气体传感器 讲解概要
《气体传感器简介》课件
3
应用扩展
气体传感器的应用领域将继续扩展，包括环境监测、工业控制等。
气体传感器的原理
1 热导法传感器
通过测量气体导热性的变化来检测气体的存在和浓度。
2 电化学传感器
使用电化学反应来测量气体浓度，常用于汽车尾气传感器等应用。
3 红外线吸收传感器
利用气体对特定波长的红外线的吸收程度来检测气体的存在和浓度。
气体传感器的应用
汽车尾气传感器
用于监测和控制汽车尾气中的有害气体排放，以保护环境和人类健康。
《气体传感器简介》PPT 课件
欢迎来到《气体传感器简介》的课件！在这个课程中，我们将介绍气体传感 器的定义、原理、应用、性能参数、优劣势以及发展前景。
什么是气体传感器
定义
气体传感器是一种能够检测和测量环境中气体浓度的设备，用于监测和控制气体的存在和浓 度。
种类
气体传感器有许多不同的种类，包括热导法传感器、电化学传感器和红外线吸收传感器。
3 响应时间
指传感器从检测到气体存 在到产生反应的时间，响 应时间越短越好。
气体传感器的优劣势
优势
高灵敏度、实时监测、易于集成、可靠性高。
劣势
受环境影响、有一定的误差、成本较高。
气体传感器的术，实现气体传感器的智能监测和远程控制。
2
新型气体传感器的研究
不断研发新的气体传感器，提高传感器的性能和应用范围。
家庭燃气泄露传感器
用于检测家庭燃气泄露，及时发现并避免发生火灾和爆炸事故。
空气质量监测传感器
用于测量和监测空气中的有害气体浓度，帮助改善城市空气质量。
气体传感器的性能参数
1 灵敏度
2 工作温度范围
指传感器对气体浓度变化 的敏感程度，越高表示越 容易检测到低浓度的气体。
气体传感器工作原理
气体传感器工作原理气体传感器是一种常见的用于检测和测量环境中气体浓度的设备。
它是根据气体分子在其内部发生的化学反应进行工作的。
本文将介绍气体传感器的工作原理和一些常见的气体传感器类型。
一、工作原理气体传感器的工作原理主要基于化学反应。
当目标气体分子进入传感器内部，它们与传感器的工作电极表面或传感材料发生化学反应。
这个化学反应通常会引起电子转移或离子的生成，从而导致传感器输出信号的变化。
气体传感器通常由以下几个主要部件组成：1. 传感材料：传感材料是气体传感器的核心部件，它对目标气体有高度的选择性和敏感性。
常见的传感材料包括金属氧化物、半导体和电解质。
传感材料会与目标气体分子发生化学反应，并引起电子或离子的转移。
2. 工作电极：工作电极是传感器中的关键部件，它与传感材料接触并用于检测化学反应引起的电子转移。
工作电极通常由高导电性的材料制成，例如铂或金属氧化物。
3. 辅助电路：为了测量传感器输出信号的变化，需要使用辅助电路。
这些电路包括放大器、滤波器和模数转换器等，用于将传感器生成的电信号转换为数字信号，并进行处理和分析。
二、常见的气体传感器类型1. 氧气传感器：氧气传感器广泛应用于医疗、工业和环境监测等领域。
它们通常采用金属氧化物作为传感材料，当氧气分子进入传感器时，它们与传感材料表面发生化学反应，从而改变传感器输出的电信号。
2. 一氧化碳传感器：一氧化碳传感器主要用于检测室内和汽车尾气等环境中的一氧化碳浓度。
这些传感器通常采用金属氧化物或半导体作为传感材料，当一氧化碳分子进入传感器时，它们与传感材料发生化学反应，改变传感器电信号的特性。
3. 氨气传感器：氨气传感器广泛应用于农业和工业领域，用于测量氨气浓度。
它们通常采用电解质作为传感材料，当氨气分子进入传感器时，它们与电解质发生反应，改变传感器输出的电信号。
4. 硫化氢传感器：硫化氢传感器常用于工业环境中的气体检测，例如石油和天然气行业。
这些传感器通常采用金属氧化物作为传感材料，当硫化氢分子进入传感器时，它们与传感材料发生化学反应，导致传感器输出信号的变化。
