一种气体传感器简易实验装置的制作方法

本发明涉及一种教学实验装置，具体涉及一种气体传感器简易实验装置。

背景技术：

气体传感器是将定量式的气体信息转换成可分析的电信号的设备或仪器，这是基于被分析气体和传感器器件之间的相互作用的结果。这种作用的检测可以通过测量电容、功函数、质量、气敏材料的导电性或气固作用的反应能的变化等来获得。由于金属氧化物具有良好的气敏性能，且易于制备等优点，成为现今最常用的气敏材料。

目前在气体传感器实验系统中，标准气体的提供主要采用高压气体钢瓶，并且传感器的测试和信号的采集设备价格昂贵。出于安全问题和成本因素的考虑，在本科生的教学中很难构建一个完整的气体传感实验系统，因此在大学的传感器相关课程中无法进行气体传感实验，影响了气体传感相关课程的教学质量。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种气体传感器简易实验装置，采用常见的实验室实验器材和原料，结构简单，易于搭建和演示，方便实用，成本低廉。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种气体传感器简易实验装置，所述实验装置包括固定架、气体发生瓶、洗气瓶、气敏装置、气体收集装置、万用表，所述气体发生瓶、洗气瓶和气敏装置均固定于固定架上，气体发生瓶和洗气瓶、洗气瓶和气敏装置均通过管道连通，所述气敏装置的进口端连接管道，出口端连接气体收集装置，气敏装置内设有气敏反应块，气敏反应块的两端分别通过导线连接万用表的正极和负极，导线从气敏装置的出口端进入气敏装置内与气敏反应块连接。

本发明中的实验装置在教学演示时，将生成气体的反应物质放入气体发生瓶中，反应产生的气体通过管道进入洗气瓶中，洗气瓶中装入酸液或碱液，洗去气体中带有的碱性或酸性成分，经过洗气瓶净化的气体通过导管进入气敏装置，气敏装置中的气敏反应块与生成气体发生反应，引起气敏反应块电阻的变化，通过万用表记录气敏反应块电阻的变化。本发明中所产生的气体最终进入到气体收集装置，气体收集装置可安全移除，避免试验中产生的有毒有害气体进入空气中，并且可平衡整个实验装置的气压。本发明通过测量气敏反应块的电阻变化，可发现电阻的变化量与产生气体浓度的关系。本发明所使用元件少，结构简单，易于装配和演示，在教学中一人即可操作，成本低，能有效检测气体，便于初学者学习，简单易懂，具有很大的推广使用价值。

作为优选，所述管道为橡胶管或玻璃管，根据实际实验产生的气体的特性来确定。所述气体发生瓶为锥形瓶、烧瓶或广口瓶，在锥形瓶、烧瓶或广口瓶的瓶口及气敏装置的进口端均塞有带孔的塞子，管道装配在塞子的孔中。

作为优选，所述固定架包括固定架一和固定架二，气体发生瓶固定于固定架一上，洗气瓶和气敏装置固定于固定架二上。

作为优选，所述固定架一和固定架二均为铁架台。

锥形瓶、烧瓶、广口瓶、铁架台均为实验室中常见的实验器材，很容易得到，用于搭建该实验装置非常方便。

作为优选，所述洗气瓶的出口处填装有干燥剂。

干燥剂用于吸收产生气体中的水分，避免水分对气敏反应块产生影响，从而影响实验装置的灵敏性和精确性。

作为优选，所述气体收集装置为气囊、气球或气袋。气囊、气球或气袋非常方便用于收集气体，也方便装配在气敏装置上。

作为优选，所述气敏装置的出口端装配有一个中空的密封塞，密封塞的下部分塞于气敏装置的出口端，上部分连接气体收集装置。

作为优选，所述密封塞的形状为中部直径大于两端直径的圆柱形。

作为优选，所述密封塞的下部分的外表面上设有两道纵向凹槽，所述纵向凹槽内设有弹性密封垫，当密封塞塞于气敏装置的出口端时，万用表的导线装配于纵向凹槽内。

密封塞用于连接气敏装置和气体收集装置，方便气敏装置和气体收集装置的装配，密封塞上设置的两道纵向凹槽用于装配万用表的导线，避免导线装配时引起密封塞与气敏装置之间产生缝隙，导致气体外泄。纵向凹槽内的弹性密封垫进一步保证了气敏装置的气密性，保证了实验结果的准确。

