新型传感器作业.docx

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新型传感器作业

电化学气体传感器

摘要：

由于现代科技进步和工业的发展，工业中产生的各种废气散发的有毒气体对人们的生活造成了巨大危害。

因此，对有毒有害气体进行定性定量检测,与时了解环境中的有毒有害气体的信息，对于实现空气净化设备的智能化控制具有十分重要的意义。

本文设计了一个基于无线传感器的有毒气体监测网络，采用多种电化学气体传感器采集信号，然后利用无线传感网络进行数据收发和处理，从而实现了在线检测空气中的有毒气体浓度。

整个系统的功能具有集成化、体积小、容易与后续处理设备集成并实现智能控制。

本文主要介绍了气体传感器其现状和发展趋势以与特性、系统的整体构成、工作原理、传感器的选择，无线传感器网络的构建等。

关键词：

有毒气体监测；无线传感器网络；电化学传感器

前言

随着电子信息技术的发展，现代工业蓬勃发展，人们的生活水平越来越高。

现代工业的发展一方面为人类创造出巨大的财富，另一方面却给生态环境带来了严重的污染。

工业生产中使用的气体原料和在生产过程中产生的气体的种类和数量随着工业的发展而越来越多。

这些气体中有毒性气体和可燃性气体，它们不仅污染环境，而且有产生爆炸、火灾以与使人中毒的危险。

在人们生活方面，天然气、液化气的推广普与，热水器的应用，给人们带来了很大的方便，但是也因此引发了不少煤气泄漏、爆炸事件。

我们必须对这些气体做出迅速准确的检测和向人们发出危险警报，确保人们生命和财产的安全，而气体传感器正是能够定性定量地检测出这些气体并发出警报的装置，气体传感器已经成为现代生活必不可少的一种电子设备。

无论是在工业生产还是家居生活中，人们广泛地应用各种各样的气体传感器。

气体传感器能够实时对各种气体进行检测和分析，通过多年的研究发展，具有较好的稳定性和选择性等优点；加上微电子、微加工技术和自动化、智能化技术的迅速发展，使得气体传感器体积变小、价格低廉、使用方便，因此它在军事、医学、交通、环保、质检、防伪、家居等领域得到了广泛的应用。

一、气体传感器的现状和发展趋势

1.1气体传感器的现状

在工业发达国家，如美国、日本、英国、德国等，气体传感器均己发展成为高新技术产业，具有产品系列化、生产规模化、工艺技术先进、结构形式多样、应用电路先进、应用X围广泛等特点。

我国近20多年来，经过科技攻关，气敏元件与气体传感器的制造技术有了很大的进步，在设计、关键工艺、可靠性、产品开发等方面均有不同程度的突破与创新。

气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持，国内己有一定的基础。

在研究方面，随着改革开放的深入，今年来我国在气体传感器材料开发、元器件的制造工艺、结构设计与检测气体选择性等方面都有了新的发展，主要表现在烧结型气体敏感元件的工艺有了新的改进，表面参杂、表面覆膜、表面制作催化剂反应层和隔离层等表面修饰方法被引入到传统的烧结型元件中，改进了元件的性能。

但在先进技术方面，我国的整体水平与国外发达国家相比仍有较大差距。

主要表现在核心制造技术严重滞后于国外，国内产品质量不高；在研究的广度和深度上差距也较大；产品品种不全、规格少，新品欠缺；科技创新差，拥有自主知识产权的产品少；而且人才资源匮乏，产业发展不足，统筹规划不足，投资力度不够。

总的看来，我国气体传感器与其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，必须加快气体传感器的发展，使其更广泛的应用到工业生产和人们人日常生活中去。

1.2气体传感器发展趋势

目前，国内外对气体传感器的研究非常活跃，跟其他传感器一样，特别是在新材料、新结构等方面的研究进展很快，其发展趋势集中表现为：

（1）开发新的气敏材料，应用新材料、新工艺技术，并通过控制材料的微细结构，研制出新型的气体传感器，使其具有更短的响应时间，更高的灵敏度和更好的选择性。

（2）进一步结合计算机技术，使气体传感器实现智能化和网络化，研制开发仿生气体传感器系统一电子鼻，它能够自动识别不同种类的气体与其浓度，这是气体传感器发展的一个新方向。

