红外二氧化碳气体传感器研究现状和进展前景.doc

Xx大学物理与电子学院本科毕业论文编号：xxxxxxxXx大学xx届本科毕业论文红外二氧化碳气体传感器研究现状和进展前景论文作者姓名：_ xx_作 者 学 号：_xx_所 在 学 院： 物理与电子学院 所 学 专 业：_xx_导师姓名职称：_xxxx_ _论文完成时间： 目 录摘 要：10 前言11 CO2气体传感器概述11.1 气体传感器的定义21.2 气体传感器的分类及其工作原理31.3 CO2气体传感器和敏感材料42 红外CO2气体传感器的综述52.1 红外CO2气体传感器的概念52.2 红外CO2气体传感器的特点52.3 红外CO2气体传感器的原理63 红外CO2气体传感器应用与前景84 结论9参考文献91Xx大学物理与电子学院本科毕业论文红外CO2气体传感器的研究现状和进展前景Xx（xx大学物理与电子学院，xxxxxxxx）摘 要： CO2导致“温室效应”,已经影响了人类的生活环境，大气中的CO2气体检测的重要性推动了CO2气体传感器的发展。而近几十年来红外技术的发展与气体传感器的结合，诞生了红外CO2气体传感器。本文先介绍了常见的CO2气体传感器，引出红外CO2气体传感器，进而详细介绍红外CO2气体传感器及其应用，再对其进行了评价与展望。关键词： CO2气体，红外传感谢器，红外探头，朗伯-比尔定律The Current Status of Research and Development of Infrared Carban Dioxide Gas SensorXiao Ran(School of Physics and Electronics, Henan University, Henan Kaifeng 475004, China)Abstract: Carban dioxide gas , which can cause Green house Effect , has influenced the humans living environment. The importance of the detection CO2 gas in the atmosphere promoted the development of CO2 gas sensor. Infrared technology development in recent decades combined with gas sensor, has born the infrared CO2 gas sensor. This paper introduces some common CO2 gas sensor at first, and then introduces the infrared CO2 gas sensor and its application in detail, then does a summary.Key words: Carban dioxide gas , Infrared sensor , Infrared probe head , Lambert Beer Law0 前言CO2气体对大气环境和人类生活影响很大，随着工业的发展，对自然环境的开采与利用日益使大气中的CO2 含量增多。地球被一层大气包围着，其中氧气占21，78是氮气，1是其它气体。这1气体当中，就有只有一小部分为二氧化碳气体；可吸收红外波，产生温室效应。二氧化碳在空气中的含量越高，对人体的影响就越大，当二氧化碳含量超过10时，人体就会出现昏迷和死亡。达到20，人就会在几秒内死亡。因此在人群比较密集的地方，二氧化碳含量是一个非常重要的参数，直接关系到人体舒适度和安全。但是它又是植进行光合作用的重要元素，没有二氧化碳，也就没有自然界的生机勃勃。在做植物实验时，二氧化碳的是一项必要的参数。在化工行业，经过化学反应，会产许多高浓度的二氧化碳气体，而在啤酒、可乐等饮料中，又必需添加二氧化碳；把二氧化碳和氮气混合成“理想”的气体，作用于生鲜食品的充气包装，则能使生鲜食品内部细胞的活性维持一定时间，延缓其生命过程，保持一定程度的生鲜状态。因此对CO2 进行定量的监测、控制与分析也是必须的。而且CO2 检测对农业生产、医疗卫生等领域也有重要意义1袁超,等. 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Analytical Sciences ,17 (Supplement) :i1023i102517周仲柏,周亚民.电流型二氧化碳气体传感器件全固态电化学体系的研究J.武汉大学学报，1999,45(2):135-13918朱棋锋,邱法斌等.Ba/Ti、Ba/Cu比对电容型CuO-BaTiO3 CO2气体传感器灵敏度的影响J.仪器仪表学报，2002,23(3):563-56619杨荣华,王柯敏,肖丹等.基于环糊精/卟啉包络物荧光猝灭的二氧化碳光学敏感膜的研究J.