蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 李志偉

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淺談空氣質(zhì)量檢測(cè)與主要?dú)怏w傳感器

蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 李志偉

【摘要】大氣中的空氣品質(zhì)對(duì)人的影響十分重要，研究及運(yùn)用傳感器技術(shù)是檢測(cè)空氣質(zhì)量的一種熱門方法，本文簡(jiǎn)要介紹了傳感器及其測(cè)試技術(shù)，主要?dú)怏w傳感器工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)。最后對(duì)傳感器的發(fā)展趨勢(shì)和前景加以展望。

【關(guān)鍵詞】空氣質(zhì)量；氣體傳感器；檢測(cè)技術(shù)

1 氣體傳感器概述

工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，人們往往需要對(duì)接觸到的有害氣體進(jìn)行檢測(cè)和控制。其中以氣體傳感器作為最佳檢測(cè)工具。它將有關(guān)氣體的成分、濃度等物理特性轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，方便人們正確、有效的控制和應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外氣體傳感器發(fā)展很快，原因在于人們對(duì)有害氣體的安全意識(shí)增強(qiáng)，對(duì)環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是相關(guān)的安全法規(guī)推動(dòng)了傳感器市場(chǎng)的增長(zhǎng)。

氣敏元件傳感器作為新型敏感元件傳感器已列為國(guó)家重點(diǎn)支持發(fā)展項(xiàng)目，我國(guó)氣敏元件傳感器及其應(yīng)用技術(shù)有了較快進(jìn)展，研究、發(fā)展方向表現(xiàn)在幾個(gè)方面：（1）新型氣敏材料的研發(fā)。在傳統(tǒng)的氣敏材料中摻雜某些元素，研制、開(kāi)發(fā)復(fù)合型及混合型的半導(dǎo)體、高分子氣敏材料，使得它們對(duì)不同的氣體表現(xiàn)出高靈敏度、高穩(wěn)定性和高選擇性的特性。（2）新型氣體傳感器研發(fā)。使用新型材料、新型工藝及新技術(shù)，進(jìn)一步研究氣體傳感器的機(jī)理，使得它們更加微型化、多功能，具備性能穩(wěn)定、使用方便和價(jià)格低廉等特點(diǎn)。（3）借助計(jì)算機(jī)技術(shù)是的傳感器更加智能化。將氣體傳感器與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合，研制出新型仿生氣體傳感器是未來(lái)傳感器發(fā)展的主要方向。

2 氣體傳感器測(cè)試技術(shù)概述

氣體傳感器測(cè)試技術(shù)的發(fā)展并未能跟上氣體傳感器技術(shù)發(fā)展的速度。影響這一發(fā)展的原因是多方面的。比如：如何快速實(shí)現(xiàn)氣敏元件的檢驗(yàn)和分檔，如何提高測(cè)試效率、精度。更為重要的是手工測(cè)試無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，從而不能準(zhǔn)確的測(cè)得氣敏元器件的響應(yīng)時(shí)間曲線、恢復(fù)時(shí)間曲線等參數(shù)，限制了氣敏元件的進(jìn)一步研究和應(yīng)用。從檢索和專利資料來(lái)看，對(duì)于氣體傳感器的研究，國(guó)外僅有日本的費(fèi)加羅公司借助單片機(jī)開(kāi)發(fā)出一種自動(dòng)巡回監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)，“八五”期間，課題研究小組成功地研制出基于上下位機(jī)結(jié)構(gòu)的氣體傳感器測(cè)試系統(tǒng)，為我國(guó)氣體傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的研究做出了突出貢獻(xiàn)?！熬盼濉逼陂g，專家組又對(duì)此檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了多方面的改進(jìn)，基于虛擬儀器技術(shù)和相關(guān)原理開(kāi)發(fā)出一種新型氣體傳感器檢測(cè)系統(tǒng)。但是，他們?cè)趹?yīng)用中，不同程度上暴露了的缺點(diǎn)，阻礙了系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣與應(yīng)用。相信，該測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)改進(jìn)后，將以更強(qiáng)的功能、更高的靈活性和性能價(jià)格比的優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)氣體傳感器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，開(kāi)拓其廣闊的應(yīng)用前景。

