氣體傳感器的定義

所（suǒ）謂氣體傳感器，是指用於探測在（zài）一定區域範圍內是否（fǒu）存在特定氣（qì）體和/或能連續測量氣體成（chéng）分濃度的傳感器。在煤礦、石油、化工、市政、醫（yī）療、交通運輸（shū）、家庭等安（ān）全防護方麵，氣體傳感器常用於探測可燃、易燃、有毒氣（qì）體的濃度或其存在與否，或氧氣的消耗量等（děng）。

在電力工業等生產製（zhì）造（zào）領域，也常用氣（qì）體（tǐ）傳感器定量（liàng）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。在大氣環境（jìng）監測領域，采用氣體（tǐ）傳感器判定環境汙染狀（zhuàng）況（kuàng），更是（shì）十分普遍（biàn）。

氣體傳感器主要用於針對某種特定氣（qì）體進行檢測，測量該氣體在傳（chuán）感器附近是否存在，或在傳感器附近空氣中的含（hán）量。因此，在安全係統中，氣體傳感器通常都是不可或缺（quē）的。

氣體傳（chuán）感器的分類

從檢測氣體（tǐ）種類（lèi）上，通常分（fèn）為（wéi）可燃氣體傳感器（常采用催化燃燒式、紅外、熱導、半（bàn）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（qì）（常采用（yòng）順磁（cí）式、氧化鋯式）等其它類傳（chuán）感（gǎn）器。

從使用方法上，通常分為（wéi）便攜式氣體傳感器和固定式氣體傳感器。

從（cóng）獲得氣體樣品的方式上，通常分為擴散式氣體傳（chuán）感器（qì）（即傳感（gǎn）器直（zhí）接安裝在被測對象環境中，實測氣體通（tōng）過自然擴散與傳（chuán）感器檢測（cè）元件直（zhí）接接觸）、吸入式氣體傳感器（是指（zhǐ）通過使 用吸氣泵等手段，將（jiāng）待測氣體引入傳感器檢（jiǎn）測元件中進行檢測。根據對被測氣體是否（fǒu）稀（xī）釋，又（yòu）可細分為完全吸入（rù）式和稀釋式等）。

從（cóng）分析氣體組（zǔ）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）和複合式氣體傳感器（對多種氣體成分進行同（tóng）時檢測）。

按傳（chuán）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。

關於不同氣體傳感器的檢測（cè）原理、特點和用途（tú）：

熱學式氣體（tǐ）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（rè）導率，通過對其中熱敏元件電（diàn）阻的變化來測量（liàng）一種或幾（jǐ）種氣體組（zǔ）分濃度的。其在工業界的應用已有幾十年的曆史，其儀表類（lèi）型（xíng）較多，能分析的氣體也較廣泛。

熱化學式是基於被分析氣體化（huà）學反應的熱效應，其中廣泛應用的（de）是（shì）氣體的氧化反應（即燃燒），其典型為催化燃燒式（shì）氣（qì）體傳感器，其主要工作（zuò）原理是（shì）在一定溫度（dù）下，一些金屬氧化物半導體材料的電導率（lǜ）會跟隨環（huán）境氣體的成份變化而（ér）變化。

其關鍵部（bù）件為塗有燃燒催化（huà）劑的惠斯通電橋，主（zhǔ）要用（yòng）於檢測可燃氣體，如煤氣發生站（zhàn）、製氣廠用來分析空氣（qì）中的CO、H2 、C2H2等可燃氣體，采煤礦井用於分析坑道中的CH4含量，石油開采船隻分析現場漏泄的甲烷含量（liàng），燃料及化工原料保管倉庫或原（yuán）料車間分析空氣（qì）中的（de）石油蒸 氣、酒精乙醚蒸氣等。

電化學氣體傳感器

電化學（xué）式氣體（tǐ）傳感器是利用（yòng）被測氣體的電化學活性，將其電（diàn）化學氧化或還（hái）原，從而分辨氣體成分（fèn），檢測氣體濃度的（de）。

