《气体探测器》PPT课件.ppt

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1、火灾探测与自动报警工程火灾探测与自动报警工程第三章第三章 火灾探测器原理及应用火灾探测器原理及应用3.4 气体探测器气体探测器1气气体体探探测测器器主要内容主要内容p可燃气体和火灾中的气体产物可燃气体和火灾中的气体产物p气体检测的方法与种类气体检测的方法与种类p几种气体传感器及应用几种气体传感器及应用半导体气体传感器半导体气体传感器接触燃烧式气体气敏传感器接触燃烧式气体气敏传感器化学气体传感器化学气体传感器红外吸收式气体传感器红外吸收式气体传感器p三元复合火灾探测三元复合火灾探测2 2气气体体探探测测器器可燃气体和火灾中的气体产物可燃气体和火灾中的气体产物p可燃气体可燃气体石油联合企业、煤矿、

2、化工厂等单位不断发生气石油联合企业、煤矿、化工厂等单位不断发生气体泄漏、爆炸事故，引发火灾，大气污染日趋严体泄漏、爆炸事故，引发火灾，大气污染日趋严重，普通家庭也常有气体中毒事故。为了防止气重，普通家庭也常有气体中毒事故。为了防止气体事故发生，对体事故发生，对CH4等爆炸性气体的检测与控制等爆炸性气体的检测与控制势在必行，因而需要研制检测气体的传感器和研势在必行，因而需要研制检测气体的传感器和研究各类气体的检测方法。究各类气体的检测方法。3 3气气体体探探测测器器可燃气体和火灾中的气体产物可燃气体和火灾中的气体产物p火灾中的气体产物火灾中的气体产物多种多样，如多种多样，如CO2、H2O、CO、

3、气态碳氢化合物、气态碳氢化合物 醇类、酮类、酸类、脂类等醇类、酮类、酸类、脂类等硫化物、卤素化合物硫化物、卤素化合物4 4气气体体探探测测器器可燃气体和火灾中的气体产物可燃气体和火灾中的气体产物pCO和和CO2被被大多数人作大多数人作为火灾的标为火灾的标志气体产物志气体产物5 5气气体体探探测测器器可燃气体和火灾中的气体产物可燃气体和火灾中的气体产物p火灾探测器响应与火灾不同发展阶段的对应关火灾探测器响应与火灾不同发展阶段的对应关系系6 6气气体体探探测测器器气体检测的方法与种类气体检测的方法与种类7 7气气体体探探测测器器气体检测的方法与种类气体检测的方法与种类p火灾气体产物探测的主要原理火

4、灾气体产物探测的主要原理电气方法：电气方法：利用利用半导体气体器件半导体气体器件检测检测光学法：光学法：利用利用气体对光的折射率或光吸收气体对光的折射率或光吸收等特性等特性电化学法：电化学法：利用利用电极和电解液电极和电解液对气体进行检测对气体进行检测p影响气体传感器特性的主要参数影响气体传感器特性的主要参数灵敏度、响应时间、选择性、稳定性灵敏度、响应时间、选择性、稳定性湿度特性、电源电压特性湿度特性、电源电压特性8 8气气体体探探测测器器气体检测的方法与种类气体检测的方法与种类p灵敏度灵敏度元件的阻值变化量与气体浓度变化量之比元件的阻值变化量与气体浓度变化量之比气敏元件对气体的敏感程度；决定

5、测量精度气敏元件对气体的敏感程度；决定测量精度空气中的阻值空气中的阻值R0与在被测气体中的阻值之比与在被测气体中的阻值之比Rp响应时间响应时间从气敏元件与被测气体接触，到气敏元件的阻值从气敏元件与被测气体接触，到气敏元件的阻值达到新的恒定值所需要的时间达到新的恒定值所需要的时间表示气敏元件对一定浓度被测气体的反应速度表示气敏元件对一定浓度被测气体的反应速度9 9气气体体探探测测器器气体检测的方法与种类气体检测的方法与种类p选择性选择性在多种气体共存的条件下，气敏元件区分不同种在多种气体共存的条件下，气敏元件区分不同种类的气体的能力类的气体的能力比如：有检测比如：有检测CO的气敏传感器、有检测瓦