高等学校化学学报，2001,22(1):3842.29EOhtakiApplication of all infrared carbon dioxide and humidity instrument to studies of turbulent transportJBoundaryLayer Meteorology，1984，29(1)：8510721RL Kozodoy，RHMicheels，JAHarringtonSmallborehollow waveguide infrared absorption ceHs for gas sensingJAp ed Spectroscopy，1996，50(3)：415-41722张玉春，许积年总有机碳测定仪的新用途 -测气体中c的研究J环境工程，1995，13(4)：3739，3023宋钊，万方，陈晓婷，等非分散红外线气体法测定生活垃圾填埋气中二氧化碳J环境监测管理与技术，2008，20(3)：474924高程达，孙向阳，栾亚宁土壤表面通量的原位测定方法J土壤通报，2008，39(3)：718-72025自泽生基于红外传感器的CO：气体检测电路设计J仪表技术与传感器，2007，(3)：596026张广军，吕俊芳，周秀银，等二氧化碳浓度红外测量方法综述J实用测试技术，1995，(1)：81127李可，陈荣松，叶继伦，等医用CO 体积分数检测装置的研制J传感器技术，2003，22(8)：3O31，3428 琚雪梅等.红外吸收型CO2气体传感器的设计J.传感器技术,2005,8:62-64.29 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FuhrmanEnteroviruses Detected by ReverseTranscriptaso Polymerase Chain Reaction from the Coastal Watersof Santa Monica Bay，California：Low Correlation to BacterialIndicator LevelsJHydrobiologia，2001，(46O)：17518442Enriquez C E，C P GerbaConcentration of Enteric Adenovirus from Tap，Sea and Waste WaterJWater Res，1995，(29)：2554 -256043Lipp EK，Lukasik J，JBRoseHumanEntericVirusesandParasites in the Marine EnvironmentJMethods Microbio1，2001，(3O)：55958844Green D H，G D LewisComparative Detection of Enteric Vimses in Wastewaters，Sediments and Oysters by Reverse TranscriptionPCR and Cell CultureJWater Res，1999，(33)：1195 120045Donaldson K A，Grifin D W，J H Pau1Detection，Quantitation and Identification of Enterovimsos from Surface fers an Sponge Tissue from the norida Key Susing Real time RT PCRJWater Res，2OO2，(36)：2505251446Ke G，Cromeans T L，M D SebseyDetection of Infectious Adenovirus in Cell Culture by mRNA Reverse TranscriptionPCR JApp1EnvironMicrobio1，2003，(69)：7377738447ThurstonEnriquez J A，Haas C N，Jacangelo J，et a1GerbaInactivation of Fehne Calici Virus and Adenovirus Type 40 by UV RadiationJ App1EnvironMicrobio1，2003，(69)：577 58248曾水平，曾铮，秦建民，等高浓度二氧化碳气体成份检测系统研究J仪器仪表学报，2005，26(8)：3283291。CO2 气体传感器是一种将CO2 的气体成份、浓度等信息转化为可以被人员、仪器、计算机等利用的信息。目前，人们已经研究出来了红外吸收法、固体电介质、电化学式、电容式和热传导式CO2 传感器及检测仪。这些传感器大多存在很多不足：对气体的选择性较差、易出现误报、系统需要频繁校准，使用寿命也较短。其中红外吸收型CO2 气体传感器以高灵敏度、宽测量度、强抗干扰能力等广为人们继续深入研究，具有广泛开发的应用前景。以下简要介绍几种常见的传感器，并详细介绍红外CO2 气体传感器的现状和应用，并对线外CO2 气体传感器的前景进行展望。1 CO2 气体传感器概述传感器是一种物理装置或者生物器官能够探测、感受外界的信号、物理条件（光、热、湿度）或化学组成，并将探测的信息传递给其他装置24。