電化學傳感器擁有很多子類：

1.原電（diàn）池（chí）型氣體（tǐ）傳感器

這種傳（chuán）感器（qì）也（yě）被稱（chēng）為加伏尼（ní）電池型氣體（tǐ）傳感器，或燃料電池型氣體傳感器、自發電池（chí）型氣體傳感器（qì）。他們原理與我們（men）日常使用的幹電池相同，隻不過電池碳錳電極被氣體電極替代了。以氧氣傳感器為（wéi）例，氧陰極被還原，電子電流表流到陽極，那裏鉛金屬被氧化。因此電流大（dà）小與氧（yǎng）氣濃度直接相關。這（zhè）種傳感器可以有效檢測氧氣、二氧化硫、氯氣等氣體。

2.恒定電位電（diàn）解（jiě）池型氣體傳感（gǎn）器（qì）

這種（zhǒng）傳感器（qì）用於檢測（cè）還原性（xìng）氣（qì）體非常有效，它原理與原電池型傳感器不一樣，電化學反應是電流強製下發生，是一種真正庫侖分析（根據電解過程中消耗的（de）電量，由法拉第定律來確定被測物質含量）傳（chuán）感器。這種傳感器已經成功（gōng）用於一（yī）氧化碳、硫化氫、氫氣、氨氣（qì）、肼等氣體檢（jiǎn）測之中，是目前（qián）有毒有害氣體（tǐ）檢測主流傳感器。

3.濃差電池型（xíng）氣體傳感器（qì）

這種傳感器具（jù）有電化學活性的氣體在電化學電池的兩（liǎng）側（cè），會自發形成濃（nóng）差電動勢，電動勢（shì）的大小與氣體的濃（nóng）度有（yǒu）關，這種傳感（gǎn）器的成功實例就是汽車用氧氣傳感器、固體電解質型（xíng）二氧化碳（tàn）檢測儀。

4.極限電流型氣體傳（chuán）感器

這是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的原理製備氧（氣（qì））濃度傳感器，用於汽（qì）車的氧氣檢測，和鋼水中氧濃度檢測。

主（zhǔ）要（yào）優點：體（tǐ）積小，功耗小，線性和重複性較好，分辨率一般可以達到0.1ppm，壽命較長。

主要不足：易受幹擾，靈（líng）敏（mǐn）度受溫度變化影響較大。

氧化鋯氧（yǎng）量（liàng）傳感器是（shì）電化（huà）學式成（chéng）分分析傳感（gǎn）器中發展比較（jiào）晚的（de）一種，開始出現於20世紀60年代，其工作基理是根據濃差電池原（yuán）理，通過測量待分析氣體和參（cān）比氣體因氧氣濃度（dù）差異而導致的濃差電動勢，來測量待分析（xī）氣體中的含氧量。

由於它具（jù）有結構簡單、工作可靠、靈敏度高、穩定性好、響應速度快、安裝使用方便（biàn）等優點，因此發展較快。常應（yīng）用於硫酸、空（kōng）氣（qì）分離、鍋爐燃燒等多組分氣體的氧量分析以及熔融金屬的含氧測定等。

磁學式氣體分析傳感器

在磁學式氣體（tǐ）分（fèn）析傳感器中，最（zuì）常（cháng）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（de）是空氣中（zhōng）的氧氣可以被強磁場吸引的（de）原理。其氧量的測量範圍（wéi）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（yǎng）量分析傳感器（按構成方式不同，又（yòu）可細分（fèn）為測速熱磁式、壓力平衡熱磁式）和磁力機械式氧量（liàng）分析傳感器。

主（zhǔ）要用途：用於氧氣的檢測，選擇（zé）性極好，是磁性氧氣分析儀的核（hé）心。其典型應用場合有化肥生 產、深（shēn）冷空氣分離、火電站燃燒係（xì）統、天然（rán）氣製乙炔等工（gōng）業生產中氧的控製和連鎖，廢氣（qì）、尾氣、煙氣等排放的環保監測等（děng）。

