氣體傳感器分類及原理詳解

酒精測試儀的核心部件正是一種可以精確測定酒精成份和濃度的氣體傳感器，執(zhí)法人員正是通過它測出駕駛都呼出的氣體中是否含有酒精成份以及含有酒精的多少，作為判斷對方是否涉嫌酒駕或醉駕的依據(jù)。

氣體傳感器的定義

所謂氣體傳感器，是指用于探測在一定區(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、交通運輸、家庭等安全防護方面，氣體傳感器常用于探測可燃、易燃、有毒氣體的濃度或其存在與否，或氧氣的消耗量等。

在電力工業(yè)等生產(chǎn)制造領域，也常用氣體傳感器定量測量煙氣中各組分的濃度， 以判斷燃燒情況和有害氣體的排放量等。在大氣環(huán)境監(jiān)測領域，采用氣體傳感器判定環(huán)境污染狀況，更是十分普遍。

氣體傳感器的相關歷史

20世紀初第一只半導體傳感器誕生于英國，并一直在歐洲發(fā)展和應用，直到20世紀50年代半導體傳感技術才流傳到日本，費加羅技研的創(chuàng)始人田口尚義在1968年5月率先發(fā)明了半導體式氣體傳感器。

它可以用簡單的回路檢測出低濃度的可燃性氣體和還原性氣體，同時將這個半導體式氣體傳感器命名為TGS（Taguchi Gas Sensor）內(nèi)置在氣體泄漏報警器中，日本和海外的許多家庭和工廠都設置了這些報警器，用于檢測液化氣等氣體的泄漏，進而把這項技術推進到了頂峰。

而歐洲人在發(fā)現(xiàn)了半導體傳感器的種種不足后開始研究催化傳感器和電化學傳感器。氣體傳感器的理論直到70年代才傳入到我們國家，80年代我國才開始研制氣體傳感器，整個生產(chǎn)技術主要繼承于德國。

氣體傳感器的分類

從檢測氣體種類上，通常分為可燃氣體傳感器（常采用催化燃燒式、紅外、熱導、半導體式）、有毒氣體傳感器（一般采用電化學、金屬半導 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，通常分為擴散式氣體傳感器（即傳感器直接安裝在被測對象環(huán)境中，實測氣體通過自然擴散與傳感器檢測元件直接接觸）、吸入式氣體傳感器（是指通過使 用吸氣泵等手段，將待測氣體引入傳感器檢測元件中進行檢測。根據(jù)對被測氣體是否稀釋，又可細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（僅對特定氣體進行檢測）和復合式氣體傳感器（對多種氣體成分進行同時檢測）。

按傳感器檢測原理，通常分為熱學式氣體傳感器、電化學式氣體傳感器、磁學式氣體傳感器、光學式氣體傳感器、半導體式氣體傳感器、氣相色譜式氣體傳感器等。

不同氣體傳感器的檢測原理、特點和用途

熱學式氣體傳感器

熱學式氣體傳感器主要有熱導式和熱化學式兩大類。熱導式是利用氣體的熱導率，通過對其中熱敏元件電阻的變化來測量一種或幾種氣體組分濃度的。其在工業(yè)界的應用已有幾十年的歷史，其儀表類型較多，能分析的氣體也較廣泛。

熱化學式是基于被分析氣體化學反應的熱效應，其中廣泛應用的是氣體的氧化反應（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體材料的電導率會跟隨環(huán)境氣體的成份變化而變化。

其關鍵部件為涂有燃燒催化劑的惠斯通電橋，主要用于檢測可燃氣體，如煤氣發(fā)生站、制氣廠用來分析空氣中的CO、H2 、C2H2等可燃氣體，采煤礦井用于分析坑道中的CH4含量，石油開采船只分析現(xiàn)場漏泄的甲烷含量，燃料及化工原料保管倉庫或原料車間分析空氣中的石油蒸 氣、酒精乙醚蒸氣等。

左圖：催化元件示意圖（1-催化劑；2-載體；3-Pt電熱絲）；右圖：催化元件測試電路

主要優(yōu)點：對所有可燃氣體的響應有廣譜性，對環(huán)境溫度、濕度影響不敏感，輸出信號近線性，且其結構簡單，成本低，計量準確，響應快速，壽命較長。

主要不足：精度低，工作溫度高 （內(nèi)部溫度可達700～800℃），有引燃爆炸的危險。電流功耗大，易受硫化物、鹵素化合物等中毒的不利影響等。