6、斯气体的气敏传感器、有检测瓦斯气体的气敏传感器，它们分别对的气敏传感器，它们分别对CO和瓦斯气体有很好和瓦斯气体有很好的灵敏度的灵敏度很重要的参数，也是应用中的难点之一很重要的参数，也是应用中的难点之一1010气气体体探探测测器器气体检测的方法与种类气体检测的方法与种类p稳定性稳定性气体浓度不变时，若其他条件发生变化，在规定气体浓度不变时，若其他条件发生变化，在规定的时间内，气敏元件输出特性维持不变的能力的时间内，气敏元件输出特性维持不变的能力表示气敏元件对于气体浓度以外的各种因素的抵表示气敏元件对于气体浓度以外的各种因素的抵抗能力抗能力p温度特性温度特性气敏元件灵敏度随温度变化的特性气敏元件

7、灵敏度随温度变化的特性元件自身温度对灵敏度的影响与所用材料有关元件自身温度对灵敏度的影响与所用材料有关环境温度对灵敏度的影响可以通过温度补偿解决环境温度对灵敏度的影响可以通过温度补偿解决1111气气体体探探测测器器气体检测的方法与种类气体检测的方法与种类p湿度特性湿度特性可以用湿度补偿解决可以用湿度补偿解决p电源电压特性电源电压特性需采用恒压源改善传感器的电源电压特性需采用恒压源改善传感器的电源电压特性1212气气体体探探测测器器半导体气体传感器半导体气体传感器1313气气体体探探测测器器半导体气体传感器半导体气体传感器p半导体气体传感器，是利用半导体气敏元件半导体气体传感器，是利用半导体气敏

8、元件同气体接触，造成半导体性质发生变化，借同气体接触，造成半导体性质发生变化，借此检测特定气体的成份或测量其浓度此检测特定气体的成份或测量其浓度1414气气体体探探测测器器半导体气体传感器半导体气体传感器p分类分类电阻式电阻式：用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制：用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制作的敏感元件，利用其阻值的变化来检测气体的作的敏感元件，利用其阻值的变化来检测气体的浓度浓度非电阻式非电阻式：利用二极管的整流作用及场效应管特：利用二极管的整流作用及场效应管特性性1515气气体体探探测测器器半导体气体传感器半导体气体传感器p1.表面控制型电阻式传感器表面控制型电阻式传感器利用半导体表

9、面吸附气体引起半导体元件电阻值利用半导体表面吸附气体引起半导体元件电阻值变化的特性变化的特性制成的传感器制成的传感器检测对象：主要是可燃性气体，检测对象：主要是可燃性气体，吸附力很强时，吸附力很强时，也可以检测非可燃性气体也可以检测非可燃性气体优点：检测灵敏度高、响应速度快、实用价值大优点：检测灵敏度高、响应速度快、实用价值大材料：氧化锡和氧化锌等材料：氧化锡和氧化锌等难还原的氧化物难还原的氧化物，也有，也有用有机半导体材料。同时需要掺入少量的贵重金用有机半导体材料。同时需要掺入少量的贵重金属作为激活剂。掺入贵金属的目的属作为激活剂。掺入贵金属的目的增强气体选择性增强气体选择性提高灵敏度提高灵

10、敏度1616气气体体探探测测器器半导体气体传感器半导体气体传感器p1.表面控制型电阻式传感器表面控制型电阻式传感器敏感元件的阻值敏感元件的阻值R与空气中被测气体的浓度与空气中被测气体的浓度C成对成对数关系变化数关系变化m：气体分离率，传感器的灵敏度：气体分离率，传感器的灵敏度n：与材料和气体种类有关，还与温度和激活剂有关：与材料和气体种类有关，还与温度和激活剂有关1717气气体体探探测测器器半导体气体传感器半导体气体传感器p1.表面控制型电阻式传感器表面控制型电阻式传感器工作原理工作原理如果半导体表面吸附有气体，则半导体和如果半导体表面吸附有气体，则半导体和吸附的气体之间会有电子的施受发生，造

11、吸附的气体之间会有电子的施受发生，造成电子迁移，从而形成表面电荷层。如果成电子迁移，从而形成表面电荷层。如果吸附了像氧气这类吸附了像氧气这类电子复合量大电子复合量大的气体后，的气体后，半导体表面就会丢失电子，被吸附的氧气半导体表面就会丢失电子，被吸附的氧气所俘获（负电荷吸附）所俘获（负电荷吸附）与被测气体进行反应时，被氧气与被测气体进行反应时，被氧气俘获的电子释放出来，半导体的俘获的电子释放出来，半导体的电阻就减小电阻就减小实质实质：将传感器的表面作为一种催化剂，使氢气和一氧化碳触媒燃烧。支配传：将传感器的表面作为一种催化剂，使氢气和一氧化碳触媒燃烧。支配传感器阻值增减的是氧气吸附，可理解为可

