shù)據(jù)間存在極大偏差。因此需要及時經(jīng)熱反饋方式，對這些變化進(jìn)行了解，本文經(jīng)發(fā)射系統(tǒng)或是溫度的敏感電源中光電二極管進(jìn)行監(jiān)測。
圖2-3發(fā)光二極管的光/電流曲線
面發(fā)光二極管與光纖的藕合從結(jié)果上分析這是個低效率過程。為什么這么說呢？這是因為LED面發(fā)光管所產(chǎn)生的光功率會散漫的分布在一個極大的立體角內(nèi)，能夠進(jìn)入光纖部分的輸出光功率甚至不足百分之十，所以結(jié)合單模的光纖系統(tǒng)和發(fā)光二極管使用，沒有現(xiàn)實的意義。
邊發(fā)光放入二極管主要是經(jīng)雙異質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生輻射，引起局部內(nèi)波導(dǎo)的效應(yīng)，可以構(gòu)成穩(wěn)定定向紅外的光束，能夠?qū)Πl(fā)射光方向性進(jìn)行保證，將光束限制于垂直方向的30°范圍中，限制在水平方向的120°內(nèi)。所以對比了面發(fā)光二極管以及邊發(fā)光二極管得出，邊發(fā)光二級光光耦合的效率比較高，而就接收小立體角類光纖而言，光耦合的效率就是一個重要部分。
圖2.3.1
從圖2.3.1中我們可以看出只有在某一波段的光才具有在光纖中低損耗傳輸?shù)哪芰Α?br/>2.4 本章小結(jié)
本章主要介紹了氣體傳感器的發(fā)展歷程，之后又介紹了幾種不同工作類型的光纖型傳感器；為后面介紹該論文闡述的氣體傳感器系統(tǒng)原理做了鋪墊；接著介紹了光纖在LED中起到的作用和功效，展現(xiàn)了吸收型光纖傳感器在未來的前景。
3.吸收型氣體傳感器特性分析
3.1引言
就氣體分子吸收光譜的理論而言，經(jīng)氣體分子吸收作用以及特定波長光原理，能夠?qū)怏w濃度進(jìn)行檢測，因為氣體分子中存在吸收光譜，如果穿過待測的氣體，并且氣體濃度不高，該氣體就會吸收特定波長的能量，滿足Lambert －Beer定律。氣體分子的吸收光譜理論和Lambert －Beer定律，建立吸收型傳感器的支持理論框架。然而，因為氣體分子光譜線寬極比較窄，其譜寬主要是納米的量級，同時吸收的功勞不大，經(jīng)測光照的強(qiáng)度增減，對氣體難度進(jìn)行測量的難度比較大。因此，需要按照比爾朗伯吸收定律以及氣體分子的光譜理論，經(jīng)諧波檢測與差分吸收方式，對各種因素的干擾進(jìn)行克服，有效檢測出微弱光電的信號。
3.2 氣體分子光譜理論
當(dāng)電磁輻射與氣體分子相互作用時，能引起分子狀態(tài)由低能態(tài)過渡到高能態(tài)，發(fā)生所
謂的能級躍遷，記錄不同氣體所需要的電磁輻射強(qiáng)度變化被氣體分子所吸收隨波長的變
化，所得到的光譜圖便是氣體分子吸收光譜
在光纖氣體傳感器傳感系統(tǒng)當(dāng)中由于選擇的光源的波段主要是紅外光的波動，在紅外光譜區(qū)，分子振動和吸收等，都會在各能級間躍遷，能量躍遷能夠經(jīng)量子力學(xué)的原理解釋，在能量的躍遷過程，氣體分子之中原子會不斷振動，并且分子振動過程，會發(fā)生自我的轉(zhuǎn)動。按照量子力學(xué)的原理可知，如果分子的能態(tài)改變，那么其都是按照特定規(guī)律進(jìn)行變化，分子能級會呈現(xiàn)出規(guī)律化。若經(jīng)低能量紅外光的輻射對分子進(jìn)行照射，則分子能夠吸收相應(yīng)于相鄰轉(zhuǎn)動能級之差的遠(yuǎn)紅外輻射能量，由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，通常我們將這一現(xiàn)象稱為能級躍遷。
3.3 光譜吸收定律
當(dāng)光源以平行光的形式通過待測氣 體時,如果光源的光譜覆蓋 1個或多個氣體的吸
收譜,那么部分光將被吸收，光通過氣體時將會發(fā)生強(qiáng)度衰減。未衰減的光將按原路徑繼
