气体传感器综述.docx

光纤气体传感器综述摘要 综述了气体传感器的基本种类，论述了国内外各类气体传感器的工作原理、特点及发展状况。关键词 传感器 检测 气体 光纤 传感器是将某种信号，按一定规律转换成另一种信号的器件和装置。传感技术是获取信息的工具。这是一项迅速发展的高技术，是构成现代信息技术的主要技术之一，是检测原理、材料科学、工艺加工三要素的最佳结合。在发达国家，传感技术被列为核心技术之一。气体传感器是一种把气体中的特定成分检测出来，并转换成电信号的器件，人们很早就开始了气体传感器的研究，将其用来对有毒、有害气体的探测，对易爆、易燃气体的安全报警。对人类生产生活中所需了解的气体进行检测、分析研究等，使得它在工业生产和日常生活中起到耳目的作用。光纤传感技术是一项正在发展中的具有广阔前景的新型高技术。由于光纤本身在传递信息过程中具有许多特有的性质，如光纤传输信息时能量损耗很小，给远距离遥测带来很大方便。光纤材料性能稳定，不受电磁场干扰，在高温、高压、低温、强腐蚀等恶劣环境下保持不变.所以光纤传感器从问世到如今，一直都在飞速发展。各种新思路、新结构、新工艺的光纤传感器，如雨后春笋，不胜枚举。这里我们仅就光纤气体传感器进行讨论。1 气体传感器现状有关资料表明，1992年中国的气体传感器产量为50万，而1990年、1991年分别为200万和近400万，世界的气体传感器需求量也逐年增加。气体传感器是利用被测气体的物理化学性质来检测气体的，分为物理性和化学性两种。物理性的传感器是通过电流、电导、光的折射率等物理量的变化来检测的；而化学性传感器是通过化学反应、电化学反映引起物理量的变化来检测的。2 气体传感器分类2.1 半导体气体传感器半导体气体传感器是利用气敏元件同气体接触，使半导体性质变化，以此来检测特定气体的成分或浓度。优点是在低浓度区(300)仍对可燃性气体和某些毒性气体(甲烷)有较高灵敏度；体积小，结构简单，成本低，使用方便 1。2.1.1 电导式传感器传感器保持一定温度，当被测气体接触传感元件后，在传感元件表面形成吸附，使其电导率发生变化。被测气体浓度与传感元件的电阻值之间有一定的关系，因此可对气体浓度加以探测。此类传感器主要用来对可燃性气体浓度和低浓度毒气的检测，高浓度范围内测量精度不高，受周围环境影响大。2.1.2 热导式传感器传感元件(金属氧化物)吸附气体后，电导率和热导率变化，致使元件温度变化，由此检测气体浓度。稳定性好，通常组成惠斯登电桥来检测2。2.1.3 氧化锡气体传感器氧化锡掺杂不同，则可检测不同气体。利用氧化锡烧结体吸附还原性气体时电阻值减小的特性，可检测还原气体是否存在，同时可实现可燃性气体(如CH4，CO等)的漏气报警。2.1.4 氧化锌气体传感器ZnO一种研究时间较长、应用水平较高的半导体氧化物气敏材料。一维ZnO纳米材料由于具有大的比表面积和稳定的单晶结构能够显著改善传统敏感材料的灵敏度和长期稳定性。然而纳米线的灵敏度还不够高，选择性还需要改善。因此，采用尺寸小、粒径分布均匀、单分散的贵金属量子点修饰ZnO纳米线，有效地提高了氧化锌气体传感器的灵敏度和选择性，更好地发挥了贵金属的催化作用3。2.1.5 氧化铁气体传感器它是近几年发展起来的新型传感器。由于不用催化剂，故检测灵敏度有所提高。2.2 电化学式气体传感器2.2.1 定电位电解传感器通过隔膜将扩散吸收剂电解液中的被测气体电解，以此来检测气体浓度。电解作用是在外部加了特定电位的电极表面上进行的，只要测定加在电极上的电位，即可测得被测气体特有的电解电位，根据电解电位不同，使传感器只有一定程度的选择性。缺点是电极表面易污染，电解液不好保持4。2.2.2 伽伐尼电池式传感器通过测量被测气体的电解电流来测量气体浓度。2. 3 红外气体传感器被测气体与传感器直接接触后，吸收红外线的特定波长，用红外检测器来检测气体浓度。测量吸收光谱，可知气体类型;测吸收强度，即可知气体浓度。精度高，选择性好，但结构复杂。2. 4 固体电解质气体传感器利用固体电解质的氧离子导电特性，当元件两侧的氧浓度不同时，形成浓差电池电动势不同。主要用来分析气体中氧的浓度。2. 5 燃烧式气体传感器利用气体成分的反应性，如催化燃烧可燃气体传感器。可燃气体在元件表面，燃烧时温度升高而引起铂丝电阻发生变化，测出可燃气体的浓度。2. 6 MOS场效应管传感器例如在把一MOS场效应管中，漏极电流I。流过时的最小临界电压值随空气中所含氢气浓度的增高而降低。利用这一特性可检测氢气。缺点是气体响应特性受温度限制，且长期稳定性差。2. 7 光波导式气体传感器张贵德等人的光波导气体传感器主要是由表面均匀覆盖一层固体染料膜的毛细波导管组成。当气体接触到染料膜时，它从一种颜色变化到另一种颜色，并伴随有膜的折射率和光吸收系数的变化。当光通过波导时，光的损耗则与待测气体浓度有关，从而测得气体浓度。波导的透射光强只与染料膜的状态变化有关。当待测气体消失时，染料膜又恢复到原颜色。