氣體傳感器的原理、分類(lèi)及用途說(shuō)明

所謂氣體傳感器，是指用于探測(cè)在一定區(qū)域范圍內(nèi)是否存在特定氣體和／或能連續(xù)測(cè)量氣體成分濃度的傳感器。在煤礦、石油、化工、市政、醫(yī)療、交通運(yùn)輸、家庭等安全防護(hù)方面，氣體傳感器常用于探測(cè)可燃、易燃、有毒氣體的濃度或其存在與否，或氧氣的消耗量等。

氣體傳感器主要用于針對(duì)某種特定氣體進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量該氣體在傳感器附近是否存在，或在傳感器附近空氣中的含量。因此，在安全系統(tǒng)中，氣體傳感器通常都是不可或缺的。

從工作原理、特性分析到測(cè)量技術(shù)，從所用材料到制造工藝，從檢測(cè)對(duì)象到應(yīng)用領(lǐng)域，都可以構(gòu)成獨(dú)立的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，衍生出一個(gè)個(gè)紛繁龐雜的分類(lèi)體系，尤其在分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題上目前還沒(méi)有統(tǒng)一，要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的系統(tǒng)分類(lèi)難度頗大。

氣體傳感器的分類(lèi)

從檢測(cè)氣體種類(lèi)上，通常分為可燃?xì)怏w傳感器（常采用催化燃燒式、紅外、熱導(dǎo)、半導(dǎo)體式）、有毒氣體傳感器（一般采用電化學(xué)、金屬半導(dǎo)體、光離子化、火焰離子化式）、有害氣體傳感器（常采用紅外、紫外等）、氧氣（常采用順磁式、氧化鋯式）等其它類(lèi)傳感器。

從使用方法上，通常分為便攜式氣體傳感器和固定式氣體傳感器。

從獲得氣體樣品的方式上，通常分為擴(kuò)散式氣體傳感器（即傳感器直接安裝在被測(cè)對(duì)象環(huán)境中，實(shí)測(cè)氣體通過(guò)自然擴(kuò)散與傳感器檢測(cè)元件直接接觸）、吸入式氣體傳感器（是指通過(guò)使用吸氣泵等手段，將待測(cè)氣體引入傳感器檢測(cè)元件中進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)對(duì)被測(cè)氣體是否稀釋?zhuān)挚杉?xì)分為完全吸入式和稀釋式等）。

從分析氣體組成上，通常分為單一式氣體傳感器（僅對(duì)特定氣體進(jìn)行檢測(cè)）和復(fù)合式氣體傳感器（對(duì)多種氣體成分進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)）。

按傳感器檢測(cè)原理，通常分為熱學(xué)式氣體傳感器、電化學(xué)式氣體傳感器、磁學(xué)式氣體傳感器、光學(xué)式氣體傳感器、半導(dǎo)體式氣體傳感器、氣相色譜式氣體傳感器等。

先來(lái)了解一下氣體傳感器的特性：

1、穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅髟谡麄€(gè)工作時(shí)間內(nèi)基本響應(yīng)的穩(wěn)定性，取決于零點(diǎn)漂移和區(qū)間漂移。零點(diǎn)漂移是指在沒(méi)有目標(biāo)氣體時(shí)，整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)傳感器輸出響應(yīng)的變化。區(qū)間漂移是指?jìng)鞲衅鬟B續(xù)置于目標(biāo)氣體中的輸出響應(yīng)變化，表現(xiàn)為傳感器輸出信號(hào)在工作時(shí)間內(nèi)的降低。理想情況下，一個(gè)傳感器在連續(xù)工作條件下，每年零點(diǎn)漂移小于10％。

2、靈敏度

靈敏度是指?jìng)鞲衅鬏敵鲎兓颗c被測(cè)輸入變化量之比，主要依賴(lài)于傳感器結(jié)構(gòu)所使用的技術(shù)。大多數(shù)氣體傳感器的設(shè)計(jì)原理都采用生物化學(xué)、電化學(xué)、物理和光學(xué)。首先要考慮的是選擇一種敏感技術(shù)，它對(duì)目標(biāo)氣體的閥限制或最低爆炸限的百分比的檢測(cè)要有足夠的靈敏性。

3、選擇性

選擇性也被稱(chēng)為交叉靈敏度?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量由某一種濃度的干擾氣體所產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)來(lái)確定。這個(gè)響應(yīng)等價(jià)于一定濃度的目標(biāo)氣體所產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)。這種特性在追蹤多種氣體的應(yīng)用中是非常重要的，因?yàn)榻徊骒`敏度會(huì)降低測(cè)量的重復(fù)性和可靠性，理想傳感器應(yīng)具有高靈敏度和高選擇性。

