6809675 DRAGER氣體傳感器

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     德國(guó)DRAGER德爾格氣體傳感器根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類型

DRAGER氣體傳感器是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。探測(cè)頭通過(guò)DRAGER氣體傳感器對(duì)氣體樣品進(jìn)行調(diào)理，通常包括濾除雜質(zhì)和干擾氣體、干燥或制冷處理儀表顯示部分。

DRAGER氣體傳感器是一種將氣體的成份、濃度等信息轉(zhuǎn)換成可以被人員、儀器儀表、計(jì)算機(jī)等利用的信息的裝置！DRAGER氣體傳感器一般被歸為化學(xué)傳感器的一類，盡管這種歸類不一定科學(xué)。

“DRAGER氣體傳感器”包括：半導(dǎo)體DRAGER氣體傳感器、電化學(xué)DRAGER氣體傳感器、催化燃燒式DRAGER氣體傳感器、熱導(dǎo)式DRAGER氣體傳感器、紅外線DRAGER氣體傳感器、固體電解質(zhì)DRAGER氣體傳感器等。

DRAGER氣體傳感器是化學(xué)傳感器的一大門類。從工作原理、特性分析到測(cè)量技術(shù)，從所用材料到制造工藝，從檢測(cè)對(duì)象到應(yīng)用領(lǐng)域，都可以構(gòu)成獨(dú)立的分類標(biāo)準(zhǔn)，衍生出一個(gè)個(gè)紛繁龐雜的分類體系，尤其在分類標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題上還沒(méi)有統(tǒng)一，要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的系統(tǒng)分類難度頗大。接下來(lái)了解一下DRAGER氣體傳感器的主要特性：

1、穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅髟谡麄€(gè)工作時(shí)間內(nèi)基本響應(yīng)的穩(wěn)定性，取決于零點(diǎn)漂移和區(qū)間漂移。零點(diǎn)漂移是指在沒(méi)有目標(biāo)氣體時(shí)，整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)傳感器輸出響應(yīng)的變化。區(qū)間漂移是指?jìng)鞲衅鬟B續(xù)置于目標(biāo)氣體中的輸出響應(yīng)變化，表現(xiàn)為傳感器輸出信號(hào)在工作時(shí)間內(nèi)的降低。理想情況下，一個(gè)傳感器在連續(xù)工作條件下，每年零點(diǎn)漂移小于10%。

2、靈敏度

靈敏度是指?jìng)鞲衅鬏敵鲎兓颗c被測(cè)輸入變化量之比，主要依賴于傳感器結(jié)構(gòu)所使用的技術(shù)。大多數(shù)DRAGER氣體傳感器的設(shè)計(jì)原理都采用生物化學(xué)、電化學(xué)、物理和光學(xué)。首先要考慮的是選擇一種敏感技術(shù)，它對(duì)目標(biāo)氣體的閥限制（TLV-thresh-oldlimitvalue）或爆炸限（LEL-lowerexplosivelimit）的百分比的檢測(cè)要有足夠的靈敏性。

3、選擇性

選擇性也被稱為交叉靈敏度?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量由某一種濃度的干擾氣體所產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)來(lái)確定。這個(gè)響應(yīng)等價(jià)于一定濃度的目標(biāo)氣體所產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)。這種特性在追蹤多種氣體的應(yīng)用中是非常重要的，因?yàn)榻徊骒`敏度會(huì)降低測(cè)量的重復(fù)性和可靠性，理想傳感器應(yīng)具有高靈敏度和高選擇性。

4、抗腐蝕性

抗腐蝕性是指?jìng)鞲衅鞅┞队诟唧w積分?jǐn)?shù)目標(biāo)氣體中的能力。在氣體大量泄漏時(shí)，探頭應(yīng)能夠承受期望氣體體積分?jǐn)?shù)10~20倍。在返回正常工作條件下，傳感器漂移和零點(diǎn)校正值應(yīng)盡可能小。

DRAGER氣體傳感器的基本特征，即靈敏度、選擇性以及穩(wěn)定性等，主要通過(guò)材料的選擇來(lái)確定。選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾烷_發(fā)新材料，使DRAGER氣體傳感器的敏感特性達(dá)到。