12、燃性气体能起到改变其浓度的作用。感器阻值增减的是氧气吸附，可理解为可燃性气体能起到改变其浓度的作用。这种半导体表面触媒燃烧存在着这种半导体表面触媒燃烧存在着气体检测灵敏度与气体的易燃性成正比气体检测灵敏度与气体的易燃性成正比的倾向的倾向1818气气体体探探测测器器半导体气体传感器半导体气体传感器p2.体控制型电阻式传感器体控制型电阻式传感器将材料的体电阻随某种气体的浓度发生变化的传将材料的体电阻随某种气体的浓度发生变化的传感器感器应用最多的是应用最多的是Fe2O3，TiO2等氧化物半导体气敏等氧化物半导体气敏元件元件发动机、锅炉等，为了达到节省能源、并净化排出气体的目的，发动机、锅炉等，为了达

13、到节省能源、并净化排出气体的目的，需要对空气燃料比进行控制，可以采用气体传感器来检测排出气需要对空气燃料比进行控制，可以采用气体传感器来检测排出气体中的氧气分压，从而控制空气燃料比。但是为了防止不完全燃体中的氧气分压，从而控制空气燃料比。但是为了防止不完全燃烧和误点火，最好用检测不完全燃烧气体的方法烧和误点火，最好用检测不完全燃烧气体的方法1919气气体体探探测测器器半导体气体传感器半导体气体传感器p应用应用2020气气体体探探测测器器接触燃烧式气敏传感器接触燃烧式气敏传感器2121气气体体探探测测器器接触燃烧式气敏传感器接触燃烧式气敏传感器p1.气敏元件的检测原理与结构气敏元件的检测原理与结

14、构基本原理：可燃性气体与空气中的氧接触，发生基本原理：可燃性气体与空气中的氧接触，发生燃烧反应，产生反应热，使得作为敏感材料的铂燃烧反应，产生反应热，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，具有正的温度系数的金属铂的电阻丝温度升高，具有正的温度系数的金属铂的电阻值相应增加，并且在温度不太高时，电阻率与温值相应增加，并且在温度不太高时，电阻率与温度的关系具有良好的线性关系度的关系具有良好的线性关系铂电阻值的增大量与可燃性气体浓度成正比；为铂电阻值的增大量与可燃性气体浓度成正比；为了提高其响应特性，延长使用寿命，可以涂一层了提高其响应特性，延长使用寿命，可以涂一层氧化物触媒氧化物触媒2222气气体体探探测

15、测器器接触燃烧式气敏传感器接触燃烧式气敏传感器p工作时需要通电流，并保持工作时需要通电流，并保持300-600度高温度高温2323气气体体探探测测器器接触燃烧式气敏传感器接触燃烧式气敏传感器p金属丝温度升高，电阻值增大金属丝温度升高，电阻值增大2424气气体体探探测测器器接触燃烧式气敏传感器接触燃烧式气敏传感器p2.气敏元件的工作特性气敏元件的工作特性输出信号与浓度大小输出信号与浓度大小成线性关系成线性关系2525气气体体探探测测器器接触燃烧式气敏传感器接触燃烧式气敏传感器p接触燃烧式气体传感器的长期稳定性及其寿命接触燃烧式气体传感器的长期稳定性及其寿命与触媒的寿命密切相关，触媒的寿命又与敏感

16、与触媒的寿命密切相关，触媒的寿命又与敏感元件的工作温度、空气中的粉尘和烟雾等有害元件的工作温度、空气中的粉尘和烟雾等有害物质的浓度、空气中是否存在能使触媒出现物质的浓度、空气中是否存在能使触媒出现“中毒中毒”现象的气体如现象的气体如SO2等因素有关等因素有关p工作温度越低越好，以提高其长期稳定性。为工作温度越低越好，以提高其长期稳定性。为了减轻空气中粉尘和烟雾等危害，可以设置过了减轻空气中粉尘和烟雾等危害，可以设置过滤器等装置。用混合触媒可以提高稳定性以及滤器等装置。用混合触媒可以提高稳定性以及敏感元件的选择性敏感元件的选择性2626气气体体探探测测器器化学气体传感器化学气体传感器2727气气