續(xù)傳播。根據(jù)朗伯比爾定律定律,出 射發(fā)光強(qiáng)度 I 與入射發(fā)光強(qiáng)度 I0 和氣體的體積分
數(shù) 之間的關(guān)系為
（3-3）
是氣體吸收系數(shù),即氣體在頻率 v 處 的吸收線型; L 測量氣體作用在傳感器的長度單位為m; c 為氣體的濃 度，通過計算，上式可變形為：
（3-3.1）
通過上述公式我們可以知道，當(dāng)氣體的吸收系數(shù)和作用長度已知，氣體的濃度可以通過投射光和入射光強(qiáng)來求出。
圖3.3吸收型傳感器原理
3.4氣體分子的吸收線
氣體分子吸收線寬與以下因素相關(guān):
1.氣體分子自然的線寬;
2.通過氣體分子自由運動所引發(fā)多普勒的效應(yīng)，繼而將分子的吸收光譜加寬;
3.分子自由碰撞的展寬。通常情況下，氣體分子自然線寬會因為激發(fā)態(tài)的分子自然壽命、躍遷時間受到影響，而寬度微小，通常可以忽略。
圖3-4氣體分子的典型吸收線
圖3-4中     表示波長的吸收系數(shù)；表示對應(yīng)的吸收峰；表示帶阻尼的電偶極振子的衰減速率。由上圖可知影響氣體的吸收線寬的因素不僅包括壓力因素還包括溫度因素。但只考慮到碰撞展寬時，溫度因素對大局無影響可忽略。因此我們可以從上圖中得出結(jié)論：當(dāng)外界壓力保持恒定時，待測氣體的譜線形狀和寬度可在理論認(rèn)為其是保持穩(wěn)定不變的。
3.5 光纖氣體傳感器耦合
3.5.1光源與探測器的耦合
理論上，光源發(fā)射光功率從多地匯入到傳輸?shù)墓饫w，屬于光纖和光源耦合的問題。通常情況下，采取藕合效率對耦合程度進(jìn)行表示，公式表示如下；
(3.5)
表示為耦合輸出功率，表示為光源總功率
3.5.2 氣室的耦合
在氣體傳感器中存在一個敏感元件為氣室。穩(wěn)定的氣室能幫我們只需簡單的更換光源就可以完成對不同氣體的濃度檢測。氣室組成部分包含輸出與輸入兩組透鏡。光纖射出光經(jīng)輸入透鏡變成平行光，經(jīng)氣室耦合至輸出的透鏡，下面給出了三類氣室設(shè)計的模型圖。
圖3-5氣室設(shè)計圖
上面三組設(shè)計圖分別是(a)投射式氣室；（b）反射式氣室；（c）漸變折射式氣室。
3.6本章小結(jié)
本章主要介紹了氣體傳感器的特性概述，首先簡單介紹了氣體分子光譜理論，然后粗略的介紹了光譜吸收定律和氣體分子的吸收線，最后描述了一下氣體傳感器耦合問題為下一章節(jié)介紹總體設(shè)計做好鋪墊。
4. 系統(tǒng)總體設(shè)計
4.1引言
在光纖氣體傳感系統(tǒng)當(dāng)中，總是會存在很多影響測試結(jié)果的不利因素，比如光源光功
率的波動、氣室對光路的干擾、PIN管的噪聲等等，我們可以通過利用差分吸收檢測方法
和波長調(diào)制諧波檢測方法來減弱不利因素對結(jié)果的影響來保證測試的準(zhǔn)確性
4.2諧波檢測原理
當(dāng)電路上施加了正弦波的電壓時，所通過的電流將會變成非正弦波形式，非正弦波電流在電網(wǎng)阻抗上將會產(chǎn)生壓降，使得電壓波形也變?yōu)榉钦也ㄐ问健７钦也煞纸鉃楦道锶~級數(shù)，頻率與工頻相同的分量稱為基波，頻率大于基波的分量稱為諧波;如變頻器、電磁爐、電動機(jī)、整流器、電子用品等都會產(chǎn)生諧波。諧波檢測方法最開始提出來的時候是作為一種檢測微弱信號的方法。在電子光譜，聲光光譜以及Zeeman及Stark光譜的研究中均有涉及。諧波檢測的基本原理是把一個高頻調(diào)制過的信號(依賴于某頻率)，使其“檢索”待測的特征信號[ix]。之后在信號處理過程中，通過調(diào)制頻率或調(diào)制頻率的倍頻以此依據(jù)來作為參考信號，用鎖相放大器記錄下所有已得到的特征信息，這里得到的特征信息便是由調(diào)制信號產(chǎn)生的諧波信息。如果調(diào)制出來的諧波信號不滿足規(guī)律的數(shù)學(xué)關(guān)系比例就會導(dǎo)致出現(xiàn)極大的偏差。雖然存在一定的弊端，但是諧波檢測技術(shù)仍適用于上述各種光譜的微弱信號檢測。
