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气体传感器的选型及分类

2025年07月24日 14:28:30      来源:山东中运物流集团有限责任公司物流机械装备制造分公司 >> 进入该公司展台      阅读量:15

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可燃性气体传感器是一个气-电变换器,它的作用是把可燃性气体在空气中的含量(即浓度)变成电信号,进而由单片机采集信号、数据处理、浓度显示以便报警控制。传感器作为对可燃性气体的敏感元件,是各种类型(袖珍式、便携式、固定式)仪表的核心之一。因此,传感器的选型是非常重要的。
气体传感器的种类
国外从30年代开始研究开发气体传感器。过去气体传感器主要用于煤气、液化石油气、天然气以及矿井中的瓦斯气体的检测与报警,目前需要检测的气体种类由原来的还原性气体(H2, C4H10, CH4等)扩展到毒性气体(CO,NO2, H2S, NO, NH3, PH3等)。气体传感器种类繁多,从原理上可以分为三大类:
(1) 利用物理化学性质的气体传感器:如半导体、催化燃烧等。
(2) 利用物理性质的气体传感器:如热导、光干涉、红外吸收等。
(3) 利用电化学性质的气体传感器:如电流型、电势型等。
下面对工业上常用的几种气体传感器作以简单介绍:
(1) 半导体气体传感器 这类传感器主要使用半导体气敏材料,利用气敏元件的电阻、电流或电压随气体浓度变化的原理工作的。由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点,这类传感器得到了广泛的应用。目前,世界上许多国家开展了对半导体气敏材料的研究,我国也投入大量资金和人力进行研究,并取得成果。该传感器己成为世界上产量大、使用广的气体传感器之一。
(2) 固体电解质气体传感器 这是一种产量仅次于半导体气体传感器的一类传感器。它使用固体电解质材料作为气敏元件。其原理是气敏材料在通过气体时产生离子,形成电动势,钡U量电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高,灵敏度和选择性好,因而得到了广泛的应用,几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域。如测量H2S YST-Au-WO3, NH3的NH'4CaCO3等。但这种传感器制造成本高,检测气体范围有限,在检测环境污染领域中有优势。
(3) 接触燃烧式气体传感器 这类传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式气体传感器。其工作原理是:气敏材料在通电状态下,可燃性气体氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧,产生的热量使电热丝升温,从而使其电阻值发生变化,测量阻值变化从而测量气体浓度。接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定,并能对爆炸F限的绝大多数可燃性气体进行检测,普遍应用于石化工厂、造船厂、矿井隧道、浴室、厨房等处可燃性气体的监测和报警。这类传感器只能测量可燃性气体,对不可燃性气体不敏感。在燃气爆炸下限内输出为线性、只与燃气浓度成正比、温度和湿度的变化对其工作状态影响很小、选择性好、反映准确、精度高、再现性好。其不 足的是催化剂寿命有限,当在可燃性气体与空气的混合物中有硫化氢等含硫物质的情况下,则有可能在无焰催化燃烧的同时,有些固态物质附着在催化元件表面,阻塞载体的微孔,从而引起响应缓慢,反应滞缓或中毒,使灵敏度降低。
(4) 高分子气体传感器 利用高分子气敏材料制作的气体传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定气体时,其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化D21高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合,在毒性气体和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高,选择性好,且结构简单,能在常温下使用,可以弥补其它气体传感器的不足。
(5) 电化学传感器 这类传感器由膜电极和电解液灌封而成。气体浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子,通过电极将信号传出。它的优点是:反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测,但寿命较短(大于等于两年)。它主要适用于毒性气体的检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。
可燃气体传感器的选择
可燃气体检测报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气 站、喷漆作业等易发生可燃烟雾泄漏的场所,根据报警器检测可燃气体 种类的要求,一般选用接触燃烧式可燃气体传感器和半导体可燃气体传感器。
使用接触燃烧式传感器,其探头的阻缓及中毒,是不可避免的问题。 阻缓是当在可燃气体与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下,则有可能在无焰燃烧的同时,有些固态物质附着在催化元件表面,阻塞载体的微孔,从而引起响应缓慢反应滞缓,灵敏度降低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能,但是如果长期暴露在这样的环境中,其灵敏度会不断下降,导致传感器最终丧失检测烟雾的能力。中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时,则传感器将 使催化元件产生不可逆转的中毒,以致灵敏度很快就丧失。当怀疑检测环 境中存在这些物质时,经常对探头进行标定。 因此,经常对传感器进行标定,是保证其准确性的途径。一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准,这种经常性对传感器的维护,无形中加大了工作人员的工作量,同时增加了报警器的维护成本。 半导体可燃气体传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器,它具有灵敏度高, 响应快、体积小、结构简单,使用方便、价格便宜等优点,因而得到广泛应用。半导体可燃气体传感器的性能主要看其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳 定性(使用寿命)。
经过对比上述两种可燃气体传感器的应用特性,发现半导体可燃气体传感器的优点更加突出:灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜,且不会发生探头阻缓及中毒现象,维护成本较低等。因此,本设计采用半导体可燃气体传感器作为报警器可燃气体信息采集部分的核心。而在众多半导体气体传感器中,本设计选用MQ-2型烟雾传感器,这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。

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