一文解读气体传感器原理、分类、用途

  气体传感器大多数都用在针对某种特定气体进行仔细的检测，测量该气体在传感器附近是不是真的存在，或在传感器附近空气中的含量。因此，在安全系统中，气体传感器通常都是不可或缺的。

  从工作原理、特性分析到测量技术，从所用材料到制造工艺，从检验测试对象到应用领域，都可以构成独立的分类标准，衍生出一个个纷繁庞杂的分类体系，尤其在分类标准的问题上目前还没有统一，要对其进行严格的系统分类难度颇大。

  可燃气体传感器（常采用催化燃烧式、红外、热导、半导体式）、有毒气体传感器（一般都会采用电化学、金属半导体、光离子化、火焰离子化式）、有害化学气体传感器（常采用红外、紫外等）、氧气（常采用顺磁式、氧化锆式）等其它类传感器。从使用方法上，通常分为

  扩散式气体传感器（即传感器直接安装在被测对象环境中，实测气体通过自然扩散与传感器检验测试元件非间接接触）、吸入式气体传感器（是指利用吸气泵等手段，将待测气体引入传感器检验测试元件中进行仔细的检测。根据对被测气体是否稀释，又可细分为完全吸入式和稀释式等）。从分析气体组成上，通常分为单一式气体传感器（仅对特定气体进行仔细的检测）和复合式气体传感器（对多种气体成分进行同时检测）。

  热学式气体传感器、电化学式气体传感器、磁学式气体传感器、光学式气体传感器、半导体式气体传感器、气相色谱式气体传感器等。

  稳定性是指传感器在整个上班时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是指在没有目标气体时，整个上班时间内传感器输出响应的变化。区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化，表现为传感器输出信号在上班时间内的降低。理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于

  灵敏度是指传感器输出变化量与被测输入变化量之比，主要依赖于传感器结构所使用的技术。大多数气体传感器的设计原理都采用生物化学、电化学、物理和光学。首先要考虑的是选择一种敏感技术，它对目标气体的阀限制或爆炸限的百分比的检测要有足够的灵敏性。

  选择性也被称为交叉灵敏度。能够最终靠测量由某一种浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定。这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。这种特性在追踪多种气体的应用中是很重要的，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高选择性。

  性抗腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标气体中的能力。在气体大量泄漏时，探头应可承受期望气体体积分数

  半导体式气体传感器根据由金属氧化物或金属半导体氧化物材料制造成的检测元件，与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化而进行气体浓度测量的。

  从作用机理上可分为表面控制型（采用气体吸附于半导体表面而产生电导率变化的敏感元件）、表面电位型（采用

  半导体吸附气体后产生表面电位或界面电位变化的气体敏感元件）、体积控制型（基于半导体与气体发生反应时体积发生明显的变化，由此产生电导率变化的工作原理）等。可以检测百分比浓度的可燃气体，也可检测ppm级的有毒有害化学气体。优点：结构相对比较简单、价格低、检验测试灵敏度高、反应速度快等。

  固体电解质气体传感器固体电解质是一种具有与电解质水溶液相同的离子导电特性的固态物质，当用作气体传感器时，它是一种电池。它无需使气体经过透气膜溶于电解液中，可以避免溶液蒸发和电极消耗等问题。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，几乎在石化、环保、矿业、食品等各个领域都得到了广泛的应用，其重要性仅次

  这种传感器介于半导体气体传感器和电化学气体传感器之间，选择性、灵敏度较高于半导体气体传感器，寿命长于电化学气体传感器，因此得到普遍应用。这种传感器的不足之处是响应时间过长。

  催化燃烧式气体传感器这种传感器其实就是基于铂电阻温度传感器的一种气体传感器，即在铂电阻表面制备耐高温催化剂层，在一定温度下，可燃气体在表面催化燃烧，因此铂电阻温度上升，导致电阻的阻值变化。

  由于催化燃烧式气体传感器铂电阻外通常由多孔陶瓷构成陶瓷珠包裹，因此这种传感器通常也被

  称为催化珠气体传感器。理论上这种传感器能检测所有可以燃烧的气体，但实际应用中有很多例外。这种传感器通常能够适用于检测空气中的甲烷、LPG、丙酮等可燃气体。

  电化学气体传感器电化学气体传感器是把测量对象气体在电极处氧化或还原而测电流，得出对象气体浓度的探测器。

  包含原电池型气体传感器、恒定电位电解池型气体传感器、浓差电池型气体传感器和极限电流型气体传感器。1、

  原电池型气体传感器（也称：加伏尼电池型气体传感器，也有称燃料电池型气体传感器，也有称自发电池型气体传感器），他们的原理行同我们用的干电池，只是，电池的碳锰电极被气体电极替代了。以氧气传感器为例，氧在阴极被还原，电子通过电流表流到阳极，在那里铅金属被氧化。电流的大小与氧气的浓度直接相关。这种传感器能有效地检测氧气、二氧化硫等。

