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【传感器干货】一文了解气体传感器的分类及优缺点
2024-08-22

气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理,通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。

#气体传感器#主要用于针对某种特定气体进行检测,测量该气体在传感器附近是否存在,或在传感器附近空气中的含量。

近年来,随着互联网与物联网的高速发展,加上微电子、微加工技术和自动化、智能化技术的迅速发展,使得气体传感器体积变小、价格低廉、使用方便。气体传感器在新兴的智能家居、可穿戴设备、智能移动终端、环境监测等领域的应用突飞猛进,大幅扩展了应用空间,需求量也发生数量级的改变。

01

半导体式气体传感器

半导体气体传感器工作原理.png

半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件电阻值发生变化而制成的。

半导体气体传感器是最常见的气体传感器,广泛应用于家庭和工厂的可燃气体泄露检测装置,适用于甲烷、液化气、氢气等的检测。

优点:结构简单、价格低廉、检测灵敏度高、反应速度快等。

不足:测量线性、范围较小,受背景气体干扰较大,易受环境温度影响等。


02

固体电解质气体传感器


固体电解质气体传感器工作原理.png

固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料做气敏元件。其原理是气敏材料在通过气体时产生离子,从而形成电动势,测量电动势从而测量气体浓度。

几乎在石化、环保、矿业、食品等各个领域都得到了广泛的应用。

优点:良好的灵敏度和选择度、受温湿度变化的影响小、稳定性高

不足:响应时间长。


03

催化燃烧式气体传感器


催化燃烧式气体传感器工作原理.png

催化燃烧式气体传感器是利用催化燃烧的热效应原理,由检测元件和参考元件配对构成测量电桥,在一定温度条件下,可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧,载体温度就升高,通过它内部的铂丝电阻也相应升高,从而使平衡电桥失去平衡,输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号。

优点:输出信号行线性好,指标可靠,价格低廉、不会与其他气体发生交叉感染。

不足:在可燃气体范围内,没有选择性。黑暗环境中有起火和爆炸的危险。


04

电化学气体传感器

电化学气体传感器工作原理.png


电化学气体传感器是把测量对象气体在电极处氧化或还原而测电流,得出对象气体浓度的探测器。

气体通过多孔膜背面扩散入传感器的工作电极,在此气体被氧化或还原,这种电化学反应引起流经外部线路的电流。除测量外,还要放大和进行其它信号加工;外线路维持经过传感器的电压和一个二电极反向参考传感器的电压。在反向电极产生一相反的反应。这样,如工作电极是氧化,则相反电极就是还原。

优点:体积小、功耗小、线性和重复性较好,寿命较长。

不足:易受感染,灵敏度受温度变化影响较大。


05

PID气体传感器


PID气体探测器工作原理.png

PID气体探测器是一种能够检测极低浓度挥发性有机化合物和其它有毒气体的仪器。尤其是对VOC的灵敏检测使其在应急事故检测中具有无可替代的作用。

PID使用了一个紫外灯(UV)光源将有机物打成可被检测器检测到的正负离子(离子化),首先在电离产生的电子和带正电的离子在电场作用下,形成微弱电流,接着通过检测电流强度来反映该物质的含量。最后检测器测量离子化了的气体的电荷并将其转化为电流信号,电流被放大并通过相应的算法转换,从而可得出气体的浓度值。

优点:精度高;对气体检测无破坏性,稳定性好;响应速度快,寿命长。

不足:价格昂贵。


06

热学式气体传感器


热学式气体传感器工作原理.png

导热气敏材料根据不同可燃性气体与空气导热系数的差异来测量气体浓度。通常导热系数的差异通过电路转化为电阻的变化,传统的检测方法是将待测气体送入气室,气室的中心是热敏元件,如热敏电阻、铂丝或钨丝,加热到一定温度。

当待检测气体的热导率高时,热量将更容易从热敏元件中消散,并且其电阻将减小。改变的电阻将通过信号调节和转换电路(一种可以将传感元件输出的电信号转换成便于显示、记录和控制的有用信号的电路),在那里它被惠斯通电桥转换成不平衡。

优点:工作稳定性好,使用寿命长;具有普遍适用性,市面上常用的气体几乎都能检测;装置简单,价格低廉;检测范围广。

不足:检测精度精度不高,灵敏度低,会出现温漂等现象。


07

红外气体传感器


红外线气体传感器工作原理.png

红外线气体传感器利用气体对特定频率的红外光谱的吸收作用制成。红外光从发射端射向接收端,当有气体时,对红外光产生吸收,接收到的红外光就会减少,从而检测出气体含量。目前较先进的红外式采用双波长、双接收器,使检测更准确、可靠。

优点:选择性好,可以根据气体定制;响应速度快、稳定性好;防爆性好;信噪比高,抗干扰能力强;使用寿命长;测量精度高。

缺点:测量范围窄;怕灰尘、潮湿,对环境要求高;现场有气流时无法检测;价格较高


08

其他类别


1.磁学式气体传感器

最常见的是利用氧气的高磁化特性来测量氧气浓度的磁性氧量分析传感器,利用的是空气中的氧气可以被强磁场吸引的原理。其氧量的测量范围最宽,是一种十分有效的氧量测量传感器。

其典型应用场合有化肥生 产、深冷空气分离、火电站燃烧系统、天然气制乙炔等工业生产中氧的控制和连锁,废气、尾气、烟气等排放的环保监测等。

2.气相色谱式气体传感器

基于色谱分离技术和检测技术,分离并测定气样中各组分浓度,因此是全分析传感器。在发电厂锅炉试验中,已有应用。

优点:灵敏度高,适合于微量和痕量分析,能分析复杂的多相分气体。

不足:定期取样不能实现连续进样分析,系统较为复杂,多用于 试验室分析用,不太适合工业现场气体监测。

3.超声波气体传感器

这种气体探测器比较特殊,其原理是当气体通过很小的泄漏孔从高压端向低压端泄漏时,就会形成湍流,产生振动。

这类探测器通常用于石油和天然气平台、发电厂燃气轮机、压缩机以及其它户外管道。

4.磁氧分析仪

这种气体分析仪是基于氧气的磁化率远大于其他气体磁化率这一物理现象,测量混合气体中氧气的一种物理气体分析设备。

这种设备适合自动检测各种工业气体中的氧气含量,只能用于氧气检测,选择性极好。


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