4、抗腐蝕

性抗腐蝕性是指?jìng)鞲衅鞅┞队诟唧w積分?jǐn)?shù)目標(biāo)氣體中的能力。在氣體大量泄漏時(shí)，探頭應(yīng)能夠承受期望氣體體積分?jǐn)?shù)10～20倍。在返回正常工作條件下，傳感器漂移和零點(diǎn)校正值應(yīng)盡可能小。氣體傳感器的基本特征，即靈敏度、選擇性以及穩(wěn)定性等，主要通過(guò)材料的選擇來(lái)確定。選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾烷_(kāi)發(fā)新材料，使氣體傳感器的敏感特性達(dá)到最優(yōu)。

接下來(lái)是關(guān)于不同氣體傳感器的檢測(cè)原理、特點(diǎn)和用途：

一、半導(dǎo)體式氣體傳感器

根據(jù)由金屬氧化物或金屬半導(dǎo)體氧化物材料制成的檢測(cè)元件，與氣體相互作用時(shí)產(chǎn)生表面吸附或反應(yīng)，引起載流子運(yùn)動(dòng)為特征的電導(dǎo)率或伏安特性或表面電位變化而進(jìn)行氣體濃度測(cè)量的。

從作用機(jī)理上可分為表面控制型（采用氣體吸附于半導(dǎo)體表面而產(chǎn)生電導(dǎo)率變化的敏感元件）、表面電位型（采用半導(dǎo)體吸附氣體后產(chǎn)生表面電位或界面電位變化的氣體敏感元件）、體積控制型（基于半導(dǎo)體與氣體發(fā)生反應(yīng)時(shí)體積發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電導(dǎo)率變化的工作原理）等?？梢詸z測(cè)百分比濃度的可燃?xì)怏w，也可檢測(cè)ppm級(jí)的有毒有害氣體。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、檢測(cè)靈敏度高、反應(yīng)速度快等。

不足：測(cè)量線性范圍較小，受背景氣體干擾較大，易受環(huán)境溫度影響等。

二、固體電解質(zhì)氣體傳感器

固體電解質(zhì)是一種具有與電解質(zhì)水溶液相同的離子導(dǎo)電特性的固態(tài)物質(zhì)，當(dāng)用作氣體傳感器時(shí)，它是一種電池。它無(wú)需使氣體經(jīng)過(guò)透氣膜溶于電解液中，可以避免溶液蒸發(fā)和電極消耗等問(wèn)題。由于這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，幾乎在石化、環(huán)保、礦業(yè)、食品等各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，其重要性?xún)H次于金屬—氧化物一半導(dǎo)體氣體傳感器。

這種傳感器介于半導(dǎo)體氣體傳感器和電化學(xué)氣體傳感器之間，選擇性、靈敏度高于半導(dǎo)體氣體傳感器，壽命長(zhǎng)于電化學(xué)氣體傳感器，因此得到廣泛應(yīng)用。這種傳感器的不足之處是響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

三、催化燃燒式氣體傳感器

這種傳感器實(shí)際上是基于鉑電阻溫度傳感器的一種氣體傳感器，即在鉑電阻表面制備耐高溫催化劑層，在一定溫度下，可燃?xì)怏w在表面催化燃燒，因此鉑電阻溫度升高，導(dǎo)致電阻的阻值變化。

由于催化燃燒式氣體傳感器鉑電阻外通常由多孔陶瓷構(gòu)成陶瓷珠包裹，因此這種傳感器通常也被稱(chēng)為催化珠氣體傳感器。理論上這種傳感器可以檢測(cè)所有可以燃燒的氣體，但實(shí)際應(yīng)用中有很多例外。這種傳感器通?？梢杂糜跈z測(cè)空氣中的甲烷、LPG、丙酮等可燃?xì)怏w。

四、電化學(xué)氣體傳感器

電化學(xué)氣體傳感器是把測(cè)量對(duì)象氣體在電極處氧化或還原而測(cè)電流，得出對(duì)象氣體濃度的探測(cè)器。包含原電池型氣體傳感器、恒定電位電解池型氣體傳感器、濃差電池型氣體傳感器和極限電流型氣體傳感器。

1、原電池型氣體傳感器（也稱(chēng)：加伏尼電池型氣體傳感器，也有稱(chēng)燃料電池型氣體傳感器，也有稱(chēng)自發(fā)電池型氣體傳感器），他們的原理行同我們用的干電池，只是，電池的碳錳電極被氣體電極替代了。以氧氣傳感器為例，氧在陰極被還原，電子通過(guò)電流表流到陽(yáng)極，在那里鉛金屬被氧化。電流的大小與氧氣的濃度直接相關(guān)。這種傳感器可以有效地檢測(cè)氧氣、二氧化硫等。