17、体体探探测测器器电化学气体传感器电化学气体传感器p半导体气体传感器的原理是检测无机半导体膜吸附气半导体气体传感器的原理是检测无机半导体膜吸附气体时发生反应引起的电阻值变化，实际上，大多数体时发生反应引起的电阻值变化，实际上，大多数半导体材料对气体的吸附反应都不具有识别分子或半导体材料对气体的吸附反应都不具有识别分子或官能团的特异性，所以，对官能团的特异性，所以，对气体的选择性差，且一气体的选择性差，且一般需要在般需要在300300以上的工作温度中，需要加热装置以上的工作温度中，需要加热装置p接触燃烧式气体传感器接触燃烧式气体传感器对气体的选择性有所提高，但对气体的选择性有所提高，但在一定场合对

18、特定气体的选择性仍然较差在一定场合对特定气体的选择性仍然较差。p电化学传感器采用检测气体在电极上的反应对气体进电化学传感器采用检测气体在电极上的反应对气体进行识别检测，其特点是体积小、耗电小、线性和重行识别检测，其特点是体积小、耗电小、线性和重复性较好、寿命较长。复性较好、寿命较长。2828气气体体探探测测器器电化学气体传感器电化学气体传感器p恒电位电解式气体传感器恒电位电解式气体传感器对特定气体来说，设定电位由其固对特定气体来说，设定电位由其固有的氧化还原电位决定，但又随电有的氧化还原电位决定，但又随电解时，作用电极的材质、电解质的解时，作用电极的材质、电解质的种类不同而变化种类不同而变化电

19、极与电解质溶液的界面保持一定电极与电解质溶液的界面保持一定电位进行电解，通过改变其设定电电位进行电解，通过改变其设定电位，有选择的使气体进行氧化或还位，有选择的使气体进行氧化或还原，从而能定量检测各种气体原，从而能定量检测各种气体原理原理2929气气体体探探测测器器电化学气体传感器电化学气体传感器p电解电流和气体浓度的关系电解电流和气体浓度的关系在同一传感器中，在同一传感器中，n、F、A、D 及及 是一定的，所以电解电是一定的，所以电解电流与气体浓度成正比流与气体浓度成正比3030气气体体探探测测器器电化学气体传感器电化学气体传感器pCO检测检测3131气气体体探探测测器器红外吸收式气体传感器

20、红外吸收式气体传感器3232气气体体探探测测器器红外吸收式气体传感器红外吸收式气体传感器p物质分子可以吸收一定光谱的红外线物质分子可以吸收一定光谱的红外线p利用观察样品物质对不同波长红外光的吸收程利用观察样品物质对不同波长红外光的吸收程度，进行研究物质分子的组成和结构的方法，度，进行研究物质分子的组成和结构的方法，称为红外分子吸收光谱法，简称红外吸收光谱称为红外分子吸收光谱法，简称红外吸收光谱法或红外光谱法法或红外光谱法p红外吸收式气体传感器的原理：红外吸收式气体传感器的原理：对气体照射红外光，则分子的动能发生变化，吸收对气体照射红外光，则分子的动能发生变化，吸收特定波长光，这种特定波长光由分

21、子结构决定，因特定波长光，这种特定波长光由分子结构决定，因此可由该吸收频谱判别分子种类，由吸收的强弱可此可由该吸收频谱判别分子种类，由吸收的强弱可测得气体浓度测得气体浓度Lambert-Beer定律定律3333气气体体探探测测器器红外吸收式气体传感器红外吸收式气体传感器气体在特定波长上的吸收度（入射光强与出气体在特定波长上的吸收度（入射光强与出射光强之比的对数）与吸收路径及气体浓度射光强之比的对数）与吸收路径及气体浓度成正比关系成正比关系设当光强为设当光强为 的红外光透过一光学路径为的红外光透过一光学路径为L L、光谱吸收、光谱吸收系数为系数为 的均匀介质后，其透过光强的均匀介质后，其透过光强

22、 可表示为：可表示为：3434气气体体探探测测器器红外吸收式气体传感器红外吸收式气体传感器工作过程工作过程：信号探测部分主要由发射器、探测室和接受器组成，信号探测部分主要由发射器、探测室和接受器组成，在正常情况下，发射器发送检测气体对应特定吸收波在正常情况下，发射器发送检测气体对应特定吸收波长的脉冲红外光束，经过气体探测室照射到接收器的长的脉冲红外光束，经过气体探测室照射到接收器的光敏元件上。探测室可做成吸收式以提高传感器的灵光敏元件上。探测室可做成吸收式以提高传感器的灵敏度并缩短响应时间。当检测气体进入探测室，接收敏度并缩短响应时间。当检测气体进入探测室，接收器接收经由检测室气体吸收衰减的红