圖4-2諧波檢測原理圖
在圖4-2 (a)中，發(fā)射器的波長被正弦信號的調(diào)制，輸出的光信號是含有一次和二次諧波的強(qiáng)度信號。如圖4-2（b）所示通過把發(fā)射器固定在光譜氣體吸收峰上，或者讓照射光掃過氣體的吸收譜，最后用鎖相放大器檢測二次諧波的最大值，就可測量氣體的濃度。
4.3差分吸收原理
由Lambert －Beer定律我們可知：
（式4-3）
在4-3式中，和分別是初始和入射光強(qiáng); 是某波長下的單位濃度、單
位長度介質(zhì)的吸收系數(shù); 是米氏散射系數(shù); 是瑞利散射系數(shù)；是表征氣
體密度波動造成的吸收和散射總的變化量;0是待測氣體與光相互作用的長度;c是
待測氣體的濃度。
如圖4-3所示寬帶光源LED的譜寬比氣體吸收線寬大的多，使用不
同中心波長的干涉光柵濾光片就可以提取需要的波長和。為測量氣體的吸收譜線
中心波長，為偏離吸收譜線某一氣體的波長的吸收谷，通過上圖結(jié)構(gòu)我們可以依次
實現(xiàn)差分吸收法。
4.4系統(tǒng)理論設(shè)計
圖4-4為本文設(shè)計的光纖氣體傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，光源LED與傳輸光纖藕合進(jìn)入氣室，再由氣室由藕合器通過光纖到達(dá)法布里-珀羅干涉腔。頻率調(diào)節(jié)后進(jìn)入光檢測器PIN由光信號轉(zhuǎn)化為電信號。經(jīng)電壓調(diào)制方式，繼而調(diào)控布里-珀羅干涉腔長，繼而有效控制光波長。經(jīng)由電腦模擬軟件處理后，就可以檢測出待測氣體的濃度。
圖4-4光纖傳感器系統(tǒng)

氣體傳感器的組成：電化學(xué)型氣體傳感器

電化學(xué)型氣體傳感器，通過與被測氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號來測量的傳感器。典型結(jié)構(gòu)由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個薄電解質(zhì)層隔開。氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應(yīng)，然后是憎水屏障，最終到達(dá)電極表面。允許適量氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，以形成充分的電信號，同時防止電解質(zhì)漏出傳感器。穿過屏障擴(kuò)散的氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，傳感電極可采用氧化機(jī)理或還原機(jī)理。這些反應(yīng)由針對被測氣體而設(shè)計的電極材料進(jìn)行催化。通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在正極與負(fù)極間流動。測量電流即可確定氣體濃度。
[1]

氣體傳感器的組成：電化學(xué)氣體傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理

為了進(jìn)行具體的測量，首先要考慮傳感器的原理，它需要分析各種因素才能確定。因為即使測量相同的物理量，也有各種各樣的傳感器原理可供選擇，哪一種原理更適合于國產(chǎn)或進(jìn)口，價格是負(fù)擔(dān)得起的，還是自行開發(fā)的。在考慮了上述問題后，我們可以確定選擇哪種類型的傳感器，然后考慮傳感器的具體性能。