二、气体传感器简介

气体传感器是用来测量气体的种类或浓度的传感器，是一种能把待测气体中的特定成分检测出来，并将成分参量转换成为电信号输出的器件或装置，可以定性或定量的检测出气体特定的组成成分。

随着气体传感器性能R益完善，其应用X围也越来越广泛。

最初气体传感器用于可燃性气体和瓦斯泄漏报警，后来推广应用于有毒气体的检测，容器或管道泄漏的检漏，环境检测等。

气体传感器是传感器中的一个重要分支，现在它几乎在各个技术领域都涉与到气体传感器的应用，如工业生产、军事、科学研究、交通运输、航空航天、环境保护、生物工程、医疗卫生、安全防X和家用电器等方面。

现代化的生活离不开各式各样的传感器，未来的社会将是充满传感器的世界。

气体传感器的种类有很多，分类方法也各式各样。

按工作方式的不同，可以分为干式、湿式两大类；按基体材料的不同，可以分为金属氧化物系、有机高分子系、固体电解质系等；按结构形式的不同，可以分为烧结型、薄膜型、厚膜型、结型等；按被测气体的不同，可以分为氧敏器件、酒敏器件、氢敏器件等；按工作机理的不同，可以分为电阻型、电容型、场效应型、频率型、电化学型等。

三、气体传感器的特性

气体传感器的基本特征，即稳定性、灵敏度、选择性以与抗腐蚀性等，主要通过材料的选择来确定选择适当的材料和开发新材料，使气体传感器的敏感特性达到最优。

1稳定性

稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化，表现为传感器输出信号在工作时间内的降低理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于10%。

2灵敏度

灵敏度是指传感器输出变化量与被测输入变化量之比，主要依赖于传感器结构所使用的技术大多数气体传感器的设计原理都采用生物化学、电化学、物理和光学首先要考虑的是选择一种敏感技术，它对目标气体的阀限制（TLV-thresh-oldlimitvalue）或最低爆炸限（LEL-lowerexplosivelimit）的百分比的检测要有足够的灵敏性。

3选择性

选择性也被称为交叉灵敏度可以通过测量由某一种浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高选择性。

4抗腐蚀性

抗腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标气体中的能力在气体大量泄漏时，探头应能够承受期望气体体积分数10~20倍在返回正常工作条件下，传感器漂移和零点校正值应尽可能小。

四、系统设计

4.1系统整体设计思想

有毒气体无线监测网络主要由能实现对CO、甲醛、O2、O3、苯等气体检测的监测节点和能接收各监测点数据、发送监控命令的中心控制平台组成。

监测节点是系统的重要组成部分，它包括气体传感器模块、传感器工作电路、信号处理电路和无线模块。

系统结构框图如图1所示。

图1系统结构框图

4.2系统硬件设计

有毒气体无线监测网络硬件部分主要包括气体传感器模块、信号调理模块、无线收发模块、PC串口模块等组成。

系统硬件框图如图2所示。

图2系统硬件框图

4.3传感器的选择

在整个系统中，传感器是采集气体种类与浓度信息的主要器件，是整个系统的核心之一，它的选择直接决定了整个系统的识别能力、识别X围、使用寿命等。

因此，系统选择传感器需要考虑以下几个方面：

能够实现在线检测、抗干扰性好、响应速度要快、体积小、价格低、量程根据国标选择等。

经过对各种原理的传感器的分析，以与市场上有售的传感器的对比，最终选择了由瑞士生产的电化学传感器，如图3所示。

具体传感器参数如下：

图3气体传感器

1.一氧化碳电化学传感器，我们选用CO/CF-1000，该产品带过滤酸性气体的内置过滤器，传感器抗干扰能力强，其测量X围为0-1000ppm，最大负荷2000ppm，分辨率为0.5ppm，响应时间<40s，使用寿命长达3年，能满足系统的要求。

