微气体传感器.ppt
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微气体传感器 微气体传感器概述 定义: 指能将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出装置或器件。 满足条件: 能够检测爆炸气体、有害气体的允许浓度或基 准设定浓度,并能及时给出显示信号; 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感; 性能长期稳定性好; 响应迅速,重复性好; 维护方便,价格便宜。 微气体传感器分类 微气体传感器分类 电化学式传感器 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来测量气体浓度。它也有电势计,电导计,阻抗计。 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。 光纤二氧化氮(N02)传感器 NO2是污染人气的主要气体,是一种红褐色有特殊刺激性臭味的气体,它对深部呼吸道具有强烈的刺激作用.可引起肺损害甚至造成肺水肿。对其进行浓度检测具有很重要的意义。 采用弹光型和吸收光谱型的光纤传感器均可检测NO2的浓度,下面介绍弹光类型。 弹光型光纤NO2传感器 工作原理: NO2气体吸收一定的光谱能量,使分子(原子)能级增加,经生热过程使能级下降,根据理想气体的压力与温度的相互关系产生声压波。借助于声传感原理来测量该热感应声场的振幅,即吸收光能量的大小。 为了获得较高的灵敏度,采用弹光效应的光纤声传感器。(弹光效应指在外力作用下,产生弹性形变,引起折射率发生变化,引起光学性质的改变) 传感器结构及原理 测量结果和讨论 微型CO气体传感器 工作原理: 金属氧化物半导体(MOS) 气体传感器的气敏材料大多使用 sno2, 当sno2被加热后, 空气中的氧就会从 sno2 导体晶粒的施主能级中夺走电子,在晶粒表面上吸附着负电子, 使表面电位增高, 从而阻 碍导电电子的移动。所以, 气体传感器在空气中为恒定的 电阻值。 微型CO气体传感器 当气体传感器处于某种还原性气体( 如H2 , CO 等) 环境中, 还原性气体与半导体表面吸附着的氧发生氧 化还原反应,由于气体分子的离吸作用使其表面电位高低发生 变化 , 从而引起传感器表面气敏材料的电阻值发生变化。对于还原性气体,电阻值减小; 对于氧化性气体,电阻值增 大。 微型CO气体传感器 根据气敏材料的导电机理 , 可以建立气体传感器灵敏度K 与气体体积分数 C 的关系: K= RS/RO 其中,Rs 是一 定条件下传感器在某气体体积分数中的电阻值, R0 是常温 常压下传感器在空气中的电阻值。 因此 ,可根据气体传感 器电信号变化特性的差异( 或变化量的不同) 来区别各种 气体或气体体积分数。 微型CO气体传感器 氧气微传感器 氧气传感器的三种类型: 二氧化锆型氧气传感器 带加热的二氧化锆型传感器 二氧化钛氧气传感器 一种基于MEMS技术的氧气微传感器 氧敏感膜:氧气微传感器以 ZrO2 (二氧化锆)和 Y2O3 (二氧化钇)混合(YSZ:Yttria2Stabilized Zirconia)的溶胶 - 凝胶膜作为氧气敏感膜。经过多次试验,可以证实 YSZ对于氧气有较明显的响应,而对于其它的气体如氮气,氢气等响应可以忽略。 * * 学号姓名:王勇 半导体传感器(电阻型和非电阻型) 电阻式半导体传感器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; 非电阻式半导体传感器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。 绝缘体传感器(接触燃烧式和电容式) 接触燃烧式气体传感器是基于气体在其表面时,使传感器温度上升,引起电极电导随之变化的原理而设计的。 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。 检测对象: NO2气体的浓度;选用Ar气体作为缓冲介质,与N02气体混合后,通入有激励源通过的光声元件中。 检测原理: N02对该谱线(496.5 nm)有最大的吸收量,当被测气体吸收了经斩波器调制后的激励源光谱时,光声元件开始发射周期性声波信号;这种谐振波以压力的形式推动圆筒形铝箔元件,使绕在其上的单模光纤产生周期性弹性形变,这样传感臂与参考臂之间的光程差,将出现周期性的变化,通过干涉仪就能检测出这个变化。变化的程度是由NO2气体的浓度大小决定。 He—Ne激光器发出的光束经分光器后,分别输入传感臂和参考臂的光纤中,光纤的两个输出端平行放置。从两根光纤出射的光,将形成一个干涉条纹区.通过一个可变宽度的狭缝,由光电二极管接收,经锁相放大器,监测干涉图形的强度调制,这个调制是由声波引起的两段光纤间光程差的变化引起的。 自由电子 氧分子 束缚电子 电极 气敏半导体 没有探测气体存在时 自由电子 氧分子 被探测的还原性 气体分子 束缚电子 氧化还原反应 电极 气敏半导体 表面电导率上升,电阻率下降 生成物脱离表面 CO
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