電化學(xué)氣體傳感器主要利用兩個電極之間的化學(xué)電位差，一種是測量氣體中的氣體濃度，另一種是固定的參比電極。電化學(xué)傳感器由恒電位電解和加瓦尼電池組成。液體電解質(zhì)分為液體電解質(zhì)和固體電解質(zhì)，液體電解質(zhì)分為電位型和電流型。電勢類型由電極電位與氣體濃度的關(guān)系來測量。電流模式采用極限電流原理，利用氣體通過薄層、可滲透膜或毛細(xì)管的擴(kuò)散作為限制措施，獲得穩(wěn)定的傳質(zhì)條件，產(chǎn)生與氣體濃度或分壓成正比的極限擴(kuò)散電流。
電化學(xué)傳感器有兩個電極和三個電極，主要區(qū)別在于是否有參考電極。該雙電極CO傳感器無參比電極，結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計和制造，適用于低濃度CO的檢測和報警。在三電極CO傳感器中引入?yún)⒈入姌O，使傳感器具有范圍大、精度高的特點。然而，參比電極的引入增加了制造工藝和材料成本，因此三電極CO傳感器的價格高于雙電極CO傳感器。主要用于工業(yè)領(lǐng)域。該雙電極電化學(xué)CO傳感器主要由電極、電解液保持材料、氣體干擾過濾材料、引腳等組成。
電化學(xué)氣體傳感器是一種化學(xué)傳感器，一般分為：a.當(dāng)電極與電解質(zhì)溶液的界面為恒電位時，氣體直接氧化或還原，通過外部電路的電流作為傳感器的輸出;b.氣體的離子相互作用溶解在電解質(zhì)溶液中并用離子電極電離的物質(zhì)，產(chǎn)生電能。動能被用作傳感器的輸出。c.產(chǎn)生氣體和電解質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的電解電流作為傳感器的輸出。D.不使用電解質(zhì)溶液，并使用有機(jī)電解質(zhì)、有機(jī)凝膠電解質(zhì)、固體電解質(zhì)、固體聚合物電解質(zhì)和其他材料制造傳感器。
表1各種電化學(xué)氣體傳感器的比較
表1匯總了各種電化學(xué)氣體傳感器的類型、材料和特性。
恒電位電解氣體傳感器的原理是使電極與電解液之間的界面保持一定的電解電位。通過改變其設(shè)定電位，可以選擇性地氧化或還原氣體。因此，可以定量地檢測到各種氣體。對于特定的氣體，設(shè)定電位由其固有的氧化還原電位決定，但它隨電極材料和電解質(zhì)類型的不同而變化。電解電流與氣體濃度的關(guān)系式如下：
I=(Nfadc)/σ
公式：I電解電流;n-1
mol氣體產(chǎn)生的電子數(shù);法拉第常數(shù);A-氣體擴(kuò)散面積;D-擴(kuò)散系數(shù);電解氣體在C-電解質(zhì)溶液中的濃度;σ-擴(kuò)散層厚度。
在統(tǒng)一傳感器中，n，f，A，D和σ是確定的，電解電流與氣體濃度成正比。
自20世紀(jì)50年代CIDK電極問世以來，具有可控電位的電化學(xué)氣體傳感器的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用得到了很大的發(fā)展。在1970年代初，市場上有31個探測器。目前已有CO、NxOY(氮氧化物)、H2
S檢測儀器等產(chǎn)品.這些氣體傳感器的靈敏度是不同的。一般情況下，H2S>NO>NOB>Sq>CO的響應(yīng)時間一般在幾秒到幾十秒之間，大部分小于1分鐘，壽命相差很大，只有半年時間，一些CO監(jiān)測儀的實際壽命接近10年。影響這種傳感器壽命的主要因素是電極浸水、電解液干涸、電極催化劑的晶體生長、催化劑中毒以及傳感器的應(yīng)用。
以CO氣體監(jiān)測為例，闡述了傳感器隔膜工作電極的結(jié)構(gòu)和工作原理。在容器的相對兩面壁上設(shè)置有作用電極H’和對比電極，內(nèi)壁填充電解質(zhì)溶液形成密封結(jié)構(gòu)。瓦扎瓦場是由3g極對沖和安基極恒電位差組成的恒壓電路。此時，作用電極和對比電極之間的電流為i。恒電位電解氣體傳感器的基本結(jié)構(gòu)可以根據(jù)電流值確定CO氣體的濃度。該傳感器可用于檢測各種易燃?xì)怏w和有毒氣體，如硫化氫、NO、NOB、SQ、HCl、Cl2、PH3等，還可檢測血液中的氧濃度。