作为优选，所述的气敏反应块11由气敏材料制成，所述气敏材料包括质量份数为78-93份的基材和质量份数为4-20份的辅材。

作为优选，所述的基材为SnO₂、ZnO、Fe₂O₃、CuO、NiO中的一种或几种。

作为优选，所述基材包括质量份数为35-57份的一级基材、质量份数为23-35份的二级基材和质量份数为15-25份的三级基材。

作为优选，所述一级基材的粒径为3-8μm，二级基材的粒径为200-800nm，三级基材的粒径为30-70nm。

本发明中选用的气敏材料的基材均为日常教学和生活中常见的材料，并且选用不同粒径的基材进行合理配比，制成的气敏材料力学性能好，对气体的灵敏度高，响应时间长，可提高整体实验的精确度和准确度。较大粒径的材料制备的气敏材料内部晶粒大，脆性较大，强度低，整体力学性能较差，对气体的灵敏度低，响应时间短。本发明中以3-8μm粒径的基材为主要基材，辅配以200-800nm粒径和30-70nm粒径的基材。在制备气敏材料时，控制了基材的粒径分布在上述较窄的范围内，较小粒径的基材可进入较大粒径基材形成缝隙内，相互配合，制成的气敏材料中晶界与气孔的分离区减小，可降低烧结温度400-600℃，缩短烧结时间，使得结过程中不易出现晶粒的异常生长，获得晶粒分布均匀的气敏材料，在受力时可产生变形而表现出一定的韧性，提高气敏材料的拉伸性能，增强界面活性，提高强度，有效降低应力集中，减少磨损，改善材料结构和整体力学性能。另外，还可有效减少气敏材料表面的缺陷，获得形态均一和平滑的表面，增加气敏材料表面的活性中心，提高气敏材料灵敏性，延长响应时间。但是粒径不能过小，否则烧结时基材容易发生团聚，不利于烧结，因此将上述基材的粒径控制在上述范围内。

作为优选，所述辅材为TiC、ZrO₂、SiO₂中的一种或几种。

本发明在基材中添加适量的TiC、ZrO₂、SiO₂，可以抑制烧结过程中气敏材料的晶粒生长，细化晶粒，添加上述辅材后与纯基材相比，制得的气敏材料吸附表面积大，孔隙率高，提高了材料的气敏灵敏性，降低了实验时气敏反应的温度，但如果上述辅材的含量过多，会在基材表面产生一定的包履作用，阻碍晶粒表面对被测气体的吸附-解吸过程，反而会降低气敏材料的灵敏度，因此将上述辅材的添加量控制在上述范围内。

作为优选，所述辅材的粒径为10-50nm。

本发明将辅材的粒径控制在上述范围内，有助于气敏材料晶粒间产生相对滑移，增加材料的塑性，同时增加晶界数量，从而增加晶粒表面积及晶界的体积。如果辅材粒径过小，烧结时材料容易发生团聚，影响烧结质量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：元件少、结构简单，易于搭建和演示，成本低廉，且能够有效检测各种化学气体，使用特定的气敏反应材料进行实验，气敏响应时间长，响应值高，便于初学者观察学习，简单易懂，具有推广使用的价值。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例的结构示意图。

图2为本发明一较佳实施例中密封塞的结构示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。其中，实施例1-2为本发明中实验装置的结构实施例，实施例3-8为本发明中气敏反应块的组成实施例，实施例9-11为本发明中实验装置具体操作演示时气体浓度与电阻变化值关系的实施例。

下面通过具体实施例对本发明中的实验装置作进一步解释。

实施例1

一种气体传感器简易实验装置，包括固定架、气体发生瓶2、洗气瓶3、气敏装置5、气体收集装置6、万用表7，气体发生瓶2、洗气瓶3和气敏装置5均固定于固定架上，气体发生瓶2和洗气瓶3、洗气瓶3和气敏装置5均通过橡胶管或玻璃管管道连通，洗气瓶3的出口处填装有干燥剂10。