气体传感器的原理和应用
气体传感器的原理和应用气体传感器是现代生活中不可或缺的一部分。
它们广泛应用于医疗、工业、环境监测等领域。
本文将介绍气体传感器的原理和应用，并重点探讨传感器在气体检测中的应用。
一、气体传感器的原理气体传感器是通过检测气体在传感器表面的作用或改变而工作的。
它们一般分为两种类型：化学传感器和物理传感器。
1. 化学传感器化学传感器是工作原理基于气体分子与传感器反应的一种传感器。
当化学传感器暴露在检测气体中时，一些活性反应会导致感受器物质化学与电学特性的变化。
例如，许多化学传感器使用导电聚合物的表面来检测特定气体。
当污染物进入传感器内部时，它们会与聚合物上的电子发生反应，导致传感器的电阻值发生变化。
化学传感器通常需要在检测气体之前与气体相互作用，涉及氧化、还原、吸附等反应，因此它们的灵敏度和特异性通常更高，而且可以检测到不同的类别和浓度的气体。
2. 物理传感器物理传感器是工作原理基于传感器物理特性或气体分子的运动而实现的一种传感器。
当气体通过传感器时，显式的物理效应就会发生，例如温度、湿度、光敏电阻甚至声波的改变。
对于目标气体，这些特性都是有效的。
如硫化氢，二氧化硫，油烟等较长时间暴露在传感器上可以导致传感器故障或失灵。
物理传感器通常需要消除噪声和环境干扰的干扰，因此对传感器设计的要求更高。
此外，物理传感器的响应速度通常较快。
二、气体传感器的应用气体传感器的应用覆盖了从环境监测到医疗、航空、汽车、电子和制造等各行各业。
以下是几个主要应用领域。
1. 医疗领域气体传感器在医疗领域应用广泛，例如用来检测人体呼出的气体。
通过分析呼出气体中的成分，人体的健康状况得到更加精确的反映，以便进行更加个性化、有效的治疗方案。
2. 环境监测气体传感器在工厂、食品生产、医院等领域中用于检测气体污染，以确保环境中的气体安全。
有些传感器还可以检测空气质量和气体浓度。
3. 航空和汽车领域气体传感器可用于检测飞机和汽车的废气排放，以确保其遵守排放标准。
几种气体传感器的介绍
常见类型与用途
声表面波气体传感器有多种类型，如金属氧化物半导体型 、高分子材料型等。其中，金属氧化物半导体型传感器应 用最为广泛，主要用于检测可燃性气体、有毒有害气体等 。
声表面波气体传感器具有灵敏度高、响应速度快、稳定性 好等优点，因此在工业自动化、环境监测、安全防护等领 域得到广泛应用。
优点与局限性
热线型传感器利用加热的金属丝检测气体热导率的变化；薄膜型传感器则使用薄膜 材料作为热敏元件；干涉型传感器利用光干涉原理测量温度变化。
热导率气体传感器广泛应用于工业过程控制、环境监测、安全检测等领域，用于检 测各种有毒有害气体、可燃气体以及氧气等。
优点与局限性
热导率气体传感器具有结构简单、稳定性好、寿命长等优点，同时对某些特定气体的检测具有较高的 灵敏度和选择性。
局限性
光学气体传感器容易受到光学元件污染、光源老化等因素的影响，需要定期维护 和校准。此外，光学气体传感器的成本较高，限制了其在某些领域的应用。
04
金属氧化物半导体气体传感器
工作原理
金属氧化物半导体气体传感器利用金 属氧化物作为敏感材料，通过气体与 敏感材料发生反应，导致材料电阻发 生变化，从而检测气体浓度。
化来检测气体的浓度。
传感器通常包含光源、光检测器 和光学元件，通过测量气体对光 的吸收或散射程度，可以确定气
体的浓度。
不同的气体对光的吸收或散射程 度不同，因此传感器具有选择性 ，能够针对特定气体进行检测。
常见类型与用途
红外线气体传感器
利用红外线对不同气体的吸收特性，常用于检测 二氧化碳、甲烷等气体。
当待测气体吸附在敏感材料表面时， 敏感材料的电子结构和电阻率发生变 化，导致电阻值变化，通过测量电阻 值的变化即可推算出气体的浓度。