23、外辐射能量，从器接收经由检测室气体吸收衰减的红外辐射能量，从而由红外特征波长得知气体的种类，由气体吸收红外而由红外特征波长得知气体的种类，由气体吸收红外光束能量的强弱得知气体的浓度光束能量的强弱得知气体的浓度灵敏度高、气体选择性好、可靠性好、响应速度快灵敏度高、气体选择性好、可靠性好、响应速度快3535气气体体探探测测器器红外吸收式气体传感器红外吸收式气体传感器3636气气体体探探测测器器红外吸收式气体传感器红外吸收式气体传感器p双波段线型红外可燃气体探测器双波段线型红外可燃气体探测器在监测过程中，任何环境因素的影响对两个波段光强的影响作在监测过程中，任何环境因素的影响对两个波段光强的影响作用

24、是一样的，从而在实际上抵消了大气环境等变化因素的影响用是一样的，从而在实际上抵消了大气环境等变化因素的影响3737气气体体探探测测器器气体检测方法比较气体检测方法比较不同气体检测方法的特性比较不同气体检测方法的特性比较3838气气体体探探测测器器三元复合火灾探测三元复合火灾探测3939气气体体探探测测器器三元复合火灾探测三元复合火灾探测p任何一种单一传感元件的火灾探测器都难以任何一种单一传感元件的火灾探测器都难以实现对各种火灾的有效探测，由于感烟、感实现对各种火灾的有效探测，由于感烟、感温及气体探测分别对应于不同火灾的不同发温及气体探测分别对应于不同火灾的不同发展阶段，因此将这三种火灾探测技术

25、结合，展阶段，因此将这三种火灾探测技术结合，形成复合探测技术，可以相互取长补短，既形成复合探测技术，可以相互取长补短，既实现早期火灾探测，又能提高探测系统的灵实现早期火灾探测，又能提高探测系统的灵敏度与可靠性敏度与可靠性4040气气体体探探测测器器三元复合火灾探测三元复合火灾探测p光电感烟和感温探测火灾的技术已经相对成光电感烟和感温探测火灾的技术已经相对成熟，可燃气体探测技术也起步较早，因此将熟，可燃气体探测技术也起步较早，因此将感烟、感温探测技术与火灾气体探测技术相感烟、感温探测技术与火灾气体探测技术相结合，实现火灾复合探测技术，具有实际可结合，实现火灾复合探测技术，具有实际可行性行性414

26、1气气体体探探测测器器三元复合火灾探测三元复合火灾探测p对比半导体气体传感器、感烟探测器、光电对比半导体气体传感器、感烟探测器、光电探测器和离子探测器，并把复合探测器与感探测器和离子探测器，并把复合探测器与感烟探测器的试验结果作了比较，结果复合探烟探测器的试验结果作了比较，结果复合探测器能正确无误地判别有焰火，探测阴燃火测器能正确无误地判别有焰火，探测阴燃火的概率也比感烟探测器高，总体误报率降低的概率也比感烟探测器高，总体误报率降低了了10%。不仅如此，实验还表明复合探测器。不仅如此，实验还表明复合探测器探测有焰火比感烟探测器探测有焰火平均时探测有焰火比感烟探测器探测有焰火平均时间缩短了间缩短

27、了57%，探测阴燃火比感烟探测器平，探测阴燃火比感烟探测器平均时间缩短了均时间缩短了30%4242气气体体探探测测器器三元复合火灾探测三元复合火灾探测pOppelt等人利用等人利用CO电化学传感器与光电感烟、电化学传感器与光电感烟、感温探测器，对欧洲标准火及香烟等干扰源的感温探测器，对欧洲标准火及香烟等干扰源的烟雾散射信号、温度及烟雾散射信号、温度及CO信号进行了测定信号进行了测定4343气气体体探探测测器器三元复合火灾探测三元复合火灾探测p复合型探测器算法是其主要关键技术，对于复合型探测器算法是其主要关键技术，对于CO、光电感烟和感温复合探测器，、光电感烟和感温复合探测器，采用一般采用一般的门限比较方法进行火灾判断显然不能满足实的门限比较方法进行火灾判断显然不能满足实际应用需要，因此引入了多输入变量的复合偏际应用需要，因此引入了多输入变量的复合偏置滤波算法。这种算法将单输入的偏置滤波算置滤波算法。这种算法将单输入的偏置滤波算法扩展到了多输入的条件，法扩展到了多输入的条件，采用滤波器将多采用滤波器将多种火灾信号特征如烟雾信号、种火灾信号特征如烟雾信号、CO气体信号、气体信号、温度信号实现综合，因而提高了火灾探测效率温度信号实现综合，因而提高了火灾探测效率及可靠性。及可靠性。4444