气敏装置5的进口端连接管道，出口端连接气体收集装置6，气敏装置5内设有气敏反应块11，气敏反应块11的两端分别通过导线连接万用表7的正极和负极，导线从气敏装置5的出口端进入气敏装置内与气敏反应块连接。

气体发生瓶可以为锥形瓶、烧瓶或广口瓶，在锥形瓶、烧瓶或广口瓶的瓶口及气敏装置的进口端均塞有带孔的塞子，管道装配在塞子的孔中。气体收集装置6可以为气囊、气球或气袋。

实施例2

一种气体传感器简易实验装置，包括固定架一1、固定架二4、气体发生瓶2、洗气瓶3、气敏装置5、气体收集装置6、万用表7，气体发生瓶2固定于固定架一1上，洗气瓶3和气敏装置5固定于固定架二4上。气体发生瓶2和洗气瓶3、洗气瓶3和气敏装置5均通过橡胶管或玻璃管管道连通，洗气瓶3的出口处填装有干燥剂10。气敏装置5的进口端连接管道，出口端连接气体收集装置6，气敏装置5内设有气敏反应块11，气敏反应块11的两端分别通过导线连接万用表7的正极和负极，导线从气敏装置5的出口端进入气敏装置内与气敏反应块连接。

固定架一1和固定架二4均为铁架台。气体发生瓶可以为锥形瓶、烧瓶或广口瓶，在锥形瓶、烧瓶或广口瓶的瓶口及气敏装置的进口端均塞有带孔的塞子，管道装配在塞子的孔中。气体收集装置6可以为气囊、气球或气袋。

气敏装置5的出口端还装配有一个中空的密封塞9，密封塞9的下部分塞于气敏装置5的出口端，上部分连接气体收集装置6。密封塞9的形状为中部直径大于两端直径的圆柱形。密封塞9的下部分的外表面上设有两道纵向凹槽91，纵向凹槽91内设有弹性密封垫，当密封塞9塞于气敏装置5的出口端时，万用表7的导线装配于纵向凹槽91内。

实施例3

本发明中的气敏反应块11由气敏材料制成，该气敏材料由质量份数为78份的基材和质量份数为20份的辅材复配而成。

其中，基材为质量份数为35份的SnO₂和质量份数为43份的ZnO的复配物。基材为质量份数为35份的一级基材、质量份数为35份的二级基材和质量份数为25份的三级基材的复配物，一级基材的粒径为3-8μm，二级基材的粒径为200-800nm，三级基材的粒径为30-70nm。

辅材为粒径10-50nm的TiC。

实施例4

本发明中的气敏反应块11由气敏材料制成，该气敏材料由质量份数为80份的基材和质量份数为15份的辅材复配而成。

其中，基材为质量份数为35份的CuO和质量份数为45份的NiO的复配物。基材为质量份数为35份的一级基材、质量份数为23份的二级基材和质量份数为15份的三级基材的复配物，一级基材的粒径为3-6μm，二级基材的粒径为200-700nm，三级基材的粒径为30-60nm。

辅材为质量份数为8份的TiC、质量份数为5份的ZrO₂和质量份数为2份的SiO₂的复配物，粒径为10-40nm。

实施例5

本发明中的气敏反应块11由气敏材料制成，该气敏材料由质量份数为83份的基材和质量份数为13份的辅材复配而成。

其中，基材为质量份数为35份的SnO₂和质量份数为43份的ZnO的复配物。基材为质量份数为55份的一级基材、质量份数为25份的二级基材和质量份数为28份的三级基材的复配物，一级基材的粒径为4-6μm，二级基材的粒径为300-700nm，三级基材的粒径为40-60nm。