气体传感器原理
气体传感器原理气体传感器是一种用于检测和测量环境中气体浓度的设备。
它广泛应用于工业生产、环境监测、生命科学等领域。
本文将介绍气体传感器的工作原理以及常见的气体传感技术。
一、气体传感器工作原理气体传感器的基本工作原理是通过感知环境中气体浓度的变化，并将其转化为电信号进行测量和分析。
1. 变化感知气体传感器通常使用特定的材料或化学物质，这些材料与目标气体发生化学反应或吸附。
当目标气体浓度发生变化时，传感器材料的性质也会发生变化。
例如，对于氧气传感器，它使用了氧离子导体，当氧气浓度增加时，氧离子浓度也会增加，导致电阻值发生变化。
2. 信号转化气体传感器将感知到的变化信号转化为电信号。
根据不同的传感技术，信号转化的方式也各不相同。
常见的信号转化方式包括电容变化、电阻变化、电荷转移和化学反应等。
3. 信号测量转化后的电信号可以由电路进行测量和分析。
通过将电阻、电容等物理量与气体浓度相关联，可以得到准确的浓度测量结果。
通常，在气体传感器中还会加入温度和湿度的补偿电路，以确保测量结果的准确性。
二、常见的气体传感技术1. 热导型传感器热导型传感器利用气体导热性的差异来测量气体浓度。
它包含一个加热元件和几个温度传感器。
当气体进入传感器时，不同气体的导热性会导致温度传感器的输出信号发生变化，通过测量温度差异可以确定气体浓度。
2. 电化学传感器电化学传感器基于气体与电极表面发生化学反应的原理。
它通常包含一个工作电极、一个参比电极和一个计数电极。
当特定气体与工作电极发生反应时，会产生电流或电压变化，通过测量这些变化可以确定气体浓度。
3. 光学传感器光学传感器利用特定波长的光与气体发生吸收或散射的原理来测量气体浓度。
传感器通过发射特定波长的光源并测量光的强度变化，通过比较原始光信号和经过气体吸收或散射后的光信号，可以得出气体浓度的结果。
4. 表面声波传感器表面声波传感器利用声波在材料表面的传播速度和衰减程度与气体浓度的关系来测量气体浓度。
气体传感器的应用以及原理
气体传感器的应用以及原理气体传感器的概述气体传感器是一种能够检测气体浓度、组分和其它相关性质的装置。
它们被广泛应用于环境监测、工业安全、医疗诊断、汽车智能系统等领域。
气体传感器可以对气体的特定特性进行检测，并将检测结果转化为电信号输出，从而方便我们实时监测和控制气体的质量和浓度。
气体传感器原理气体传感器的工作原理通常基于吸附、电化学、半导体、光学等不同的物理和化学原理。
吸附型传感器吸附型传感器通过气体与传感器表面发生吸附作用来测量气体浓度。
传感器表面通常涂覆有特定的吸附剂，当所测气体接触到传感器表面时，气体会吸附在吸附剂上，并导致传感器电阻或电容的变化。
这种变化可以通过电路测量并转化为相应的电信号。
电化学型传感器电化学型传感器通过气体与电化学反应产生的电流或电势差来测量气体浓度。
传感器通常包含两个电极，一个工作电极和一个参考电极。
当气体进入传感器并与工作电极上的反应物发生反应时，会产生电流或电势差。
这个电流或电势差的大小与气体浓度成正比。
半导体型传感器半导体型传感器基于气体与半导体表面反应的性质来测量气体浓度。
传感器通常使用半导体材料作为传感器元件，当气体与半导体表面相互作用时，会改变半导体的导电性能。
通过测量半导体的电阻、电容或电势差的变化，可以确定气体浓度。
光学型传感器光学型传感器利用气体分子对特定波长的光的吸收或散射来测量气体浓度。
通常传感器会发射特定波长的光，并通过检测被气体吸收或散射后的光的强度变化来推导气体浓度。
气体传感器的应用环境监测气体传感器在环境监测中起到了至关重要的作用。
例如，二氧化碳传感器可以用于室内空气质量监测，甲醛传感器可以用于室内甲醛浓度的监测，臭氧传感器可以用于大气中臭氧的监测等。