離子電極氣敏傳感器的工作原理是將氣態(tài)物質(zhì)溶解在電解質(zhì)溶液中并解離，由解離產(chǎn)生的離子作用于離子電極上產(chǎn)生電動勢，電動勢被取出來表示氣體的濃度。該傳感器由一個工作電極、一個對比電極、一個內(nèi)部溶液和一個膜片組成。
以NH3傳感器的檢測為例，說明了這種氣體傳感器的工作原理。作用電極是測定pH值的玻璃電極，參比電極是A8從電極，內(nèi)液是NIkCE溶液。NEACt解離，銨離子NH4+的產(chǎn)生，水的弱解離，氫離子H+的形成，NH4+和H+保持平衡。當(dāng)傳感器侵入NH3時，NH3通過膜片內(nèi)部滲透，NH3增加，H+降低，即pH值增大。通過玻璃電極檢測PH值的變化，可以測定NH3的濃度。除NH3外，該傳感器還能檢測到HCN(氰化氫)、H2S、Sq、CO2等氣體。
離子電極氣體傳感器的出現(xiàn)較早。電化學(xué)氣體傳感器通過檢測離子極化電流來檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)，主要具有較高的靈敏度和良好的選擇性。
電氣體傳感器的原理是被測氣體與電解質(zhì)溶液反應(yīng)，產(chǎn)生電解電流，作為傳感器的輸出，檢測氣體濃度。它的電極和對比電極都是鉑電極。
以C12的測量為例，說明了這種傳感器的工作原理。溴酸鹽MBR(M是一種單價金屬)水溶液位于兩個鉑電極之間，其解離與水分解成H+成正比。當(dāng)在兩個鉑電極之間加入適當(dāng)?shù)碾妷簳r，電流開始流動，H~(2+)反應(yīng)產(chǎn)生H_2。電極之間發(fā)生極化，并發(fā)生反應(yīng)。結(jié)果，電極部分的H2被去極化，產(chǎn)生電流。電流與H2濃度成正比，因此電流的檢測可以檢測到Cl2的濃度。除Cl2外，這種傳感器還能檢測NH2、H2S等氣體。
電化學(xué)氣體傳感器可分為四種類型：一次電池型、可控電位電解型、電量型和離子電極型。一次電池氣體傳感器通過檢測電流來檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)，幾乎所有用于檢測低氧的儀器都配備了該傳感器。可控電解傳感器通過檢測電解過程中的電流流動來檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)。與原來的電池不同，它需要外界施加的特定電壓，除了檢測CO、NO、NO2、O2、SO2等氣體外。它還能檢測血液中的氧氣體積分?jǐn)?shù)。所述氣體傳感器通過被測氣體與電解質(zhì)之間的反應(yīng)所產(chǎn)生的電流來檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)。離子電極氣體傳感器的出現(xiàn)較早，通過檢測離子極化電流來檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)。電化學(xué)氣體傳感器的主要優(yōu)點是具有較高的靈敏度和選擇性。
綜上所述，不同類型的氣體傳感器適用于不同的氣體檢測和控制需求。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，特別是綠色環(huán)保理念的不斷強(qiáng)化，氣體傳感器技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用將具有十分廣闊的前景。雙電極電化學(xué)CO傳感器是近年來的研究熱點.它屬于世界先進(jìn)的傳感器技術(shù)。通過實驗研究，將其應(yīng)用于電極、過濾層、電解液等材料的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計。研制出具有實際意義的新型CO傳感器，將在CO氣體檢測領(lǐng)域發(fā)揮積極作用。