2.甲醛电化学传感器，选用的是CH2O/C-10，其测量X围为0-10ppm，最大负载50ppm，分辨率为0.05ppm，响应时间<50s，使用寿命长达3年。

3.氧气电化学传感器，选用的是I-O2，其测量X围为0-100Vol.%，响应时间<15seconds，使用寿命为6年。

4.臭氧电化学传感器，选用的是O3/C-5，其测量X围为0-5ppm，最大负载50ppm，响应时间<60s，使用寿命为2年。

5.二氧化硫电化学传感器，选用的是SO2/C-100，其测量X围为0-100ppm，最大负载为500ppm，分辨率为0.5ppm，响应时间<25s，使用寿命为2年。

4.4气体传感器电路

传感器采用的是恒电位式电化学气体传感器，它灵敏度高，精度高，气体选择性好。

以甲醛传感器为例，量程为0-10ppm，可测气体精度达0.05ppm。

被测气体进入传感器，在恒电位环境下进行氧化还原反应，根据浓度变化转换成相应的电流输出。

图4气体传感器电路

具体电路如图4所示。

该电路由气体传感器、场效应管J177、MC3403与电子线路等组成。

当系统处于断电状态时，场效应管J177导通，传感器参考电极R和工作电极S处于短路状态，使传感器一直保持在“准备工作”状态，否则它需要一个很长的开启时间，对气体检测响应太慢。

当系统通电以后，场效应管J177断开，U2B通过对电极C向工作电极S提供电流，使工作极和参考电极之间电压恒定，传感器处于恒电位状态下工作。

电流信号由工作电极S输出，经电阻R7、C2、U2A组成的低通反向放大电路后，输出与气体浓度成比例的电压信号。

4.5信号调理模块电路

气体传感器的信号调理电路主要用来对传感器信号进行后续处理，以达到A/D转换输入电压X围的要求。

由于系统有多路传感器信号输出，为减小系统体积，必须对信号处理电路进行集成化设计。

由于气体传感器的种类不同，它们输出信号的大小、极性都不一样，要对信号处理电路进行集成化设计，必须对这些传感器输出信号进行分类。

CO、甲醛等气体传感器经工作电路处理以后输出的是正信号，而O3等氧化性气体传感器，由于电化学反应的电子得失和还原性气体相反，经过工作电路输出的负信号。

4.6无线收发模块电路

无线收发模块采用无线射频CC2420模块，它是Chipcon公司推出的一款兼容2.4GHzIEEE802.15.4标准的无线收发模块。

基于Chipcon公司的SmartRF03技术，使用CMOS工艺生产，工作电压低、能耗低、体积小，具有数字输出信号强度和收发频率可编程等特点。

微处理器采用Atmel公司的ATmega128L。

CC2420通过SPI接口与微控制器连接，节点与计算机之间通过RS-232进行数据通信。

结构框图如图5所示。

图5无线收发模块

4.6稳定性和抗干扰性设计

在外界环境下，要想提高系统的可靠性和稳定性，必须在设计中考虑采取的保护和增强稳定性的措施。

（1）电源保护：

电源接反、超压、浪涌是工业上常见的电源问题。

电源接反是设备安装接线时最容易发生的错误，在系统设计中，通过在输入口串一只二极管即可防止接反电源时损坏电路。

（2）退偶电容：

电源端的干扰处理在电路设计中十分重要，当电源端引入噪声经过放大以后，可能把原有的信号淹没，在系统设计中对各个器件的电源进行退偶处理，能很好的抑制噪声。

（3）滤波处理：

由于传感器输出的信号很小，只要有一定的干扰，对信号的影响可能就很大，在系统设计中，通过在各级放大中设计低通滤波器，对噪声的抑制起到很大作用。

五、结论

本文介绍了气体传感器的现状和发展历史，研究背景、分析了气体传感器的特性，从传感器的选择、气体传感器集成化设计、无线通讯系统设计、等方面进行了研究，设计了一个基于无线传感器的有毒气体监测网络，通过对气体传感器信号的采集，数据的无线收发和后台处理，从而实现了空气中的有毒气体在线检测。

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