辅材为质量份数为9份的和质量份数为4份的TiC和ZrO₂的复配物，粒径为10-30nm。

实施例6

本发明中的气敏反应块11由气敏材料制成，该气敏材料由质量份数为85份的基材和质量份数为10份的辅材复配而成。

其中，基材为质量份数为35份的SnO₂和质量份数为43份的ZnO的复配物。基材为质量份数为57份的一级基材、质量份数为35份的二级基材和质量份数为25份的三级基材的复配物，一级基材的粒径为4-5μm，二级基材的粒径为400-600nm，三级基材的粒径为40-50nm。

辅材为质量份数为4份的和质量份数为6份的ZrO₂和SiO₂的复配物，粒径为20-40nm。

实施例7

本发明中的气敏反应块11由气敏材料制成，该气敏材料由质量份数为90份的基材和质量份数为7份的辅材复配而成。

其中，基材为质量份数为35份的SnO₂和质量份数为43份的ZnO的复配物。基材为质量份数为40份的一级基材、质量份数为30份的二级基材和质量份数为20份的三级基材的复配物，一级基材的粒径为5-6μm，二级基材的粒径为500-600nm，三级基材的粒径为50-60nm。

辅材为质量份数为3份的和质量份数为4份的TiC和ZrO₂的复配物，粒径为20-30nm。

实施例8

本发明中的气敏反应块11由气敏材料制成，该气敏材料由质量份数为93份的基材和质量份数为4份的辅材复配而成。

其中，基材为质量份数为35份的SnO₂和质量份数为43份的ZnO的复配物。基材为质量份数为45份的一级基材、质量份数为27份的二级基材和质量份数为23份的三级基材的复配物，一级基材的粒径为6-7μm，二级基材的粒径为600-700nm，三级基材的粒径为60-70nm。

辅材为质量份数为1份的TiC和质量份数为3份的SiO₂的复配物，粒径为10-20nm。

实施例3-8中的气敏材料中还添加有一定质量的激活剂和粘结剂，均为本领域常用的物质，在此不一一赘述。

实施例9

在气体发生瓶2中加入盐酸溶液，在洗气瓶3中加入碱液，称取10mg铝箔，放于气体发生瓶2中的盐酸溶液中，迅速在气体发生瓶2瓶口塞上橡皮塞，通过万用表读取气敏反应块11的电阻变化，然后移除气球，使新鲜空气进入气敏反应装置5中，通过万用表记录加热硬币电阻的变化。本实施例中气敏反应块11为实施例4中的气敏反应块。

实施例10

称取的铝箔为20mg，其余与实施例9相同。

实施例11

称取的铝箔为30mg，其余与实施例9相同。

实施例9-11中铝箔和盐酸的化学反应式为：

Al+HCl→AlCl₃+H₂ (1)

气敏反应块11的气敏响应定义为：

R＝(R_g-R_a)/R_a (2)

其中Ra、Rg分别为空气中和氢气中的气敏反应块11电阻。

10mg、20mg和30mg铝箔所产生的氢气使气敏反应块11气敏响应实验数据如表1所示。

表1：实施例9-11中气敏响应实验数据

虽然实施例9-11给出了使用本发明中的实验装置制备氢气来演示传感器实验，但并不仅限于氢气，也可以是O₂、NH₃、CO、CO₂、NO、NO₂、SO₂、H₂S、CH₄、HB、HF等气体，上述气体的制备方法可采用实验室常用的气体制备方法即可，上述气体及其制备方法均为本领域内技术人员所常用的。

对比例1

制成气敏反应块11的气敏材料中的基材不分级，其粒径为3-8μm，其余与实施例3相同。

对比例2

制成气敏反应块11的气敏材料不包括辅材，其余与实施例3相同。

将本发明实施例3-8中的气敏反应块11的性能特性与对比例中1-2中的进行比较，比较结果如表2所示。

表2：实施例3-8中气敏反应块11的性能特性与对比例中1-2的比较

综上所述，本发明中的气体传感器简易实验装置使用元件少、结构简单，易于搭建和演示，成本低，且能够有效检测各种化学气体，使用特定的气敏反应材料制成气敏反应装置进行实验，气敏响应时间长，响应值高，便于初学者观察学习，简单易懂，具有推广使用的价值。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。