这些传感器能够及时检测空气中的有害气体浓度，帮助我们了解环境的安全性。
工业安全工业领域中的工人需要经常接触各种有害气体，因此气体传感器用于工业安全监测有着重要的作用。
例如，瓦斯传感器用于检测煤矿、油井等地方的可燃气体浓度，一氧化碳传感器用于监测车间中一氧化碳的浓度等。
气体传感器
5
（2）气敏元件的灵敏度sensitivity ）气敏元件的灵敏度sensitivity 表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。 表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它 表示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻 表示气体敏感元件的电参量（ 值）与被测气体浓度之间的依从关系。 与被测气体浓度之间的依从关系。
6
（3）气敏元件的分辨率 ） 表示气敏元件对被测气体的识别（选择） 表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干 扰气体的抑制能力。 扰气体的抑制能力。
（4）气敏元件的响应时间 ） 表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速 表示在工作温度下， 度。
7
（5）气敏元件的恢复时间 ） 表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度 表示在工作温度下 被测气体由该元件上解吸的速度, 被测气体由该元件上解吸的速度 一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢 一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时 直到其阻值恢 复到在洁净空气中阻值的63％时所需时间。 复到在洁净空气中阻值的 ％时所需时间。
8
（6）初期稳定时间 ）
长期在非工作状态下存放的气敏元件, 长期在非工作状态下存放的气敏元件,因表面吸附空 气中的水分或者其他气体,导致其表面状态的变化，在加 气中的水分或者其他气体,导致其表面状态的变化， 上电负荷后,随着元件温度的升高,发生解吸现象。因此, 上电负荷后,随着元件温度的升高,发生解吸现象。因此, 使气敏元件恢复正常工作状态,需要一定的时间, 使气敏元件恢复正常工作状态,需要一定的时间,称为气 敏元件的初期稳定时间。 敏元件的初期稳定时间。
气体传感器
Gas sensor
气体传感器外形
1 .概述 概述(summary) 概述 气体传感器是将被测气体浓度转换为与其一定关系 的电量输出的装置或器件。 的电量输出的装置或器件。 气体传感器是用来检测气体类别、 浓度和成分的 气体传感器是用来检测气体类别 、 传感器。 传感器。 按构成气体传感器材料可分为半导体和非半导体 半导体气体传感器。 两大类。目前实际使用最多的是半导体气体传感器 两大类。目前实际使用最多的是半导体气体传感器。
《气体传感器简介》课件
复合材料
通过组合不同材料的优点 ，实现气体传感器性能的 优化。
智能化与网络化的发展
智能化
通过集成微处理器和算法，实现气体 传感器的自动校准、数据分析和远程 控制等功能。
网络化
将气体传感器接入互联网，实现数据 的实时传输、远程监控和跨区域的数 据共享。
在环保监测领域的应用前景
大气污染监测
用于监测空气中的有害气 体和温室气体，为环境保 护提供数据支持。
详细描述