半導體式氣體傳感（gǎn）器

根據由金屬氧化物或金屬半導體氧化（huà）物材（cái）料製（zhì）成的檢測（cè）元件，與氣體相互作用時產生表麵吸附或反應，引起載流子運動為特征的電導率或伏安特性或表麵電位變化而進（jìn）行氣體濃度測量的。

從作用機理上可分為表麵（miàn）控（kòng）製型（采用氣體吸附於半導體表麵而產（chǎn）生電導率變（biàn）化的敏感（gǎn）元件）、表麵電位型（采用 半（bàn）導（dǎo）體吸附氣體（tǐ）後產生表麵電位或界（jiè）麵（miàn）電位變化的氣體敏感元件）、體積控製型（基於半導體與氣體發生（shēng）反應（yīng）時體積發生（shēng）變化，從而產生電導（dǎo）率變化的（de）工作原理） 等。可以檢測（cè）百分比濃度的可燃氣體（tǐ），也可檢測ppm級的有毒有害氣體。

優點：結構簡單、價格低廉、檢測靈敏度（dù）高、反應速度快等。

不（bú）足：測量線性 範圍（wéi）較小，受（shòu）背景氣體幹擾較大，易受環境溫度影（yǐng）響（xiǎng）等。

催化（huà）燃燒式氣體傳感（gǎn）器

這（zhè）種傳感（gǎn）器實際上是基於鉑電阻溫度傳感器的一種氣體傳感器，即在鉑（bó）電阻表麵製備耐（nài）高溫催（cuī）化劑層，在一定溫度下，可燃氣體在表（biǎo）麵催化燃燒，因此鉑電阻溫度升高，導致電阻的阻值變化。

由於催（cuī）化燃燒式氣體傳感器鉑電（diàn）阻外通常（cháng）由多孔陶瓷構成陶瓷珠包裹，因此這種傳感器通常也被成為催化珠氣體傳感器。理論上這種傳感器可（kě）以檢測所有可以燃燒的氣體，但實際應用中有很多例外（wài）。這種傳（chuán）感器（qì）通常可以用於檢測空氣中的甲烷、LPG、丙酮（tóng）等可（kě）燃氣體（tǐ）。

光離子化氣體傳感器

通常被稱（chēng）為PID，是一種具有極高靈敏度，用途廣泛的檢測（cè）器，可以檢（jiǎn）測從10ppb到較高濃度的10000ppm的揮發性有機物和其他有毒氣體。許多有害物質都含有揮發性有（yǒu）機（jī）化合物，PID對揮發性有機化合物靈敏度很高。

PID可檢測（cè）芳香烴類、酮類、醛類、氯代烴類、胺及胺類化合物和不飽和烴類。

紅外氣體傳感器

這種傳感器利用氣體對特定頻率的紅外光譜（pǔ）的吸收作（zuò）用製成。紅外光從發射端射向接收端，當有氣體時，對紅外光產生吸收，接收到的紅外光（guāng）就會減少，從而檢測出氣體含量。目（mù）前較先進的紅外式采用雙波長、雙接收器，使檢測更準確、可靠。

優點：選擇性好，隻檢測特定波長的氣體，可以根據（jù）氣體定製；采用光學檢測方式，不易（yì）受有害氣體的影響而中毒、老化；響應速度快、穩（wěn）定性好；利用物理特（tè）性，沒有化學反應，防（fáng）爆性（xìng）好；信噪比高，抗幹擾（rǎo）能力強（qiáng）；使用（yòng）壽命長；測量精度高。

缺點：測量範圍窄；怕灰塵、潮濕，現場環境要好，需要定期對反射（shè）鏡麵（miàn）上的灰塵進行清潔維護；現（xiàn）場有氣流時（shí）無法檢測；價格較（jiào）高。

固體電解質氣體傳感器

指以固體電解質（zhì）作為傳感材料的氣體（tǐ）傳感器，常用的固體（tǐ）電解質主要包括：穩定氧化鋯、鈉離子快導（dǎo）體、質子導體以及一些低價金屬的鹵化物等。固（gù）體電解質氣體（tǐ）傳感器按照檢測信號的特點可分為平衡電位（wèi）型、混成電位型、限製電（diàn）流型和短路電流型等。