根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境

根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類型。 要進(jìn)行—個(gè)具體的測(cè)量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)?，即使是測(cè)量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問(wèn)題：量程的大?。槐粶y(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測(cè)量；傳感器的來(lái)源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問(wèn)題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。

靈敏度的選擇

通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少?gòu)耐饨缫氲挠跀_信號(hào)。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測(cè)量是單向量，而且對(duì)其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測(cè)量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。

響應(yīng)特性 （反應(yīng)時(shí)間）

傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有—定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率較低。在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn) (穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過(guò)火的誤差。

線性范圍

傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測(cè)量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線性，其線性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測(cè)量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會(huì)給測(cè)量帶來(lái)極大的方便。

優(yōu)點(diǎn)

紅外DRAGER氣體傳感器及儀器應(yīng)用廣泛，適用于監(jiān)測(cè)近乎各種易氣體。具有精度高、選擇性好、可靠性高、不中毒、不依賴于氧氣、受環(huán)境干擾因素較小、壽命長(zhǎng)等顯著優(yōu)點(diǎn)。并在未來(lái)逐步成為市場(chǎng)主流。

缺點(diǎn)

由于正在處于起步階段，技術(shù)壁壘高，規(guī)?；a(chǎn)程度低，造成成本高，基本在上千元左右。

半導(dǎo)DRAGER氣體傳感器

這種類型的傳感器在DRAGER氣體傳感器中約占60%，根據(jù)其機(jī)理分為電導(dǎo)型和非電導(dǎo)型，電導(dǎo)型中又分為表面型和容積控制型。

（1） SnO2半導(dǎo)體是典型的表面型氣敏元件，其傳感原理是SnO2為n 型半導(dǎo)體材料。當(dāng)施加電壓時(shí)，半導(dǎo)體材科溫度升高，被吸附的氧接受了半導(dǎo)體中的電子形成了O2或O2原性氣體H2、CO、CH4存在時(shí)，使半導(dǎo)體表面電阻下降，電導(dǎo)上升，電導(dǎo)變化與氣體濃度成比例。NiO為p型半導(dǎo)體，氧化性氣體使電導(dǎo)下降，對(duì)O2敏感。ZnO半導(dǎo)體傳感器也屬于此種類型。

a. 電導(dǎo)型的傳感器元件分為表面敏感型和容積控制型，表面敏感型傳感材料為SnO2+Pd 、ZnO十Pt 、AgO、V2O5 、金屬酞青、Pt —SnO2。 表面敏感型DRAGER氣體傳感器可檢測(cè)氣體為各種可燃性氣體CO、NO2、 氟利昂。傳感材料Pt —SnO2 的DRAGER氣體傳感器可檢測(cè)氣體為可燃性氣體CO、H2、CH4 。

b. 容積控制型傳感材料為Fe2O8和TiO2、CO-MgO —SnO2體傳感器可檢測(cè)氣體為各種可燃性氣體CO、NO2、氟利昂，傳感材料Pt —SnO2。

容積控制型半導(dǎo)體DRAGER氣體傳感器可檢測(cè)氣體為液化石油氣、酒精、空燃比控制、燃燒爐氣尾氣。

（2）容積控制型的是晶格缺陷變化導(dǎo)致電導(dǎo)率變化，電導(dǎo)變化與氣體濃度成比例關(guān)系。

Fe2O8、TiO2屬于此種，對(duì)可燃性氣體敏感。

（3）熱線性傳感器，是利用熱導(dǎo)率變化的半導(dǎo)體傳感器，又稱熱線性半導(dǎo)體傳感器，是在Pt 絲線圈上涂敷SnO2層，Pt絲除起加熱作用外，還有檢測(cè)溫度變化的功能。施加電壓半導(dǎo)體變熱，表面吸氧，使自由電子濃度下降，可燃性氣體存在時(shí)，由于燃燒耗掉氧自由電子濃度增大，導(dǎo)熱率隨自由電子濃度增加而增大，散熱率相應(yīng)增高，使Pt 絲溫度下降，阻值減小，P t絲阻值變化與氣體濃度為線性關(guān)系。

