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气体传感器原理简介及PM2.5检测原理

工程师
2013-02-28 16:51:00    评分

最近PM2.5含量大部分城市超标,环境、空气污染的报道比比皆是,那就来看看各种气体检测传感器是什么原理吧!

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。


 早在上个世纪70年代,气体传感器就已经成为传感器领域一个大系,属于化学传感器一个分支。目前流行于市场气体传感器大约有如下一些种类: 

 
1、催化燃烧式气体传感器
   这种传感器是白金电阻表面制备耐高温催化剂层,一定温度下,可燃性气体其表面催化燃烧,燃烧是白金电阻温度升高,电阻变化,变化值是可燃性气体浓度函数。
   催化燃烧式气体传感器选择性检测可燃性气体:凡是可以燃烧,都能够检测;凡是不能燃烧,传感器都没有任何响应。当然,『凡是可以燃烧,都能够检测』这一句有很多例外,,总来讲,上述选择性是成立。
   催化燃烧式气体传感器计量准确,响应快速,寿命较长。传感器输出与环境爆炸危险直接相关,安全检测领域是一类主导位传感器。
   缺点:可燃性气体范围内,无选择性。暗火工作,有引燃爆炸危险。大部分元素有机蒸汽对传感器都有中毒作用。


   目前这种传感器主要供应商中国、日本、英国(发明国)!目前中国是这种传感器最大用户(煤矿),也拥有最佳传感器生产技术,尽管不断有各种各样代理商宣传上干扰社会对这种传感器认识,毕竟,催化燃烧式气体传感器主流制造商国内。
  
2、半导体式气体传感器
   它是利用一些金属氧化物半导体材料,一定温度下,电导率环境气体成份变化而变化原理制造。比如,酒精传感器,就是利用二氧化锡高温下遇到酒精气体时,电阻会急剧减小原理制备。
   半导体式气体传感器可以有效用于:甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、酒精、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙炔、氯乙烯、苯乙烯、丙烯酸等很多气体检测。尤其是,这种传感器成本低廉,适宜于民用气体检测需求。
   下列几种半导体式气体传感器是成功:甲烷(天然气、沼气)、酒精、一氧化碳(城市煤气)、硫化氢、氨气(包括胺类,肼类)。高质量传感器可以满足工业检测需要。
   缺点:稳定性较差,受环境影响较大;尤其,每一种传感器选择性都唯一,输出参数能确定。不宜应用于计量准确要求场所。


   目前这种传感器主要供应商日本(发明者),其次是中国,最近有新加入了韩国,其他国家如美国这方面也有相当工作,始终没有汇入主流!中国这个领域投入人力和时间都不亚于日本,多年来国家政策导向以及社会信息闭塞等原因,我国流行于市场半导体式气体传感器性能质量都远逊于日本产品,相信,市场进步,民营资本进一步兴起,中国产半导体式气体传感器达到和超越日本水平已经指日可待!
  
3电化学式气体传感器
   相当一部分可燃性、有毒有害气体都有电化学活性,可以被电化学氧化还原。利用这些反应,可以分辨气体成份、检测气体浓度。电化学气体传感器分很多子类:
   (1)、原电池型气体传感器(也称:加伏尼电池型气体传感器,也有称燃料电池型气体传感器,也有称自发电池型气体传感器),他们原理行同我们用干电池,,电池碳锰电极被气体电极替代了。以氧气传感器为例,氧阴极被还原,电子电流表流到阳极,那里铅金属被氧化。电流大小与氧气浓度直接相关。这种传感器可以有效检测氧气、二氧化硫、氯气等。
   (2)、恒定电位电解池型气体传感器,这种传感器用于检测还原性气体非常有效,它原理与原电池型传感器不一样,它电化学反应是电流强制下发生,是一种真正库仑分析传感器。这种传感器已经成功用于:一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气、肼、等气体检测之中,是目前有毒有害气体检测主流传感器。
   (3)、浓差电池型气体传感器,具有电化学活性气体电化学电池两侧,会自发形成浓差电动势,电动势大小与气体浓度有关,这种传感器成功实例就是汽车用氧气传感器、固体电解质型二氧化碳传感器。
   (4)、极限电流型气体传感器,有一种测量氧气浓度传感器利用电化池中极限电流与载流子浓度相关原理制备氧(气)浓度传感器,用于汽车氧气检测,和钢水中氧浓度检测。

