氣體傳感器的原理、分類及用途說明

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(hù)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。

氣體傳感器主要用于針對某種特定氣體進(jìn)行檢測，測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、特性分析到測量技術(shù)，從所用材料到制造工藝，從檢測對象到應(yīng)用領(lǐng)域，都可以構(gòu)成獨立的分類標(biāo)準(zhǔn)，衍生出一個個紛繁龐雜的分類體系，尤其在分類標(biāo)準(zhǔn)的問題上目前還沒有統(tǒng)一，要對其進(jìn)行嚴(yán)格的系統(tǒng)分類難度頗大。

氣體傳感器的分類

從檢測氣體種類上，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(jìn)行檢測。根據(jù)對被測氣體是否稀釋，又可細(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（僅對特定氣體進(jìn)行檢測）和復(fù)合式氣體傳感器（對多種氣體成分進(jìn)行同時檢測）。

按傳感器檢測原理，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。

先來了解一下氣體傳感器的特性：

1、穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是指傳感器在整個工作時間內(nèi)基本響應(yīng)的穩(wěn)定性，取決于零點漂移和區(qū)間漂移。零點漂移是指在沒有目標(biāo)氣體時，整個工作時間內(nèi)傳感器輸出響應(yīng)的變化。區(qū)間漂移是指傳感器連續(xù)置于目標(biāo)氣體中的輸出響應(yīng)變化，表現(xiàn)為傳感器輸出信號在工作時間內(nèi)的降低。理想情況下，一個傳感器在連續(xù)工作條件下，每年零點漂移小于10％。

2、靈敏度

靈敏度是指傳感器輸出變化量與被測輸入變化量之比，主要依賴于傳感器結(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)，它對目標(biāo)氣體的閥限制或最低爆炸限的百分比的檢測要有足夠的靈敏性。

3、選擇性

選擇性也被稱為交叉靈敏度?？梢酝ㄟ^測量由某一種濃度的干擾氣體所產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)來確定。這個響應(yīng)等價于一定濃度的目標(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，因為交叉靈敏度會降低測量的重復(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

性抗腐蝕性是指傳感器暴露于高體積分?jǐn)?shù)目標(biāo)氣體中的能力。在氣體大量泄漏時，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，主要通過材料的選擇來確定。選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾烷_發(fā)新材料，使氣體傳感器的敏感特性達(dá)到最優(yōu)。

接下來是關(guān)于不同氣體傳感器的檢測原理、特點和用途：

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元件，與氣體相互作用時產(chǎn)生表面吸附或反應(yīng)，引起載流子運動為特征的電導(dǎo)率或伏安特性或表面電位變化而進(jìn)行氣體濃度測量的。

從作用機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測百分比濃度的可燃?xì)怏w，也可檢測ppm級的有毒有害氣體。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、檢測靈敏度高、反應(yīng)速度快等。

不足：測量線性范圍較小，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，它是一種電池。它無需使氣體經(jīng)過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)、食品等各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，其重要性僅次于金屬—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)時間過長。

三、催化燃燒式氣體傳感器

這種傳感器實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為催化珠氣體傳感器。理論上這種傳感器可以檢測所有可以燃燒的氣體，但實際應(yīng)用中有很多例外。這種傳感器通常可以用于檢測空氣中的甲烷、LPG、丙酮等可燃?xì)怏w。

四、電化學(xué)氣體傳感器

電化學(xué)氣體傳感器是把測量對象氣體在電極處氧化或還原而測電流，得出對象氣體濃度的探測器。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：加伏尼電池型氣體傳感器，也有稱燃料電池型氣體傳感器，也有稱自發(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，電子通過電流表流到陽極，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)是在電流強制下發(fā)生的，是一種真正的庫侖分析（根據(jù)電解過程中消耗的電量，由法拉第定律來確定被測物質(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、等氣體的檢測之中，是目前有毒有害氣體檢測的主流傳感器。

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)，會自發(fā)形成濃差電動勢，電動勢的大小與氣體的濃度有關(guān)，這種傳感器實例就是汽車用氧氣傳感器、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，用于汽車的氧氣檢測，和鋼水中氧濃度檢測。

主要優(yōu)點：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。

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)，測量電荷流即可測得氣體濃度?？梢詸z測從10ppb到較高濃度的10000ppm的揮發(fā)性有機物和其他有毒氣體。許多有害物質(zhì)都含有揮發(fā)性有機化合物，PID對揮發(fā)性有機化合物靈敏度很高。

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。

熱導(dǎo)式是利用氣體的熱導(dǎo)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(yīng)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(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，主要用于檢測可燃?xì)怏w，如煤氣發(fā)生站、制氣廠用來分析空氣中的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。

七、紅外氣體傳感器

一個完整的紅外氣體傳感器由紅外光源、光學(xué)腔體、紅外探測器和信號調(diào)理電路構(gòu)成。這種傳感器利用氣體對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，對紅外光產(chǎn)生吸收，接收到的紅外光就會減少，從而檢測出氣體含量。目前較先進(jìn)的紅外式采用雙波長、雙接收器，使檢測更準(zhǔn)確、可靠。

優(yōu)點：選擇性好，只檢測特定波長的氣體，可以根據(jù)氣體定制；采用光學(xué)檢測方式，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，沒有化學(xué)反應(yīng)，防爆性好；信噪比高，抗干擾能力強；使用壽命長；測量精度高。

缺點：測量范圍窄；怕灰塵、潮濕，現(xiàn)場環(huán)境要好，需要定期對反射鏡面上的灰塵進(jìn)行清潔維護(hù)；現(xiàn)場有氣流時無法檢測；價格較高。

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，最常見的是利用氧氣的高磁化特性來測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磁場吸引的原理。其氧量的測量范圍最寬，是一種十分有效的氧量測量傳感器。

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

主要用途：用于氧氣的檢測，選擇性極好，是磁性氧氣分析儀的核心。其典型應(yīng)用場合有化肥生產(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)測等。

九、氣相色譜式分析儀

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

工作時，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（即流動相）攜帶下，流經(jīng)色譜柱，色譜柱中裝有稱為固定相的固體或液體，利用固定相對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，并按時間先后流出色譜柱進(jìn)入檢測器進(jìn)行定量測定。

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

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

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

優(yōu)點：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：定期取樣不能實現(xiàn)連續(xù)進(jìn)樣分析，系統(tǒng)較為復(fù)雜，多用于試驗室分析用，不太適合工業(yè)現(xiàn)場氣體監(jiān)測。

十、其他氣體傳感器

1．超聲波氣體探測器

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

這類探測器通常用于石油和天然氣平臺、發(fā)電廠燃?xì)廨啓C、壓縮機以及其它戶外管道。

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)備適合自動檢測各種工業(yè)氣體中的氧氣含量，只能用于氧氣檢測，選擇性極好。