传感器与检测技术第6章 气敏传感器

3）加热特性 ➢ SnO2气敏传感器要在加热状态下工作，加热温
度直接影响元件性能。 ➢ 因此可选择元件的工作条件，使其工作于最佳wenku.baidu.com
加热电压下。
4）温湿度特性。 ➢ SnO2气敏传感器易受环境温湿度影响，应用中
要加温湿度补偿措施。
（3）半导体气敏传感器的特点
➢ 优点：制造简单，使用方便，价格低廉， 对气体浓度变化的响应时间短，即使在 低浓度（10-6级）情况下，灵敏度也很高。
6.2.2 半导体式气敏传感器
➢ 原理：利用半导体气敏元件同气体接触，造成 半导体的性质发生变化，借此检测特定气体的 的成分或测量其浓度。
➢ 利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致 敏感元件阻值发生变化而制成的。
➢ 气敏电阻器的阻值将随吸附气体的数量和种类 而变化。
➢ 氧化性气体：吸附到N型半导体上，
➢ 色谱分析仪器（如气相色谱仪、液相色谱仪等）；
➢ 电子光学式和离子光学式分析仪器（如电子探针、质谱仪、 离子探针等）；
➢ 物性测量仪器（如水分计、粘度汁、湿度计、密度计、酸 度计、电导率测量仪以及石油产品的闪点、倾点、辛烷值 测定仪等）。
➢ 过程分析仪表的特点是专用性强，适用范围有限。
➢ 主要技术特性有精度、灵敏度和响应时间。
➢ 缺点：稳定性差，容易老化，各器件之 间的差异大等。
2. 半导体气敏传感器结构
5
3
4
8
6
3 2 1
5 AA 7
9
稳压电源 3
6
BB
（a）气敏烧结体 （b）结构
（c）符号
图6-2 气敏传感器结构
1－端子；2－塑料底座；3－烧结体；4－不锈钢网；5－加热电极；
将使载流子
R
➢ 还原性气体：吸附到N型半导体上，
将使载流子
R
➢ 半导体气敏元件都附有加热器，一般加 热到200℃～400℃，加热器使用时可以 使附在探测部分处的油雾、尘埃烧掉， 同时加速气体的吸附，从而提高器件的 灵敏度和响应速度。
1. 半导体气敏机理和主要特性
➢ 半导体气敏传感器按其工作原理可分为电阻型 和非电阻型。
➢ 精度：是指检测后所得结果相对于实际值的准确度。 精度是评价仪表静态性能的综合性指标。一般分析仪 表精度为±（1～2.5）％，微量分析的分析仪精度为 ±（2～5）％。
➢ 灵敏度：是指仪表输出信号变化与被测组分浓度变化 之比。被测组分浓度有微小变化时，仪表就有较大的 输出变化。
➢ 响应时间：是表达被测组分的浓度发生变化后，仪表 输出信号跟随变化的快慢，一般从样品含量发生变化 开始，到仪表响应达到最大指示值的90％时所需的时 间即为响应时间。分析仪表的响应时间愈短愈好。
➢ 电阻型又可分为表面控制型和体控制型； ➢ 非电阻型又可分为二极管型、PET型和电容型 。 ➢ （1）半导体气敏传感器工作机理
（2）半导体气敏传感器主要特性
1）灵敏度。 ➢ 气体传感器在最佳工作条件下，接触同一种气
体，其电阻值RS随气体浓度变化的特性称之为 灵敏度，用k表示
➢ k＝RS／R0
➢ 式中：R0为气体传感器在正常空气条件下（洁净空气）的阻值； RS 为气体传感器在一定浓度检测气体中的阻值。
➢ 主要特征如表6-1所示。
➢ 从结构上区别可以分为两大类，即干式与湿式 气体传感器。
➢ 凡构成气体传感器的材料为固体者均称为干式 气体传感器；
➢ 凡利用水溶液或电解液感知待测气体的称为湿 式气体传感器。
3. 气敏传感器的性能要求
➢ ·准确检测出被测气体的浓度； ➢ ·对其它共有物质所受的影响小； ➢ ·能长期稳定工作，工作的重复性好； ➢ ·响应速度要快； ➢ ·维修方便。
➢ 过程分析仪表按测量原理来分类共有八种： ➢ 电化学式分析仪器（如电导式、电量式、电位式等）； ➢ 热学式分析仪器（如热导式、热化学式、热谱式等）； ➢ 磁式分析仪器（如磁性氧分析器、核磁共振波谱仪等）；
➢ 光学式分析仪器（如吸收式光学分析仪、发射式光学分析 仪等）；
➢ 射线式分析仪器（如X射线分析仪、Y射线分析仪、同位素 分析仪等）；
➢ 1. 气体成分的主要检测方法 ➢ ①利用半导体气体器件检测的电气法； ➢ ②使用电极和电解液对气体进行检测的电化学
法； ➢ ③利用气体对光的折射或光的吸收等特性来检
测气体的光学法。
2. 气敏传感器的类型
➢ 依据上述检测方法制成的气敏传感器有: 半导体式 接触燃烧式 化学反应式 光干涉式 热传导方式 红外吸收散射。
6.2 气体成分分析技术
➢ 6.2.1 气敏传感器概述 ➢ 6.2.2 半导体式气敏传感器 ➢ 6.2.3 接触燃烧式气体传感器 ➢ 6.2.4 常用气体分析仪介绍 ➢ 6.2.5 气体分析仪的选择 ➢ 6.2.6 使用气体分析仪时需要注意的问
题
6.2.1 气敏传感器概述
➢ 它们利用气敏传感器中的气敏元件把混合气体 中的特定成分检测出来，并将它转换成电信号， 向分析仪表提供有关待测气体是否存在及其浓 度大小的信息，供自动检测、控制和报警系统 使用。
6.1.2 过程分析仪表的组成
➢ 1．取样及预处理系统 采样及预处理系统是确保分析仪表正常工作的关键部分。
➢ 任务：从被测对象中取出具有代表性的样品并做必要的预 处理。
➢ 取样位置选择很重要。 ➢ 取样装置应包括取样探头及包括其他一些与探头有关的部
件，如冷却与冷凝收集器、抽吸器及取样泵等。 ➢ 取样有正压取样和负压取样，对负压取样时，应用抽吸泵。
2．检测器 ➢ 检测器（又称传感器）是分析仪前的主要部分
➢ 它的任务是把被分析物质的成分含量或物理性质 转换为电信号。
➢ 分析仪器技术性能主要取决于检测器。
3．信息处理系统 作用：对检测器输出的微弱电信号做进一步处理
4．显示装置 5．整机自动控制系统
主要任务：控制各部分自动而协调的工作。
6.1.3 过程分析仪表的主要技术特性
2）初期稳定性
➢ 初期稳定时间:气体传感器经一定时间不通电放置后， 再通电工作，其阻值达到稳定时所需的时间。
1 2
5
3
100
电阻元件（kΩ）
4 50
5 10 s 2min
4min
热丝合闸
大气中
被测气体中
时间
图6-1 N型半导体吸附气体时器件阻值的变化 1-元件加热时间；2－初始稳定状态；3－气敏响应时间； 4－还原性气体时元件阻值的变化；5－氧化性气体时元件阻值的变化