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1、本科生畢業(yè)設計文獻綜述題目汽車尾氣在線監(jiān)測的設計與實現(xiàn)專業(yè)班級姓名指導教師 所在學院 2011年11月11前言隨著石油、化工、煤炭、汽車等工業(yè)部門的迅速發(fā)展,人們在生活或工業(yè)中排放出的氣體種類和數(shù)量也日益增多，形形色色的氣體傳感器深入各行各業(yè)。氣體傳感器，一種將氣體（一般指空氣）中含有的特定氣體（即待測氣體）以適當?shù)碾娦盘枡z測或定量的器件，人們根據(jù)這些傳感器產生電氣信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況有關的信息,從而可以進行檢測、監(jiān)控、報警;還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制、報警系統(tǒng)。隨著它功能性的強大，人們也越來越離不開
2、它。一、氣體傳感器的分類和工作原理氣體傳感器主要有半導體傳感器（電阻型和非電阻型）、絕緣體傳感器（接觸燃燒式和電容式）、電化學式（恒電位電解式、伽伐尼電池式等），還有紅外吸收型、石英振蕩型、光纖型、熱傳導型、聲表面波型、氣體色譜法等[1]。1、半導體氣敏傳感器是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應導致敏感元件阻值變化而制成的。半導體氣敏器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)下,當氣體接觸器件表面而被吸附時,吸附分子首先在表面自由地擴散(物理吸附),失去其運動能量,其間的一部分分子蒸發(fā),殘留分子產生熱分解而固定在吸附處(化學吸附)。當半導體的功函數(shù)小于吸附分子的電
3、子親和力,則吸附分子將從器件奪取電子而變成負離子吸附。具有負離子吸附傾向的氣體有O2和NO211,稱為氧化性氣體或電子接收性氣體。當器件的功函數(shù)大于吸附分子的離解能,吸附分子將向器件釋放電子,而成為正離子吸附。具有這種正離子吸附傾向的氣體有H2、CO、碳氫化合物和酒類等,稱為還原性氣體或電子供給性氣體。當氧化型氣體吸附到N型半導體（SnO2，ZnO，TiO等)上，還原型氣體吸附到P型半導體(MoO2、CrO3等)上時，將使半導體載流子減少，而使電阻值增大。當還原型氣體吸附到N型半導體上，氧化型氣體吸附到P型半導體上時，則載流子增多，使半導體電阻
4、值下降[2]。圖1表示了氣體接觸N型半導體時所產生的器件阻值變化情況。半導體氣敏元件分為電阻型和非電阻型。圖1N型半導體吸附氣體時器件阻值的變化圖2、絕緣體氣體傳感器分為接觸燃燒式和電容式。電容式氣體傳感器的工作原理是根據(jù)敏感材料吸附氣體后其介電常數(shù)發(fā)生改變導致電容的變化。接觸燃燒式氣體傳感器[3]的檢測原理是可燃性氣體(H2、CO、CH4等)與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化反應，產生反應熱(無焰接觸燃燒熱)，使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應增大。空氣中可燃性氣體濃度愈大，氧化反應(燃燒)產生的反應熱量(燃燒熱)愈多，鉑絲的溫度變化(增高)
5、愈大，其電阻值增加的就越多。因此，只要測定作為敏感件的鉑絲的電阻變化值(ΔR)，11就可檢測空氣中可燃性氣體的濃度。但在實際應用中，為了延長其使用壽命，提高檢測元件的響應特性，鉑絲圈外面都會涂覆一層氧化物觸媒。接觸燃燒式氣體敏感元件的橋式電路如圖2所示：圖2接觸燃燒式氣體傳感器的檢測電路接觸燃燒式氣體傳感器普遍適用于石油化工廠、造船廠、礦井隧道和浴室廚房的可燃性氣體的監(jiān)測和報警。該傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對處于爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進行檢測。3、電化學式氣體傳感器，主要利用兩個電極之間的化學電位差，一個在氣體中測量氣體濃度，另一個
6、是固定的參比電極，使所測的氣體進行氧化或者還原，測量氣體電解時產生的電流，然后推算出氣體的濃度[4]。4、紅外吸收型傳感器，當紅外光通過待測氣體時，這些氣體分子對特定波長的紅外光有吸收，其吸收關系服從朗伯—比爾）吸收定律，通過光強的變化測出氣體的濃度：式中，αm—摩爾分子吸收系數(shù)；C—氣體濃度；L—光和氣體的作用長度；β—瑞利散射系數(shù)；γ—米氏散射系數(shù)；δ—氣體密度波動造成的吸收系數(shù)；I0、I—分別是輸入輸出光強[5]。5、聲表面波傳感器的關鍵是SAW11振蕩器，它由壓電材料基片和沉積在基片上不同功能的叉指換能器所組成，由延遲型和振子型兩種振蕩
7、器。SAW傳感器自身固有一個振蕩頻率，當外界待測量變化時，會引起振蕩頻率的變化，從而測出氣體濃度?？傊?，半導體式的傳感器靈敏度高，構造與電路簡單，但輸出與氣體濃度不成比例；接觸燃燒式的輸出與氣體濃度成比例，但靈敏度較低；化學反應式的氣體選擇性好，但不能重復使用；紅外吸收型的能定性測量，但裝置大，價格高等。一、氣體傳感器的發(fā)展氣體傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了大致四個階段：第一階段：1962年以前是氣體傳感器研究的孕育階段。此階段中，通過對氧化物半導體表面特性的深入研究，發(fā)現(xiàn)了氧化物半導體對氣體具有敏感性。第二階段：1962年～1967年，氣體傳感器的探索階
8、段。首先是在1962年，日本九州工業(yè)大學清山哲郎等人對及薄膜的氣敏特性進行了開創(chuàng)性的研究，首次研制成功氧化鋅薄膜氣敏元件；到了1967年，美國的P.J
