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。

電化學式氣體傳感器

電化學式氣體傳感器是利用被測氣體的電化學活性，將其電化學氧化或還原，從而分辨氣體成分，檢測氣體濃度的。

電化學型氣體傳感器結構示意圖

電化學氣體傳感器分很多子類：

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。這種傳感器可以有效地檢測氧氣、二氧化硫、氯氣等。

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，它的電化學反應是在電流強制下發(fā)生的，是一種真正的庫侖分析的傳感器。這種傳感器已經(jīng)成功地用于：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，具有電化學活性的氣體在電化學電池的兩側，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，這種傳感器的成功實例就是汽車用氧氣傳感器、固體電解質型二氧化碳傳感器。

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，線性和重復性較好，分辨率一般可以達到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。

氧化鋯氧量傳感器是電化學式成分分析傳感器中發(fā)展比較晚的一種，開始出現(xiàn)于20世紀60年代，其工作基理是 根據(jù)濃差電池原理，通過測量待分析氣體和參比氣體因氧氣濃度差異而導致的濃差電動勢，來測量待分析氣體中的含氧量。

由于它具有結構簡單、工作可靠、靈敏度 高、穩(wěn)定性好、響應速度快、安裝使用方便等優(yōu)點，因此發(fā)展較快。常應用于硫酸、空氣分離、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（按構成方式不同，又可細分為測速熱磁式、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。

光學式氣體傳感器

光學式氣體傳感技術是起步較晚，但發(fā)展最快的技術之一。工業(yè)中常用的類型有紅外線氣體分析儀、紫外線分析儀、光電比色式分析儀、化學發(fā)光式分析儀、光散射式分析儀等。

各種氣體吸收紅外線光譜圖

紅外線式的工作原理是利用被測氣體的紅外吸收光譜特征或熱效應而實現(xiàn)氣體濃度測量的。常用光譜范圍1～25μm，常用的類型有DIR色散紅外線式和 NDIR非色散紅外線式。紅外線氣體傳感器可以有效地分辨氣體的種類，準確測定氣體濃度，包括二氧化碳、甲烷的檢測。紅外探測器使用無需調制光源，完全沒有機械運動部件，完全實現(xiàn)免維護化。

常用的紫外線分析儀有不分光紫外線分析儀和紫外熒光式分析儀，前者與紅外線吸收原理類似，也是基于實測氣體對紫外線選擇性地吸收，其吸收特性也遵守比 爾定律，所使用的紫外波長范圍是200～400nm。

后者如紫外熒光式SO2分析儀，是一種干法式分析儀，工作原理是基于SO2分子接受紫外線能量成為激 發(fā)態(tài)的SO2分子，在返回穩(wěn)態(tài)時產(chǎn)生特征熒光，其發(fā)出的熒光強度與SO2濃度成正比。

紫外熒光式可做到不破壞樣品而連續(xù)自動測量大氣中的SO2含量。其靈敏度可達測量范圍的0～2&TImes;10 -7 ，穩(wěn)定性可做到在24h的漂移為滿刻度的±2%，重復性達±2%滿刻度，且共存的背景氣體對測量的影響較小，具有壽命長，維修工作量小的顯著優(yōu)點。

光電比色式是基于比爾定律實現(xiàn)自動光電比色測量的，其適用的分析對象有SO2、NO、碳氫化合物、鹵素化合物等。

化學發(fā)光式分析儀是利用化學氧化反應伴有的光熱生成原理而工作，常用的化學發(fā)光式分析儀有臭氧分析儀（利用O3-C2H4產(chǎn)生化學發(fā)光反應所放出的光子來測定臭氧）和化學發(fā)光式NO X 分析儀（利用O3的強氧化作用，使NO與O3發(fā)生化學發(fā)光反應來實現(xiàn)測量）。

光散射式分析儀是利用光束與氣體中的顆粒相互作用產(chǎn)生散射（前散射、邊散射、后散射）來進行氣體濁度或不透明度測量的，是環(huán)境排放監(jiān)測中最常用的分析儀表之一。

半導體式氣體傳感器

半導體式氣體傳感器是根據(jù)由金屬氧化物或金屬半導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，引起載流子運動為特征的電導率或 伏安特性或表面電位變化而進行氣體濃度測量的。

表面電荷層模型工作示意圖

金屬氧化物半導體在空氣中被加熱到一定溫度時，氧原子被吸附在帶負電荷的半導體表面，半導體表面的電子會被轉移到吸附氧上，氧原子就變成了氧負離子，同時在半導體表面形成一個正的空間電荷層，導致表面勢壘升高，從而阻礙電子流動。

在敏感材料內(nèi)部，自由電子必須穿過金屬氧化物半導體微晶粒的結合部位（晶界）才能形成電流，由氧吸附產(chǎn)生的勢壘同樣存在于晶界而阻礙電子的自由流動，傳感器的電阻即緣于這種勢壘，在工作條件下當傳感器遇到還原性氣體時，氧負離子因與還原性氣體發(fā)生氧化還原反應而導致其表面濃度降低，勢壘隨之降低，導致傳感器的組織減小。

從作用機理上可分為表面控制型（采用氣體吸附于半導體表面而產(chǎn)生電導率變化的敏感元件）、表面電位型（采用 半導體吸附氣體后產(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（基于半導體與氣體發(fā)生反應時體積發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電導率變化的工作原理） 等?？梢詸z測百分比濃度的可燃氣體，也可檢測ppm級的有毒有害氣體。

主要優(yōu)點：結構簡單、價格低廉、檢測靈敏度高、反應速度快等。

主要不足：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。

氣相色譜式分析儀

氣相色譜式分析儀是基于色譜分離技術和檢測技術，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，已有應用。

工作時，從進樣裝置 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進行分配，從而使各組分分離，并按時間先后流出色譜柱進入檢測器進行定量測定。

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

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

質量型檢測器測量的是氣體中某組分進入檢測器的速度變化，即檢測器的響應值和單位時間進入檢測器某組分的量成正比。最常用的檢測器有TCD熱導檢測 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。

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

主要不足：定期取樣不能實現(xiàn)連續(xù)進樣分析，系統(tǒng)較為復雜，多用于 試驗室分析用，不太適合工業(yè)現(xiàn)場氣體監(jiān)測。

目前已有采用計算機控制儀表系統(tǒng)的操作和進行數(shù)據(jù)運算的氣相色譜儀，并可進行組分越限報警，還具有自動檢查儀表 故障等功能。

隨著健康問題越來越得到關注，大氣質量、室內(nèi)空氣質量、車內(nèi)空氣質量監(jiān)控數(shù)據(jù)則成為人們隨時隨地想看到的數(shù)據(jù)，氣體傳感器在這一過程中無疑將扮演更加重要的角色。

作為一種將某種氣體體積分數(shù)轉化成對應電信號的轉換器，氣體傳感器的用途十分廣泛。現(xiàn)實生活中，實際上不論是在民用、工業(yè)還是環(huán)境檢測等方面，氣體傳感器發(fā)揮著巨大的作用。