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汽车尾气在线检测系统文献综述

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2020年4月19日
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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 　

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能够获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息,从而能够进行检测、监控、报警;还能够经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，当红外光经过待测气体时，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，经过光强的变化测出气体的浓度：

式中，αm—摩尔分子吸收系数；C—气体浓度；L—光和气体的作用长度；β—瑞利散射系数；γ—米氏散射系数；δ—气体密度波动造成的吸收系数；I0、I—分别是输入输出光强[5]。
5、声表面波传感器的关键是SAW振荡器，它由压电材料基片和沉积在基片上不同功能的叉指换能器所组成，由延迟型和振子型两种振荡器。SAW传感器自身固有一个振荡频率，当外界待测量变化时，会引起振荡频率的变化，从而测出气体浓度。
总之，半导体式的传感器灵敏度高，构造与电路简单，但输出与气体浓度不成比例；接触燃烧式的输出与气体浓度成比例，但灵敏度较低；化学反应式的气体选择性好，但不能重复使用；红外吸收型的能定性测量，但装置大，价格高等。
二、 气体传感器的发展
气体传感器的发展经历了大致四个阶段：
第一阶段：1962年以前是气体传感器研究的孕育阶段。此阶段中，经过对氧化物半导体表面特性的深入研究，发现了氧化物半导体对气体具有敏感性。
第二阶段：1962年～1967年，气体传感器的探索阶段。首先是在1962年，日本九州工业大学清山哲郎等人对及薄膜的气敏特性进行了开创性的研究，首次研制成功氧化锌薄膜气敏元件；到了1967年，美国的P.J.Shaver利用贵金属Pt、Pd激活气体传感器，使得气体传感器的灵敏度明显提高，为气体传感器的实用化奠定了坚实的基础。另外，1964年，Wickens和Hatman利用气体在电极上的氧化还原反应研制出了第一个电化学气敏传感器。
第三阶段：1968年～1978年，是气体传感器发展的实用化阶段。1968年，日本费加罗公司首先在市场上推出了掺有Pd、Pt的气体传感器，从此以后，开始在市场上出现了各式各样的气体传感器，并广泛应用于各个方面。
第四阶段：是在实用化基础上的发展提高阶段。1978年以后，气体传感器的实用化促使人们去寻找新的气敏材料，并探讨提高气体传感器性能的途径，对已实用化的气体传感器的气敏材料进行了深入的研究。而光纤气体传感器就是80年代后期出现的一种新型传感器。当前，日本费加罗公司推出了检测（0.1～10）×10－6硫化氢低功耗气体传感器，美国FirstAlert公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO气体传感器等。美国国际传感器技术(IST)公司应用一种“MegaCas"传感器和微程序控制单元，可检测100种以上毒性气体和可燃性气体，经过其“气体检索”功能扫描，能很快确定是哪一种气体；还有美国工业科学公司(ISC)一台携带式气体监控仪可实现4种气体监测，采用了统一的软件，只需要换气体传感器，即可实现对特定气体监测。
三、 气体传感器的现状
1、在国外，气体传感器发展很快，如英国Dynament生产的甲烷红外传感器，高分辨率的全量程甲烷传感器，该传感器在0-10%范围分辨率为0.01%，在大于10%范围分辨率为0.1%，且响应时间小于25秒。满足国家安全生产监督管理局 -11-19发布， -01-01实施的中华人民共和国安全生产行业标准AQ6211- 《煤矿非色散红外甲烷传感器》的要求；如Wensen研发的电化学氯乙烯气体传感器的灵敏度可达2200nA/ppm等。国外的迅速发展，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。现在，国际市场气体传感器和探测器的主要生产商集中在美、日、英、德等几个国家。这些国家的生产商也垄断了高端气体传感器及探测器产品的生产技术。气体传感器的国外主要企业有英国的Citytech，各类气体传感器的供应商；英国的Alphasense，电化学气体传感器供应商；英国的Dynament，红外气体传感器的供应商；美国的RAE，电化学气体传感器的供应商；日本的Figaro，半导体气体传感器的供应商；日本的Nemoto，催化剂接触燃烧式和电化学式气体传感器的供应商等。
2、在近几年，国内也有一定的研究，如 ，冯庆等人利用电子束蒸发制备了TiO2-WO3复合氧化物薄膜,在500℃下退火2h；经过SEM和XRD观察了该薄膜的形貌特性并进行了气敏测试，结果表明该薄膜对酒精、丙酮和二氧化硫气体具有较强的敏感性[12]。 ，王燕首次创新性地经过研究CuO/α-Fe2O3材料的CO催化氧化活性来推断其对CO气体的敏感机理。解决了半导体电阻式气敏元件的选择性问题,采用沉积-沉淀法将P型半导体CuO成功负载于n型半导体α-Fe2O3基体材料上,设计并制成新型P-N结半导体气敏元件[13]。 ，娄向东等人以SnCl4·5H2O和钛酸四丁脂为原料，采用Sol-Gel法制备SnO2-TiO2材料。运用XRD、TEM对SnO2-TiO2粉体的物相、形貌和结构进行表征，并测试其灵敏性能，实验表明，SnO2-TiO2纳米粉体在3.5V加热电压下对100ppm乙醇的灵敏度为464.116[14]。
