本 科 生 毕 业 设 计
文 献 综 述
题 目 汽车尾气在线监测的设计与实现 专 业 班 级 姓 名 指导教师 所在学院 2011年11月
前 言
随着石油、化工、煤炭、汽车等工业部门的迅速发展,人们在生活或工业中排放出的气体种类和数量也日益增多，形形色色的气体传感器深入各行各业。气体传感器，一种将气体（一般指空气）中含有的特定气体（即待测气体）以适当的电信号检测或定量的器件，人们根据这些传感器产生电气信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息,从而可以进行检测、监控、报警;还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制、报警系统。随着它功能性的强大，人们也越来越离不开它。
一、气体传感器的分类和工作原理
气体传感器主要有半导体传感器（电阻型和非电阻型）、绝缘体传感器（接触燃烧式和电容式）、电化学式（恒电位电解式、伽伐尼电池式等），还有红外吸收型、石英振荡型、光纤型、热传导型、声表面波型、气体色谱法等[1]。
1、半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。半导体气敏器件被加热到稳定状态下,当气体接触器件表面而被吸附时,吸附分子首先在表面自由地扩散(物理吸附),失去其运动能量,其间的一部分分子蒸发,残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附)。当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力,则吸附分子将从器件夺取电子而变成负离子吸附。具有负离子吸附倾向的气体有O2和NO2,称为氧化性气体或电子接收性气体。当器件的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器件释放电子,而成为正离子吸附。具有这种正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和酒类等,称为还原性气体或电子供给性气体。当氧化型气体吸附到N型半导体（SnO2，ZnO，TiO等)上，还原型气体吸附到P型半导体(MoO2、CrO3等)上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降[2]。图1表示了气体接触N型半导体时所产生的器件阻值变化情况。半导体气敏元件分为电阻型和非电阻型。
图1 N型半导体吸附气体时器件阻值的变化图
2、绝缘体气体传感器分为接触燃烧式和电容式。电容式气体传感器的工作原理是根据敏感材料吸附气体后其介电常数发生改变导致电容的变化。接触燃烧式气体传感器[3]的检测原理是可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)愈多，铂丝的温度变化(增高)愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(ΔR)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。但在实际应用中，为了延长其使用寿命，提高检测元件的响应特性，铂丝圈外面都会涂覆一层氧化物触媒。接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图2所示：
图2 接触燃烧式气体传感器的检测电路
接触燃烧式气体传感器普遍适用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道和浴室厨房的可燃性气体的监测和报警。该传感器在环境温度下非常稳定，并能对处于爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测。
3、电化学式气体传感器，主要利用两个电极之间的化学电位差，一个在气体中测量气体浓度，另一个是固定的参比电极，使所测的气体进行氧化或者还原，测量气体电解时产生的电流，然后推算出气体的浓度[4]。
4、红外吸收型传感器，当红外光通过待测气体时，这些气体分子对特定波长的红外光有吸收，其吸收关系服从朗伯—比尔）吸收定律，通过光强的变化测出气体的浓度：