第12章气体传感器

1、传感器原理与应用传感器原理与应用1. .烧结型烧结型 如图所示。如图所示。烧结型传感器通常具有较好的疏松表烧结型传感器通常具有较好的疏松表面，因此响应速度较快。这是最早使用的结构形式，面，因此响应速度较快。这是最早使用的结构形式，也是市场应用最广的结构形式，尤其适合于实验室和也是市场应用最广的结构形式，尤其适合于实验室和小批量工业生产。但其机械强度差，各传感器之间的小批量工业生产。但其机械强度差，各传感器之间的性能差异大。性能差异大。4Fe3O4+O26Fe2O3氧化还原 g g- -Fe2O3和和Fe3O4都属于尖晶石结构的晶体，进行都属于尖晶石结构的晶体，进行这种转变时晶体结构并不发生变化

2、。这种转变时晶体结构并不发生变化。这种转变又是可这种转变又是可逆的逆的，当被测气体脱离后又氧化而恢复原状态。，当被测气体脱离后又氧化而恢复原状态。Fe3O4晶体结构晶体结构a0 ppmb14 ppmc140 ppmd1400 ppm 固有电阻的测定对于测量仪表固有电阻的测定对于测量仪表的要求并不高。的要求并不高。但是，对于测量时但是，对于测量时的环境却要求较高的环境却要求较高，必须在洁净空，必须在洁净空气环境中进行。所谓洁净空气环境气环境中进行。所谓洁净空气环境见表见表12. .3。Loutca1 RUUR式中，式中，RC1为在体积浓度为为在体积浓度为C1的被测气体中的电阻值；的被测气体中的电

3、阻值；RC2为在体积浓度为为在体积浓度为C2的被测气体中的电阻值；通常，的被测气体中的电阻值；通常，C1 C2。21CCRR式中，式中，Ua为在洁净空气中工作时负载电阻上的电压为在洁净空气中工作时负载电阻上的电压输出；输出；Ug为在被测气体中工作时负载电阻上的电压为在被测气体中工作时负载电阻上的电压输出。输出。gauUUS 式中，式中，KA/ /B为在为在A、B混合气体中对混合气体中对A气体的选择性气体的选择性系数；系数；SA为在为在A气氛中的灵敏度；气氛中的灵敏度；SB为在为在B气氛中气氛中的灵敏度。的灵敏度。BAA/BSSKYSZ铂电极铂电极IIO2pIO2pYSZ铂电极铂电极IIO2pI

4、O2p 设设 ，根据熵，根据熵增加原理，氧原子要通过电增加原理，氧原子要通过电极内部向左侧扩散。在右侧极内部向左侧扩散。在右侧电极上发生如下反应：电极上发生如下反应：IOIIO22ppO2+4e2Oo2Oo2+ 式中，式中，Oo2 是是ZrO2离子晶体离子晶体的晶格氧的晶格氧离子离子。然后氧离子。然后氧离子向左移动。向左移动。 到达左侧电极后，在左到达左侧电极后，在左侧电极上发生如下反应：侧电极上发生如下反应：O2+4e2Oo2YSZ铂电极铂电极IIO2pIO2pOo2+- - - - - 此时在此时在ZrO2的两端电极之的两端电极之间就产生了电动势间就产生了电动势E。 当电动势当电动势E增加

5、到一定增加到一定数值后，对氧离子左移的阻数值后，对氧离子左移的阻碍作用与扩散作用相平衡，碍作用与扩散作用相平衡，停止以上过程。停止以上过程。 由于存在少量电子从左由于存在少量电子从左向右移动，以上过程不会完向右移动，以上过程不会完全停止。但是该电流很小。全停止。但是该电流很小。YSZ铂电极铂电极IIO2pIO2p+- - - -e- - - - -+电位式如图所示。此时氧离子电流很小。电位式如图所示。此时氧离子电流很小。VYSZ铂电极Oo2铂电极IIO2pIO2p+- - - - -电流式如图所示。此时氧离子电流较大。电流式如图所示。此时氧离子电流较大。AYSZ铂电极Oo2铂电极IIO2pIO

6、2p 若外加直流电压，若外加直流电压，电流将增大。外加电压电流将增大。外加电压大到一定程度，电流最大到一定程度，电流最大，且只与两侧氧浓度大，且只与两侧氧浓度差有关，称为极限电流差有关，称为极限电流式，如图所示。式，如图所示。AYSZ铂电极Oo2铂电极IIO2pIO2p 为了使电位差不变，可为了使电位差不变，可以采用图示测量电路。以采用图示测量电路。在电在电解过程中，电流由气体成分解过程中，电流由气体成分的扩散速度决定，与气体的扩散速度决定，与气体体体积积浓度成正比。改变电源的浓度成正比。改变电源的大小和方向可以检测不同的大小和方向可以检测不同的气体。气体。借此可进行气体成分借此可进行气体成分

7、及其体积浓度的检测，称为及其体积浓度的检测，称为定电位电解式传感器。定电位电解式传感器。-2e2HCO OHCO22OHe2H2O2122从总体上看发生了从总体上看发生了CO的氧化反应，即：的氧化反应，即：22COO21COe4)OH(Pb2OH4Pb2OH4e4OHO222 作为补偿元件的铂线圈，其尺寸、作为补偿元件的铂线圈，其尺寸、阻值均应与检测元件相同，并且也应阻值均应与检测元件相同，并且也应涂覆氧化铝载体层，只是无须浸渍贵涂覆氧化铝载体层，只是无须浸渍贵金属盐溶液或混入贵金属催化剂。金属盐溶液或混入贵金属催化剂。)exp()()(m0LII)()(ln10mIIL式中，式中， m为摩尔分子吸收系数，为摩尔分子吸收系数，L为光与气体作用的为光与气体作用的长度。长度。 如果如果 m和和L己知，那么通过检测己知，那么通过检测I0( ( ) )与与I( ( ) )就可就可以测得待测气体体积浓度以测得待测气体体积浓度 。可知透过光反应室的光强为：可知透过光反应室的光强为：)exp()()(m0LII )exp(1g00 xIIII)exp(g0 xIIqdfg0fqdff )exp(1