气体传感器的国内主要生产企业有郑州炜盛、深圳戴维莱、太原滕星、邯郸718所、昆明贵研等企业。主要以半导体气体传感器和催化元件为主，对于电化学气体传感器和红外气体传感器，当前主要依赖进口，但中国已经具体了该类产品的研发生产能力，在未来不久，国产的电化学气体传感器和红外气体传感器以其资源优势将成为中国市场的主流产品。
三、 气体传感器的发展趋势及前景
当前，气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展，一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合；二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器[6]，如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化。
气体传感器行业从 到 一直保持着良好的高增长势头。欧、美、日等发达国家都非常重视气体探测产业的发展，将其列入国家重点发展和扶持的产业， 达到8.12亿美元，年增长率为11%。中国气体传感器产业保持了较快增长的速度。根据中国市场情报中心的统计， ～ 期间，中国气体探测产业的年增长率在15%以上，到 ，中国气体传感器总产量达到3500万只，气体探测行业销售收入力争达到70亿元，出口创汇3亿美元。将会产生2-3家销售收入超过5亿元，10家以上销售收入1亿元的气体传感器及探测器的生产企业。在国际市场上，气体探测行业将继续保持着良好的增长势头。需求量也将会从现在的欧美为主向其它国家过渡[10]。气体传感器也从最初的研究气敏元件的特性发展到了与微电子技术、纳米技术等先进技术结合的新阶段。近年来，各国研究者广泛开展碳纳米管气体传感器的研究工作，碳纳米管具有灵敏度高、响应速度快，尺寸小、能耗低和室温下工作等诸多特点。随着先进科学技术的应用，气体传感器发展的趋势是微型化、智能化和多功能化。深入研究和掌握有机、无机、生物和各种材料的特性及相互作用，理解各类气体传感器的工作原理和作用机理，正确选择各类传感器的敏感材料，灵活运用微机械加工技术、敏感薄膜形成技术、微电子技术、光纤技术等，使传感器性能最优化是气体传感器的发展方向。另外，气体传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术、故障诊断技术、智能技术等多学科综合技术的基础上得到发展。研制能够同时监测多种气体的全自动数字式的智能气体传感器将是该领域的重要研究方向。
。结 论
该课题提出的气体传感器技术，为汽车尾气在线监测问题的实现提供了一个科学的可行的试验研究方法，了解了气体传感器技术在当今世界的发展前景。随着世界电子信息产品制造业将加快向中国转移，中国电子信息产品制造业的规模将进一步扩大，从而将进一步拉动气体传感器市场的迅速扩大，中国的气体传感器产业必将迅猛发展。同时能够相信,汽车尾气传感器将会不断的完善发展,其发展前景十分广阔。
参考文献
[1] 李冬梅，黄元庆，张佳平，张鑫男，辜克兢．几种常见气体传感器的研究进展[J]．中文科技， ,(501):6-11.
[2]郁有文，常健，程继红．传感器原理及工程应用[M]．第三版．西安电子科技大学出版社， ：150-155．
[3]宋晓辉，海中天.接触燃烧式气敏传感器的研制[J].计量技术， ,(8).
[4] 陈长伦,何建波,刘锦淮.新型电化学CO气体传感器的研制[J].传感器技术, ,23(5):32-35.
[5]汪献忠，王晓东，赫树开.基于红外吸收型智能CO2浓度分析仪[J]， (2).
[6] 何道清.传感器与传感器技术[M].北京:科学出版社, .377-396.
[7] 陈艾.敏感材料与传感器[M].北京:化学工业出版社, .279-338.
[8] Zulkafli Othaman，The effect of thickness on ZnO thin film CO gas sensor[J]．Department of Physics , Faculty of Science , University of Technology Malaysia, .
[9] Robi Polikar, Devi Parikh and Shreekanth Mandayam．Multiple Classifier Systems for Multisensor Data Fusion[J]．Electrical and Computer Engineering, Rowan University, .
[10] 王俊杰. 传感器与检测技术[M]. 北京：清华大学出版社， ：118-200．
[11] 赵应艳，王育波.气体传感器的应用及发展[J].科技创新导报, .118-118.
[12] 冯庆,王新强,刘高斌,王万录.TiO2-WO3复合薄膜型气敏传感器性质研究[J].真空科学与技术学报. (04)
[13] 王燕.低维α-Fe2O3 纳米材料的合成、改性及气敏性能研究[J].无机化学. (07)
[14] 娄向东,史晓妮,张文瑞,周慧然,李立博.SnO2-TiO2的制备及气敏性能研究[J].计测技术. (S1)

指导教师审核意见：

指导老师（签字）

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