這種（zhǒng）傳感器介於半導體氣體傳感（gǎn）器和電（diàn）化學氣體傳感器之間，選擇性、靈（líng）敏度高於半導體氣體傳感器，壽命長（zhǎng）於電化學氣體傳感器，因此得到廣泛應用。這（zhè）種傳感（gǎn）器的不足之處是響應時間過長。

超聲波氣體探測器

這種（zhǒng）氣（qì）體探測器比較特殊，其原理是（shì）當氣（qì）體通過很小的泄漏孔從高壓（yā）端向低壓端泄漏時，就會（huì）形成湍流，產生（shēng）振動。典型的湍流氣流（liú）會在（zài）差壓高於（yú）0.2MPa時變成因素，超過0.2MPa就會產生超（chāo）聲波。湍流分子互相碰撞產生熱能和振（zhèn）動。熱能快速分散，但振動會被傳送到相當遠的距離。超聲波探測器就是通過接收超聲波（bō）判斷是否有空氣泄漏。

這（zhè）類（lèi）探測（cè）器通常勇於（yú）石油和天然氣平台、發（fā）電廠燃氣輪機、壓縮機以及其它戶外（wài）管（guǎn）道。

磁（cí）氧分析儀

這種氣體分析儀是基於氧氣的磁化（huà）率遠大於其他氣（qì）體磁化率這一物理（lǐ）現象，測量混合（hé）氣體（tǐ）中氧氣的（de）一種物理氣體分析設備。這種設備適（shì）合自動檢測各種工（gōng）業（yè）氣體中的氧氣含量，隻能用於氧氣檢測，選（xuǎn）擇性極好。

氣相色譜式分析儀

基於色譜（pǔ）分（fèn）離技術和檢測技術，分（fèn）離並測定氣樣中各組分濃度，因此（cǐ）是全分析傳感器。在發電廠鍋爐試驗中，已有應用。

工作時，從進樣裝置定（dìng）期采取一定容積的氣樣，在（zài）流量一（yī）定的純淨載氣（即流動相）攜帶下，流經色（sè）譜柱，色譜柱中裝（zhuāng）有稱為固定相的（de）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（shǐ）各組分在兩相中反複進行分配，從而使各組分分離，並按時間先後流出色譜柱進（jìn）入檢測器進行定（dìng）量測定。

根據檢測原理（lǐ），氣相色譜式分析儀又細分為（wéi）濃度型檢測（cè）器和質量型檢測（cè）器兩種。

濃度型（xíng）檢測器測量的是氣體中某組分濃度瞬間的變化，即檢（jiǎn）測器的響應值（zhí）和（hé）組分的（de）濃度成正比。

質量型檢測器測量的是氣（qì）體中某（mǒu）組分進（jìn）入檢測器（qì）的（de）速度變化，即檢測（cè）器的響應值和單位時間進入檢測器某組分的量成正比。最常用的（de）檢測器有TCD熱導檢測器、FLD氫火焰離子化檢（jiǎn）測器、HCD電子捕獲檢測器、FPD火焰光度檢測器等。

優點：靈敏度高，適（shì）合於微量和痕量分析，能分析複雜的多相分（fèn）氣體。

不足：定期（qī）取樣不能實現連續進（jìn）樣分析，係（xì）統較為複雜，多用於 試驗室分析用（yòng），不太適合工業現場氣體監測。

目前已有采用計算機控製儀表係（xì）統的操作和進（jìn）行數據運算的氣相色譜儀，並可進行組分越限報警，還具有自動檢查儀表（biǎo）故障等功能。

隨著健康問（wèn）題越來越得到關注，大氣質量、室內空氣質量、車內空氣質量監控數據成為人們隨時隨地想看到的數據，氣體傳感器（qì）在這一過程中無疑將（jiāng）扮演更加重要的角色。