目前这种传感器主要供应商遍布全世界,主要德国、日本、美国,最近新加入几个欧洲供应商:英国、瑞士等。中国这个领域起步很早,产业化进程效果不佳。
    
4、热导池式气体传感器
   每一种气体,都有自己特定热导率,当两个和多个气体热导率差别较大时,可以利用热导元件,分辨其中一个组分含量。这种传感器已经传感器用于氢气检测、二氧化碳检测、高浓度甲烷检测。
   这种气体传感器可应用范围较窄,限制因素较多。
  
   这是一种老式产品,全世界各都有制造商。产品质量全世界大同小异。

5、磁性氧气传感器
   这是磁性氧气分析仪核心,目前也已经实现了传感器化进程。
   它是利用空气中氧气可以被强磁场吸引原理制备。
   这种传感器只能用于氧气检测,选择性极好。大气环境中氮氧化物能够产生微小影响,这些干扰气体含量往往很少,,磁氧分析技术选择性几乎是唯一!
  
   老牌工业产品,全世界各都有制造商。(当然我说是作为一次仪表氧气分析仪,它一定范围内可以被看作传感器。而以纯粹传感器形式生产这种产品,是最近事情。)
  
6、 红外线气体传感器
   大部分气体中红外区都有特征吸收峰,检测特征吸收峰位置吸收情况,就可以确定某气体浓度。
   这种传感器过去都是大型分析仪器,近些年,以MEMS技术为基础传感器工业发展,这种传感器体积已经由10升,45公斤巨无霸,减小到2毫升(拇指大小)左右。使用无需调制光源红外探测器使仪器完全没有机械运动部件,完全实现免维护化。
   红外线气体传感器可以有效分辨气体种类,准确测定气体浓度。
   这种传感器成功用于:二氧化碳、甲烷检测。


   目前这种传感器供应商欧洲!中国这一领域目前是空白!

7、 PM2.5检测

PM2.5属于大气颗粒,并不为实际的气体,我国目前对大气颗粒物的测定主要采用重量法。

7.1  重量法,

其原理是分别通过一定切割特征的采样器,以恒速抽取定量体积空气,使环境空气中的PM2.5PM10被截留在已知质量的滤膜上,根据采样前后滤膜的质量差和采样体积,计算出PM2.5PM10的浓度。

7.2  微量振荡天平法

基于重量法的微量振荡天平法在质量传感器内使用一个振荡空心锥形管,在其振荡端安装可更换的滤膜,振荡频率取决于锥形管特征和其质量。当采样气流通过滤膜,其中的颗粒物沉积在滤膜上,滤膜的质量变化导致振荡频率的变化,通过振荡频率变化计算出沉积在滤膜上颗粒物的质量,再根据流量、现场环境温度和气压计算出该时段颗粒物标志的质量浓度。

7.3  Beta射线法/β射线法 

Beta射线仪则是利用Beta射线衰减的原理,环境空气由采样泵吸入采样管,经过滤膜后排出,颗粒物沉淀在滤膜上,当β射线通过沉积着颗粒物的滤膜时,Beta射线的能量衰减,通过对衰减量的测定便可计算出颗粒物的浓度。


   另外,以光导纤维为基础光学传感器发展迅猛,尽管还没有对电子传感器构成绝对威胁,其特有优势,或许有一天大放异彩。




关键词: 传感器     PM2.5     大气污染     气体检测    

工程师
2013-03-01 17:33:41    评分
2楼
这个我在新闻里面看过的。

专家
2013-03-02 09:19:47    评分
3楼
学习了。似乎还有超声波检测法,不懂原理。

工程师
2013-03-02 23:36:23    评分
4楼

对啊,超声波检测法,超声波在不同气体里的传播速度是不一样的,但温度对超声波波速的影响也比较大,补偿下温度应该可以的。

可以用超声波测气体流量。


高工
2013-03-03 00:00:39    评分
5楼

学习啦 !!


菜鸟
2013-03-03 16:32:08    评分
6楼
不明白原理

菜鸟
2013-03-04 06:26:40    评分
7楼
说了这么一大篇,大部分不是针对pm2.5的。pm2.5主要是物理量,1-5与pm2.5基本无关。

工程师
2013-03-04 09:24:02    评分
8楼
主要是讲大气污染的相关的气体检测原理,PM2.5只是大气污染中的一种,其它还有CO等有毒可燃气体

助工
2013-03-05 14:13:59    评分
9楼
可以但就PM2.5做个专题,讲讲其中原理,并附上图片,我们能更容易理解。期待楼主的新作。O(∩_∩)O~

菜鸟
2013-03-06 17:20:05    评分
10楼
辛苦了    ~

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