  恒定电位电解池型气体传感器，这种传感器用于检测还原性气体很有效，它的原理与原电池型传感器不一样，它的电化学反应是在电流强制下发生的，是一种真正的库仑分析（根据电解过程中消耗的电量，由法拉第定律来确定被测物质含量）传感器。这种传感器用于：一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气、肼、等气体的检测之中，是目前有毒有害化学气体检测的主流传感器。3、

  浓差电池型气体传感器，具有电化学活性的气体在电化学电池的两侧，会自发形成浓差电动势，电动势的大小与气体的浓度有关，这种传感器实例就是汽车用氧气传感器、固体电解质型二氧化碳传感器。4、

  极限电流型气体传感器，有一种测量氧气浓度的传感器利用电化池中的极限电流与载流子浓度相关的原理制备氧（气）浓度传感器，用于汽车的氧气检测，和钢水中氧浓度检测。主要优点：体积小，功耗小，线性和重复性较好，分辨率通常能达到

  PID——光离子化气体传感器PID由紫外光源和气室构成。紫外发光原理与日光灯管相同，只是频率高，能量大。被测气体到达气室后，被紫外灯发射的紫外光电离产生电荷流，气体浓度和电荷流的大小正相关，测量电荷流即可测得气体浓度。可以检测从10ppb到较高浓度的10000ppm的挥发性有机物和其他有毒气体。许多有害于人体健康的物质都含有挥发性有机物，PID对挥发性有机物灵敏度很高。

  热导式和热化学式两大类。热导式是利用气体的热导率，通过对其中热敏元件电阻的变化来测量一种或几种气体组分浓度的。其在工业界的应用已有几十年的历史，其仪表类型较多，能分析的气体也较广泛。

  热化学式是基于被分析气体化学反应的热效应，其中大范围的应用的是气体的氧化反应（即燃烧），其典型为催化燃烧式气体传感器，其主要工作原理是在一定温度下，一些金属氧化物半导体材料的电导率会跟随环境气体的成份变化而变化。

  其关键部件为涂有燃烧催化剂的惠斯通电桥，大多数都用在检测可燃气体，如煤气发生站、制气厂用来分析空气中的

  红外气体传感器一个完整的红外气体传感器是由红外光源、光学腔体、红外探测器和信号调理电路构成。这种传感器利用气体对特定频率的红外光谱的吸收作用制成。红外光从发射端射向接收端，当有气体时，对红外光产生吸收，接收到的红外光就会减少，从而检测出气体含量。目前较先进的红外式采用双波长、双接收器，使检测更准确、可靠。

  优点：选择性好，只检测特定波长的气体，能够准确的通过气体定制；采用光学检测方式，不易受有害化学气体的影响而中毒、老化；响应速度快、稳定性高；利用物理特性，没有化学反应，防爆性好；信噪比高，抗干扰能力强；常规使用的寿命长；测量精度高。

  缺点：测量范围窄；怕灰尘、潮湿，现场环境要好，需要定期对反射镜面上的灰尘进行清洁维护；现场有气流时无法检测；价格较高。

  磁学式气体分析传感器在磁学式气体分析传感器中，常见的是利用氧气的高磁化特性来测量氧气浓度的磁性氧量分析传感器，利用的是空气中的氧气可以被强磁场吸引的原理。其氧量的测量范围宽，是一种十分有效的氧量测量传感器。

  常用的有热磁对流式氧量分析传感器（按构成方法不一样，又可细分为测速热磁式、压力平衡热磁式）和磁力机械式氧量分析传感器。

  主要用途：用于氧气的检测，选择性极好，是磁性氧气分析仪的核心。其典型应用场合有化肥生

  产、深冷空气分离、火电站燃烧系统、天然气制乙炔等工业生产里氧的控制和连锁，废气、尾气、烟气等排放的环保监测等。

  气相色谱式分析仪基于色谱分离技术和检测技术，分离并测定气样中各组分浓度，因此是全分析传感器。在发电厂锅炉试验中，已有应用。

  工作时，从进样装置定期采取一定容积的气样，在流量一定的纯净载气（即流动相）携带下，流经色谱柱，色谱柱中装有称为固定相的固体或液体，利用固定相对气样各组分的吸收或溶解能力的不同，使各组分在两相中反复进行分配，从而使各组分分离，并按时间先后流出色谱柱进入检测器进行定量测定。

  浓度型检测器测量的是气体中某组分浓度瞬间的变化，即检测器的响应值和组分的浓度成正比。

  质量型检测器测量的是气体中某组分进入检测器的速度变化，即检测器的响应值和单位时间进入检测器某组分的量成正比。常用的检测器有

  超声波气体探测器这种气体探测器比较特殊，其原理是当气体通过很小的泄漏孔从高压端向低压端泄漏时，就会形成湍流，产生振动。典型的湍流气流会在差压高于

  磁氧分析仪这种气体分析仪是基于氧气的磁化率远大于其他气体磁化率这一物理现象，测量混合气体中氧气的一种物理气体分析设备。这种设备适合自动检验测试各种工业气体中的氧气含量，只能用于氧气检测，选择性极好。