电化学气体传感器利用气体在电极表面发生的电化学反应来检测气体的浓度。这种传感器通常由至少两个电极组 成，其中一个电极是敏感电极，能够与被测气体发生反应，另一个电极作为参照电极。通过测量电化学反应产生 的电流或电压来计算气体的浓度。
光学气体传感器
总结词
基于不同气体对光的吸收或反射不同的原理进行检测。
详细描述
光学气体传感器利用不同气体对特定波长的光具有不同的吸收或反射特性，通过测量光通过气体时发 生的变化来检测气体的浓度。这种传感器通常由光源、光路和检测器组成，通过测量光强的变化来计 算气体的浓度。
固态电解质气体传感器
总结词
基于气体在固态电解质中的离子传导性 能不同的原理进行检测。
VS
详细描述
工作原理
电化学传感器
利用电化学反应检测气体，通 过测量电流或电压变化来推断
气体浓度。
半导体传感器
利用气敏材料的电阻变化来检 测气体，当气体与敏感材料接 触时，电阻发生变化，从而检 测气体浓度。
红外传感器
利用红外线吸收原理检测气体 ，通过测量气体对红外线的吸 收程度来推断气体浓度。
催化燃烧传感器
利用催化燃烧原理检测气体， 当气体与敏感材料接触时，发 生催化燃烧反应，从而检测气
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?
13.1.10
SnO2气敏元件的工作原理A
? 烧气结敏型元件Sn。O2制气作敏元元件件的是气表敏面材电料阻多控孔制质型 S出nO现2烧两结种体情。况在：晶一体是中产如生果氧氧空不位足，，另将一 种是产生锡间隙原子。但无论哪种情况， 在禁带靠近导带的地方形成施主能级。 这些施主能级上的电子，很容易激发到 导带而参与导电。
况如图10-17所示。
13.1.5影响 SnO2气敏效应的主要因素
? 1）SnO2结构组成对气敏效应的影响 SnO2具有金红石型晶体结构，用于制作气敏元件的 SnO2，一般都 是偏离化学计量比的，在 SnO2中有氧空位或锡间隙原子。这种 结构缺陷直接影响气敏器件特征。一般地说， SnO2中氧空位多， 气敏效应明显。
气敏传感器
?
13.1 概述
13.1.1
? 1.产生原因: ? 为了确保安全，需对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。目前
实用气体方法很多，其中接触燃烧法和用半导体气敏传感器检测法
。 具有使用方便、费用低等特点
? 2.发展过程: 半导体气敏元件是 60年代初期研制成功的，最先研制的是 SnO2薄膜元
稀土类
酒精系可燃性气体
过渡金属
还原性气体
250～300
Sb2O3,Bi2O3
高岭土（陶土）， Bi2O3 WO
还原性气体 碳氢系还原性气体
500～800 200～300
13.1.6 SnO2气敏元件的结构
SnO2气敏元件分类: 主要有三种类型： 烧结型、 薄膜型 厚薄型。 其中烧结型气敏元件是目前工艺最成熟，应用最广 泛的元件，这里仅对其结构加以介绍。
?
13.1.7烧结型SnO2气敏元件结构
? 烧 材结（型料粒Sn度O2在气敏1μ元m件以是下以）多，孔添陶加瓷不S同nO物2为质基， 采用传统制陶方法，进行烧结。
? 烧结时埋入测量电极和加热线 ，制成管芯， 最后将电极和加热丝引线焊在管座上 ,外加 二层不锈钢网而制成元件。
? 主要用于检测还原性气体、可燃性气体和 液体蒸气。工作时需加热到 300℃左右.
件。它是利用加热条件下 SnO2薄膜电阻随接触的可燃性气体浓度增 加而下降，实现对可燃性气体检测。 继而又发现在 SnO2 烧结体中添加 Pt或pd等贵重金属可提高灵敏度。 1968年诞生了商品半导体气敏元件，其后，其它材料的半导体气敏 元件也相继投放市场。 3. 常用的气敏元件: SnO2半导体气敏元件，目前以TGS型和QM-N5型气敏元件为主.