3 主要?dú)怏w檢測(cè)傳感器

下面簡(jiǎn)要介紹，在空氣質(zhì)量檢測(cè)方面發(fā)揮重要作用的傳感器。

（1）金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器。它利用被測(cè)氣體的吸附作用，來(lái)改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，通過(guò)對(duì)電流變化的比較，激發(fā)報(bào)警電路。它具有反應(yīng)十分靈敏，工作穩(wěn)定，價(jià)格便宜，功耗低，壽命長(zhǎng)，價(jià)位低，應(yīng)用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。廣泛運(yùn)用于測(cè)量氣體的微漏現(xiàn)象。

（2）催化燃燒式傳感器。根據(jù)惠斯通電橋原理，感應(yīng)電阻與所在環(huán)境中的可燃?xì)怏w發(fā)生無(wú)焰燃燒效應(yīng)，溫度值升高改變電阻的阻止，從而打破電橋平衡，通過(guò)相應(yīng)的輸出端口送出穩(wěn)定的電流信號(hào)，其次，再經(jīng)過(guò)后期電路的放大和處理等步驟顯示輸出穩(wěn)定、可靠的數(shù)值。催化燃燒式傳感器具有良好的輸出信號(hào)條形、可靠穩(wěn)定的指數(shù)、便宜的價(jià)格定位、與非可燃?xì)怏w交叉干擾小等特點(diǎn)。

（3）定電位電解式傳感器。此類傳感器廣泛應(yīng)用于出現(xiàn)毒類氣體等現(xiàn)場(chǎng)，是目前使用最為廣泛的一種測(cè)毒方式。定電位電解式傳感器國(guó)外研究、發(fā)展較多，且技術(shù)先進(jìn)。國(guó)內(nèi)研究較少，技術(shù)薄弱。目前使用的相關(guān)傳感器多數(shù)依賴進(jìn)口。定電位電解式氣體傳感器的結(jié)構(gòu)原理可簡(jiǎn)單描述如下：準(zhǔn)備一個(gè)塑料筒狀池，在池中的相應(yīng)位置安裝好工作電極、對(duì)電極及參比電極，講電解液充滿整個(gè)池中，然后使用專用材料做的隔膜半隔開(kāi)電解液，封裝塑料筒的頂部。連接前置放大器和傳感器的電極，并在電極之間施加了一定的電位，保證出現(xiàn)電位

差，此時(shí)傳感器即出于工作狀態(tài)。

（4）迦伐尼電池式氧氣傳感器。工作原理及結(jié)構(gòu)：在塑料容器的一面裝特殊材料制作的透氣膜，該透氣膜應(yīng)該具有良好的對(duì)氧氣通透性，在容器的內(nèi)側(cè)粘有貴金屬材質(zhì)的電極，充當(dāng)陰極。而在容器的另一面的內(nèi)側(cè)或空余的容器部分充當(dāng)陽(yáng)極。當(dāng)流通的氧氣在通過(guò)電解質(zhì)時(shí)，陰極發(fā)生氧化反應(yīng)，陽(yáng)極發(fā)生還原反應(yīng)。陽(yáng)極的金屬被還原離子化，釋放出電子。這就是伽伐尼電池式氧氣傳感器的工作原理。目前，在國(guó)內(nèi)此傳感器及相應(yīng)技術(shù)已成熟，完全可以國(guó)產(chǎn)化此類傳感器。

（5）紅外式傳感器。紅外式傳感器利用各種元素對(duì)某個(gè)特定波長(zhǎng)的吸收原理，具有抗中毒性好，反應(yīng)靈敏的優(yōu)點(diǎn)。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。將裝有該傳感器的產(chǎn)品安裝在家庭或臥室，可以用于測(cè)量空氣中的CO2、溫度、濕度水平，自動(dòng)控制凈化通風(fēng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)保持室內(nèi)優(yōu)良的環(huán)境。

4 結(jié)束語(yǔ)及展望

本文對(duì)氣體傳感器及其測(cè)試技術(shù)加以概述，并分別對(duì)主要的氣體傳感器工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)加以介紹。最后，氣體傳感器、檢測(cè)技術(shù)的研究面臨挑戰(zhàn)。充分利用微機(jī)械與微電子技術(shù)，結(jié)合傳感網(wǎng)技術(shù)和故障診斷技術(shù)，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)出使用范圍廣、普及程度高的新型傳感器是未來(lái)研發(fā)的一大趨勢(shì)。研制能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)多種氣體的全自動(dòng)數(shù)字化智能氣體傳感器將是該領(lǐng)域的重要研究方向。