国家标准对传感器的定义是：“能感受规定的被测量信息并按照一定规律转换成可用信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成”传感器是一种检测装，置能够感受被测量的信息，并将感受的信息，按照一定的规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出、处理、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。1.1 气体传感器的定义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512：（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。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。1.2 气体传感器的分类及其工作原理气体传感器主要有半导体传感器（电阻型和非电阻型）、绝缘体传感器（接触燃烧式和电容式）、电化学式（恒电位电解式、伽伐尼电池式），还有红外吸收型、石英振荡型、光纤型、热传导型、声表面波型、气体色谱法等24。电阻式半导体气敏元件是根据半导体接触到气体时其阻值的改变来检测气体的浓度；非电阻式半导体气敏元件则是根据气体的吸附和反应使其某些特性发生变化对气体进行直接或间接的检测。接触燃烧式气体传感器是基于强催化剂使气体在其表面燃烧时产生热量，使传感器温度上升，这种温度变化可使贵金属电极电导随之变化的原理而设计的。另外与半导体传感器不同的是，它几乎不受周围环境湿度的影响。电容式气体传感器则是根据敏感材料吸附气体后其介电常数发生改变导致电容变化的原理而设计。电化学式气体传感器，主要利用两个电极之间的化学电位差，一个在气体中测量气体浓度，另一个是固定的参比电极。电化学式传感器采用恒电位电解方式和伽伐尼电池方式工作。有液体电解质和固体电解质，而液体电解质又分为电位型和电流型。电位型是利用电极电势和气体浓度之间的关系进行测量；电流型采用极限电流原理，利用气体通过薄层透气膜或毛细孔扩散作为限流措施，获得稳定的传质条件，产生正比于气体浓度或分压的极限扩散电流。红外吸收型传感器，当红外光通过待测气体时， 这些气体分子对特定波长的红外光有吸收， 其吸收关系服从吸收定律，通过光强的变化测出气体的浓度：I = I0exp(-am L C +b+g L +d)（1）式中，am摩尔分子吸收系数；C气体浓度；L光和气体的作用长度；b瑞利散射系数；g米氏散射系数；d气体密度波动造成的吸收系数；I0、I分别是输入输出光强。声表面波传感器的关键是SAW(surface acoustic wave)振荡器，它由压电材料基片和沉积在基片上不同功能的叉指换能器所组成，由延迟型和振子型两种振荡器。SAW传感器自身固有一个振荡频率，当外界待测量变化时，会引起振荡频率的变化，从而测出气体浓度。1.3 CO2气体传感器和最新敏感材料目前人们已经研究开发出了红外线吸收法、电化学式、热传导式、电容式及固体电介质CO2传感器及检测仪。固体电解质CO2气体传感器是由Gauthier提出的13。初期用K2CO3固体电解质制备的电位型CO2传感器，受共存水蒸气影响很大，难以实用；后来有人利用稳定化锆酸盐ZrO2-MgO设计一种CO2敏感传感器，LaF3单晶与金属碳酸盐相结合制成的CO2传感器具有良好的气敏特性，在此基础上有人提出利用稳定化锆酸盐/碳酸盐相结合成的传感器。1990年日本山添等人采用NASICON(Na+超导体)固体电解质和二元碳酸盐(BaCO3 Na2CO3)电极，使传感器响应特性有了大的改进14。但是，这类电位型的固态CO2传感器需要在高温(400600)下工作，且只适宜于检测低浓度CO2，应用范围受到限制15,16。现有采用聚丙烯腈(PAN )、二甲亚砜(DM SO)和高氯酸四丁基铵(TBA P)制备了一种新型固体聚合物电解质。以恰当用量配比PAN(DM SO)2(TBA P)2聚合物电解质呈有高达10- 4Scm- 1的室温离子电导率和好的空间网状多孔结构，由其在金微电极上成膜构成的全固态电化学体系，在常温下对CO2气体有良好的电流响应特性，消除了传统电化学传感器因电解液渗漏或干涸带来的弊端，又具有体积小、使用方便的独到优点17。 电容式传感器是利用金属氧化物一般比其碳酸盐的介电常数要大，利用电容的变化来检测CO2。报道采用溶胶凝胶法，以醋酸钡和钛酸丁脂为原材料，乙醇和醋酸为溶剂制备了BaTiO3纳米晶材料。采用这种纳米晶材料为基体，制备电容式CO2气体传感器18。光纤CO2传感器利用CO2与水结合后，生成的碳酸酸性很弱，其酸性的检测多采用灵敏度较高的荧光法，如杨荣华等人19研制的基于荧光碎灭原理的固定有叶琳的聚氯乙烯敏感膜，其原理是利用环糊精对叶琳的荧光增强效应，且该荧光能被溶液中二氧化碳碎灭，该膜响应速度快、重现性好、抗干扰能力强，测定碳酸的范围达到了4.7510-73.9010-5mol/L，这对化学传感器来说是一个较好的性能指标。该方法克服了化学发光传感器消耗试剂的不足，不必连续不断地在反应区加送试剂。