2、恒定電位電解池型氣體傳感器，這種傳感器用于檢測(cè)還原性氣體非常有效，它的原理與原電池型傳感器不一樣，它的電化學(xué)反應(yīng)是在電流強(qiáng)制下發(fā)生的，是一種真正的庫(kù)侖分析（根據(jù)電解過(guò)程中消耗的電量，由法拉第定律來(lái)確定被測(cè)物質(zhì)含量）傳感器。這種傳感器用于：一氧化碳、硫化氫、氫氣、氨氣、肼、等氣體的檢測(cè)之中，是目前有毒有害氣體檢測(cè)的主流傳感器。

3、濃差電池型氣體傳感器，具有電化學(xué)活性的氣體在電化學(xué)電池的兩側(cè)，會(huì)自發(fā)形成濃差電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的大小與氣體的濃度有關(guān)，這種傳感器實(shí)例就是汽車(chē)用氧氣傳感器、固體電解質(zhì)型二氧化碳傳感器。

4、極限電流型氣體傳感器，有一種測(cè)量氧氣濃度的傳感器利用電化池中的極限電流與載流子濃度相關(guān)的原理制備氧（氣）濃度傳感器，用于汽車(chē)的氧氣檢測(cè)，和鋼水中氧濃度檢測(cè)。

主要優(yōu)點(diǎn)：體積小，功耗小，線性和重復(fù)性較好，分辨率一般可以達(dá)到0．1ppm，壽命較長(zhǎng)。

主要不足：易受干擾，靈敏度受溫度變化影響較大。

五、PID——光離子化氣體傳感器

PID由紫外光源和氣室構(gòu)成。紫外發(fā)光原理與日光燈管相同，只是頻率高，能量大。被測(cè)氣體到達(dá)氣室后，被紫外燈發(fā)射的紫外光電離產(chǎn)生電荷流，氣體濃度和電荷流的大小正相關(guān)，測(cè)量電荷流即可測(cè)得氣體濃度。可以檢測(cè)從10ppb到較高濃度的10000ppm的揮發(fā)性有機(jī)物和其他有毒氣體。許多有害物質(zhì)都含有揮發(fā)性有機(jī)化合物，PID對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物靈敏度很高。

六、熱學(xué)式氣體傳感器

熱學(xué)式氣體傳感器主要有熱導(dǎo)式和熱化學(xué)式兩大類(lèi)。

熱導(dǎo)式是利用氣體的熱導(dǎo)率，通過(guò)對(duì)其中熱敏元件電阻的變化來(lái)測(cè)量一種或幾種氣體組分濃度的。其在工業(yè)界的應(yīng)用已有幾十年的歷史，其儀表類(lèi)型較多，能分析的氣體也較廣泛。

熱化學(xué)式是基于被分析氣體化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)，其中廣泛應(yīng)用的是氣體的氧化反應(yīng)（即燃燒），其典型為催化燃燒式氣體傳感器，其主要工作原理是在一定溫度下，一些金屬氧化物半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率會(huì)跟隨環(huán)境氣體的成份變化而變化。

其關(guān)鍵部件為涂有燃燒催化劑的惠斯通電橋，主要用于檢測(cè)可燃?xì)怏w，如煤氣發(fā)生站、制氣廠用來(lái)分析空氣中的CO、H2、C2H2等可燃?xì)怏w，采煤礦井用于分析坑道中的CH4含量，石油開(kāi)采船只分析現(xiàn)場(chǎng)漏泄的甲烷含量，燃料及化工原料保管倉(cāng)庫(kù)或原料車(chē)間分析空氣中的石油蒸氣、酒精乙醚蒸氣等。

七、紅外氣體傳感器

一個(gè)完整的紅外氣體傳感器由紅外光源、光學(xué)腔體、紅外探測(cè)器和信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成。這種傳感器利用氣體對(duì)特定頻率的紅外光譜的吸收作用制成。紅外光從發(fā)射端射向接收端，當(dāng)有氣體時(shí)，對(duì)紅外光產(chǎn)生吸收，接收到的紅外光就會(huì)減少，從而檢測(cè)出氣體含量。目前較先進(jìn)的紅外式采用雙波長(zhǎng)、雙接收器，使檢測(cè)更準(zhǔn)確、可靠。

優(yōu)點(diǎn)：選擇性好，只檢測(cè)特定波長(zhǎng)的氣體，可以根據(jù)氣體定制；采用光學(xué)檢測(cè)方式，不易受有害氣體的影響而中毒、老化；響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好；利用物理特性，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，防爆性好；信噪比高，抗干擾能力強(qiáng)；使用壽命長(zhǎng)；測(cè)量精度高。