? （2）SnO2中添加物对气敏效应的影响 实验证明，SnO2中的添加物质，对其气敏效应有明显影响。 ? 表10-2列出了具有不同添加物质的SnO2气敏元件的气敏效应。 ? （3）烧结温度和加热温度对气敏效应的影响 实验证明， 制作元件的烧结温度和元件工作时的加热温度，对
其气敏性能有明显影响 。因此，利用元件这一特性可进行选择 检测。
?
?
13.1.2 SnO2半导体气敏元件特点
? （1）气敏元件阻值随气体浓度变化关系为指数变化关 系。因此，非常适用于微量低浓度气体的检测。
? （2）SnO2材料的物理、化学稳定性较好，与其它类型 气敏元件（如接触燃烧式气敏元件）相比， SnO2气敏元 件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。
? （3）SnO2气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、 脱附时间短，可连续长时间使用。
? 按其加热方式又可分为 直热式和旁热式两 种。
13.1.7（1）直热式SnO2气敏元件
? 直热式元件又称内热式，这种元件的结构示意图如图10-18 所示。
? 组成: 元它件们管都芯埋由在三Sn部O2分基组材成内：。SnO2基体材料、加热丝、测量丝， 工作时加热丝通电加热，测量丝用于测量元件的阻值。
? （4）元件结构简单，成本低，可靠性较高，机械性能 良好。
? （5）对气体检测不需要复杂的处理设备。可将待检测 气体浓度可通直接转变为电信号,信号处理电路简单。
?
13.1.3 SnO2的基本性质
? 1.SnO2 物理性质: ? SnO2 是一种白色粉末，密度
为 6.16-7.02g/cm3 ， 熔 点 为 1127℃，在更主温度下才能分 解，沸点高于 1900℃的金属气 化物。 SnO2不溶于水，能溶于 热强酸和碱。
13.1.8（1）直热式SnO2气敏元件特点
? 1.优点： ? 制作工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压下使
用、可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器。 ? 国内QN型和MQ型气敏元件. ? 2.缺点:
?
? 热容量小，易受环境气流的影响； ? 测量回路与加热回路间没有隔离，互相影响； ? 加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩，易造成接
?
13.1.6 表10-2 添加物对SnO2气敏效应的影响
添加物质
检测气体
使用温度（℃）
PdO,Pd Pd,Pt过渡金属
PdCI2SbCI3 Sb2O3,TiO2TIO3
V2O5，Cu
CO，C3H8 酒精 CO，C3H8
CH4，C3H8, CO
LPG，CO，城市煤气，酒精
酒精，丙酮
200～300 200～300 200～300 250～300 250～400
? 2.SnO2晶体结构: ? 是金红石型结构，具有正方晶
系对称，其晶胞为体心正交平 行六面体，体心和顶角由锡离 子占据。其晶胞结构如图 1016 所 示 ， 晶 格 常 数 为 a=0.475nm，c=0.319nm。
?13.1.4 SnO2的敏效应? 1.经实验发现，多晶SnO2 对多种气体具有气敏特性。 2.多孔型SnO2半导体材料， 其电导率随接触的气体种 类而变化。 一般吸附还原 性气体时电导率升高。而 吸附氧化性气体时其电导 率降低。 这种阻值变化情
触不良。
13.1.9（2）旁热式SnO2敏元件
? 这种元件的结构示意图如图10-19所示。 ? 其管芯增加了一个陶瓷管，在管内放进高阻加热丝，管外涂
梳状金电极作测量极，在金电极外涂SnO2材料。
13.1.9（2）旁热式SnO2敏元件特点
? 这种结构克服了直热式的缺点，其测量极与 加热丝分开，加热丝不与气敏元件接触，避 免了回路间的互相影响；元件热容易大，降 低了环境气氛对元件加热温度的影响，并保 持了材料结构的稳定性。