2 红外CO2气体传感器的综述2.1 红外CO2气体传感器的概念自1800年英国物理学家赫谢尔用棱镜使太阳光色散发现红外光以来，直到20世纪70年代后期，研究者用可调激光作为红外光源代替单色器，使红外光谱仪具有更高的分辨力和更高的灵敏度，扩大了其应用范围，在CO2检测应用方面也有了长足的发展2024。其基本检测原理是依据不同化学结构的气体分子对不同波长的红外辐射的吸收程度不同，CO2对426 m波长的红外光有强烈的吸收，根据朗伯一比尔定律，当红外光源发出的红外光强度为I。，通过一个长度为L的气室，则透过的红外光强度I与被测CO2气体浓度c之间满足下式：I=Iexp(一KCL) (4)其中，K是气体的红外光吸收系数。当气体的种类一定，则K就确定，通过测出I的大小即可得知被测气体的浓度变化25。在红外光谱测定中，光路结构的安排直接决定检测结果的准确性和稳定性。张广军等26 就时间双光束测量法和空间双光束测量法对CO2气体的检测进行对比研究发现，空间双光束测量方法具有无活动部件这一主要优点，工作更可靠，测试结果再现性好，仪器稳定。为实现人体呼出气体末CO2分压或浓度的实时监测，李可等27 利用非色散红外光谱分析技术和旁气流式测量方法，自行研制了一种医用CO2体积分数检测装置，测量范围010(v，v) CO2，可对病人呼出气体CO2 气体体积分数进行连续、无创测量，测试结果在Pc机上实时、动态显示，具有较高的推广应用价值。2.2 红外CO2气体传感器的特点气体传感器的主要参数(1)灵敏度气敏元件的阻值变化量R与气体浓度的变化量P之比称为灵敏度K。（K R/ P）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。以上是含衡量所在所体传感器的参数，对于红外二氧化碳传感器来说，以上四个特性都很好，即具有高灵敏度、反应速度快、选择性好、稳定性好。此外红外二氧化碳传感器还有使用寿命长、方便使用、便于携带等优点。2.3 红外CO2气体传感器的原理25 气体吸收光谱随物质性质不同而存在差异，红外吸收型CO2气体传感器是基于这种原理制成的。对于不同气体，其分子化学结构不同，对不同波长的红外辐射的吸收程度就不同，因此，不同波长的红外辐射依次照射到样品物质时，某些波长的辐射能被样品物质选择吸收而变弱，产生红外吸收光谱，故当知道某种物质的红外吸收光谱时，便能从中获得该物质在红外区的吸收峰。同一种物质不同浓度时，在同一吸收峰位置有不同的吸收强度，吸收强度与浓度成正比关系。因此通过检测气体对光的波长和强度的影响，便可以确定气体的浓度2632 。2.3.1 一般组成33401待测目标。根据待测目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。2大气衰减。待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。3光学接收器。它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用是物镜。4辐射调制器。对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。 5红外探测器。这是红外系统的核心。它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出来的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。6探测器制冷器。由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。7信号处理系统。将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。8显示设备。这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。依照上面的流程，红外系统就可以完成相应的物理量的测量。2.3.2 工作原理不同的红外二氧化碳传感器的基本原理都是相同的。本节以白泽生设计的检测电路为主介绍红外二氧化碳传感器的具体的工作原理。根据比尔朗伯定律，输出光强度、输入光强度和气体浓度之间的关系为： （1）式中为摩尔分子吸收系数；为待测气体浓度；为光和气体的作用长度（传感长度）。对上式进行变换得： （2）通过检测相关数据就可以得知气体的浓度。光源气室探测器干涉滤光镜图1 CO2气体传感器探头结构红外二氧化碳传感器探头结构如图1所示。是由红外光源、测量气室、可调干涉滤光镜、光探测器、光调制电路、放大系统等组成。红外光源采用镍铬丝，其通电加热后可发出310m的红外线，其中包含了4.26m处CO2气体的强吸收峰。在气室中，二氧化碳吸收光源发出特定波长的光，经探测器检测则可显示出二氧化碳对红外线的吸收情况。干涉滤光镜是可调的，调节他可改变其通过的光波波段，从而改变探测器探测到信号的强弱。红外探测器为薄膜电容，吸收了红外能量后，气体温度升高，导致室内压力增大，电容两极间的距离就要改变，电容值随之改变。CO2气体的浓度愈大，电容值改变也就愈大。2.3.3 电路设计红外CO2传感器数字滤波放大电路单片机系统稳定电路温度补尝 输出图2 检测电