這種傳感器體積小、穩(wěn)定、抗毒，可檢測(cè)低濃度氣體，在可燃?xì)怏w檢測(cè)中有重要作用。

（4）非電導(dǎo)型的FET場(chǎng)效應(yīng)晶體管DRAGER氣體傳感器，Pd —FET．場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器，利用Pd 吸收H z 并擴(kuò)散達(dá)到半導(dǎo)體Si 和Pd的界面，減少Pd 的功函，這種對(duì)H2、CO敏感。非電導(dǎo)型FET場(chǎng)效應(yīng)晶體管DRAGER氣體傳感器體積小，便于集成化，多功能，是具有發(fā)展前途的DRAGER氣體傳感器。 [2]

固體電解質(zhì)DRAGER氣體傳感器

這種傳感器元件為離子對(duì)固體電解質(zhì)隔膜傳導(dǎo)，稱為電化學(xué)池，分為陽(yáng)離子傳導(dǎo)和陰離子傳導(dǎo)，是選擇性強(qiáng)的傳感器，研究較多達(dá)到實(shí)用化的是氧化鋯固體電解質(zhì)傳感器，其機(jī)理是利用隔膜兩側(cè)兩個(gè)電池之間的電位差等于濃差電池的電勢(shì)。穩(wěn)定的氧化鉻固體電解質(zhì)傳感器已成功地應(yīng)用于鋼水中氧的測(cè)定和發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比成分測(cè)量等。

為彌補(bǔ)固體電解質(zhì)導(dǎo)電的不足，近幾年來(lái)在固態(tài)電解質(zhì)上鍍一層氣敏膜，把圍周環(huán)境中存在的氣體分子數(shù)量和介質(zhì)中可移動(dòng)的粒子數(shù)量聯(lián)系起來(lái)。 [2]

接觸燃燒式DRAGER氣體傳感器

接觸燃燒式傳感器適用于可燃性氣H2、CO、CH4的檢測(cè)?？扇?xì)怏w接觸表面催化劑

Pt 、Pd 時(shí)燃燒、破熱，燃燒熱與氣體濃富有關(guān)。這類傳感器的應(yīng)用面廣、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是選擇性差。 [2]

電化學(xué)DRAGER氣體傳感器

電化學(xué)方式的DRAGER氣體傳感器常用的有兩種：

（1）恒電位電解式傳感器

是將被測(cè)氣體在特定電場(chǎng)下電離，由流經(jīng)的電解電流測(cè)出氣體濃度，這種傳感器靈敏度高，改變電位可選擇的檢洌氣體，對(duì)毒性氣體檢測(cè)有重要作用。

（2）原電池式DRAGER氣體傳感器

在KOH電解質(zhì)溶液中，Pt —Pb或Ag —Pb 電極構(gòu)成電池，已成功用于檢測(cè)O2，其靈敏度高，缺點(diǎn)是透水逸散吸潮，電極易中毒。 

光學(xué)DRAGER氣體傳感器

（1）直接吸收式DRAGER氣體傳感器

紅外線DRAGER氣體傳感器是典型的吸收式光學(xué)DRAGER氣體傳感器，是根據(jù)氣體分別具有各自固有的光譜吸收譜檢測(cè)氣體成分，非分散紅外吸收光譜對(duì)SO2、CO、CO2、NO等氣體具有較高的靈敏度。

另外紫外吸收、非分散紫外線吸收、相關(guān)分光、二次導(dǎo)數(shù)、自調(diào)制光吸收法對(duì)NO、NO2、SO2、烴類( CH4) 等氣體具有較高的靈敏度。

（2）光反應(yīng)DRAGER氣體傳感器

光反應(yīng)DRAGER氣體傳感器是利用氣體反應(yīng)產(chǎn)生色變引起光強(qiáng)度吸收等光學(xué)特性改變，傳感元件是理想的，但是氣體光感變化受到限制，傳感器的自由度小。

（3）氣體光學(xué)特性的新傳感器

光導(dǎo)纖維溫度傳感器為這種類型，在光纖頂端涂敷觸媒與氣體反應(yīng)、發(fā)熱。溫度改變，導(dǎo)致光纖溫度改變。利用光纖測(cè)溫已達(dá)到實(shí)用化程度，檢測(cè)氣體也是成功的。

此外，利用其它物理量變化測(cè)量氣體成分的傳感器在不斷開發(fā)，如聲表面波傳感器檢測(cè)SO2、NO2、H2S、NH3、H2 等氣體也有較高的靈敏度。