缺點(diǎn)：測(cè)量范圍窄；怕灰塵、潮濕，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要好，需要定期對(duì)反射鏡面上的灰塵進(jìn)行清潔維護(hù)；現(xiàn)場(chǎng)有氣流時(shí)無(wú)法檢測(cè)；價(jià)格較高。

八、磁學(xué)式氣體分析傳感器

在磁學(xué)式氣體分析傳感器中，最常見(jiàn)的是利用氧氣的高磁化特性來(lái)測(cè)量氧氣濃度的磁性氧量分析傳感器，利用的是空氣中的氧氣可以被強(qiáng)磁場(chǎng)吸引的原理。其氧量的測(cè)量范圍最寬，是一種十分有效的氧量測(cè)量傳感器。

常用的有熱磁對(duì)流式氧量分析傳感器（按構(gòu)成方式不同，又可細(xì)分為測(cè)速熱磁式、壓力平衡熱磁式）和磁力機(jī)械式氧量分析傳感器。

主要用途：用于氧氣的檢測(cè)，選擇性極好，是磁性氧氣分析儀的核心。其典型應(yīng)用場(chǎng)合有化肥生產(chǎn)、深冷空氣分離、火電站燃燒系統(tǒng)、天然氣制乙炔等工業(yè)生產(chǎn)中氧的控制和連鎖，廢氣、尾氣、煙氣等排放的環(huán)保監(jiān)測(cè)等。

九、氣相色譜式分析儀

基于色譜分離技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)，分離并測(cè)定氣樣中各組分濃度，因此是全分析傳感器。在發(fā)電廠鍋爐試驗(yàn)中，已有應(yīng)用。

工作時(shí)，從進(jìn)樣裝置定期采取一定容積的氣樣，在流量一定的純凈載氣（即流動(dòng)相）攜帶下，流經(jīng)色譜柱，色譜柱中裝有稱(chēng)為固定相的固體或液體，利用固定相對(duì)氣樣各組分的吸收或溶解能力的不同，使各組分在兩相中反復(fù)進(jìn)行分配，從而使各組分分離，并按時(shí)間先后流出色譜柱進(jìn)入檢測(cè)器進(jìn)行定量測(cè)定。

根據(jù)檢測(cè)原理，氣相色譜式分析儀又細(xì)分為濃度型檢測(cè)器和質(zhì)量型檢測(cè)器兩種。

濃度型檢測(cè)器測(cè)量的是氣體中某組分濃度瞬間的變化，即檢測(cè)器的響應(yīng)值和組分的濃度成正比。

質(zhì)量型檢測(cè)器測(cè)量的是氣體中某組分進(jìn)入檢測(cè)器的速度變化，即檢測(cè)器的響應(yīng)值和單位時(shí)間進(jìn)入檢測(cè)器某組分的量成正比。最常用的檢測(cè)器有TCD熱導(dǎo)檢測(cè)器、FLD氫火焰離子化檢測(cè)器、HCD電子捕獲檢測(cè)器、FPD火焰光度檢測(cè)器等。

優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，適合于微量和痕量分析，能分析復(fù)雜的多相分氣體。

不足：定期取樣不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)樣分析，系統(tǒng)較為復(fù)雜，多用于試驗(yàn)室分析用，不太適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)氣體監(jiān)測(cè)。

十、其他氣體傳感器

1．超聲波氣體探測(cè)器

這種氣體探測(cè)器比較特殊，其原理是當(dāng)氣體通過(guò)很小的泄漏孔從高壓端向低壓端泄漏時(shí)，就會(huì)形成湍流，產(chǎn)生振動(dòng)。典型的湍流氣流會(huì)在差壓高于0．2MPa時(shí)變成因素，超過(guò)0．2MPa就會(huì)產(chǎn)生超聲波。湍流分子互相碰撞產(chǎn)生熱能和振動(dòng)。熱能快速分散，但振動(dòng)會(huì)被傳送到相當(dāng)遠(yuǎn)的距離。超聲波探測(cè)器就是通過(guò)接收超聲波判斷是否有空氣泄漏。

這類(lèi)探測(cè)器通常用于石油和天然氣平臺(tái)、發(fā)電廠燃?xì)廨啓C(jī)、壓縮機(jī)以及其它戶(hù)外管道。

2．磁氧分析儀

這種氣體分析儀是基于氧氣的磁化率遠(yuǎn)大于其他氣體磁化率這一物理現(xiàn)象，測(cè)量混合氣體中氧氣的一種物理氣體分析設(shè)備。這種設(shè)備適合自動(dòng)檢測(cè)各種工業(yè)氣體中的氧氣含量，只能用于氧氣檢測(cè)，選擇性極好。