因而光波导传感器重复性好，稳定性好，易于在恶劣环境下工作5。3光纤气体传感器3.1对光纤气体传感器的要求(1)高精度和可靠性，很多应用场合是要求测量气体极限值用于报警或危险指示，所以其精度和可靠性必须高。(2)能与各种应用装置相配合，使之具有检侧、显示、报警、控制等功能。(3)附加干扰少，应能长时间稳定工作，时间老化性好。(4)转换性能优良，线性特征范围宽，检测信号的信噪比高，重复性好，响应速度快。(5)尺寸小，重量轻，价廉，具有普及性。3.2光纤气体传感器的特点光学传感器以光学技术为基础，将被敏感的状态以光信号形式取出;利用小型而简单的半导体器件，如LED，PIN，APD等很容易进行光/电、电/光转换，易于与高速发展的电子装置相适应。它与其他传感器相比，有如下优点:(1)灵敏度高，频带宽，初态范围大;由于传输的信息载体是光，所以已研制成功的光纤传感器分辨率大部分优于其他同类传感器。光信号载频高，频带宽，光器件已较成熟，能做成强大的动态范围。(2)光纤不仅可作敏感元件，当用作传输线时，其损耗很低，因此不必考虑测量仪器和被测物体的相对位置，特别适合于电子式等传感器不太适于的地方，可以与光纤遥测技术相配合实现远距离测量与控制。(3)光纤材料有很好的电绝缘性。光纤传感器不受电磁干扰，能避免产生火花，适用于油灌气体。它耐高压，耐腐蚀，在恶劣环境下工作可靠。(4)光纤是无源器件，对被测对象不产生影响。其自身独立性好，可适应各种使用环境。(5)光纤传感器组成的光纤传感器系统便于与中心计算机连接，可实现多功能、智能化的要求。(6)光纤加特殊保护层后能在高低温下工作。(7)光纤传感器体积小，重量轻，安装简单，造价低。3.3各类光纤气体传感器光纤传感技术可以说是传统的光检测技术和光学纤维应用的结合。光纤传感器的检测原理是根据光在光纤中被外界被测参数作用的情况，即外界被测参数对可能引起的光强、波长、频率、相位等参数的变化，从这些可能变化的光参数中提取被测参数的信息。其一般形式为利用光纤本身的特性或外加敏感元件，将被测信号的变化调制成光参数的变化。因此光纤传感器中根据光纤所起的作用可分为功能型和非功能型6。3.3.1非功能型光纤气体传感器光纤在传感器中只起传输光信号的作用，即在光纤中传输的光信号不会受到来自外部介质变化的影响。这类传感器的特点是结构简单，安全可靠，但灵敏度较低。(1) 吸收光谱型传感器：这类传感器是基于气体对光谱的吸收特性，利用不同分子各自不同的吸收谱线，通过对某一特定的吸收谱线强度的探测，而达到检测对应气体成分及浓度的目的，其工作方式分为单波长比较型和双波长差分比较型及窄带谱宽吸收型，传感机理的理论依据相同。(2) 薄膜透射型：将一种对气体敏感的材料涂于透明膜片表面，当气体浓度变化时，透射过薄膜的光强亦发生变化，即透过薄膜的光强受到气体浓度的调制，从而可以检测到气体浓度。(3) 干涉型非功能光纤气体传感器：利用气体浓度与气体折射率的关系，用干涉法检测气体折射率的变化，从而间接得知气体浓度。3.3.2功能型光纤气体传感器光纤在传感器中既是传输光信号的介质，同时经过一定处理后，又可作为功能性的传感元件。这类传感器的特点是灵敏度比较高，但光纤必须做一定的化学或物理处理，故工艺较为复杂。(1) 近场池漏型：光纤中，光源同时在纤芯和包层中传播，在包层中传播的光被称为迅衰波，它以光轴为中心，向两测迅速衰减。如果光纤无包层，则迅衰波会透过光纤。(2) 多孔光纤作为传感元件：多孔光纤是经过复杂工艺制成的，内部有大量密集的小孔，外面包一层能与被测气体相互作用的化学物质，当气体进人多孔光纤时，会改变其光吸收特性或者使敏感物质发出荧光的光参数发生变化，从而检测到气体的浓度。 (3) 包层内为荧光物质的光纤作为气体传感元件圈:一定波长范围的光在此光纤中传播时，会将包层激发出荧光，并藕合到纤芯内。这种光的强度与特点气体浓度有一定的函数关系，从而检测到气体的浓度。(4) 功能型干涉式光纤气体传感器5:这种传感器的关键部分是采用干涉仪来检测传感光纤的光学光路变化。例如，在光纤外涂一层把可用来检测氢气浓度。当金属把与氢气接触时，其晶格会扩张，导致被包的光纤纤芯伸长，从而使光纤的光程增加。(5) 反射式光纤气体传感器困:在光纤端面用溅射或蒸镀等工艺手段，涂敷上一层敏感材料，如一层镍，可测氧气浓度。 4结论可以看出，基于几个最基本的概念，现行的光纤气敏传感技术发展相当快，其灵敏度是传统气体传感器所无法比拟的，加之在个别场合中，光纤传感器的独特优点，其应用潜力无法估量。目前的光纤检测技术，光功率的测量技术较完善，原理也简单，因此应用性较强。但一个真正精度高，符合客户要求的光纤气体传感器还没有在世界上商品化，也就是科研成果与市场没有很好地联系起来，研究者们的目光更多在传感元件本身，而对于光电检测接口的标准化问题研究的较少，因此，今后的目光应转向光纤气体传感器的实用化上。5参考文献1 何圣静,陈彪. 新型传感器.