氣體傳感器原理及應(yīng)用概覽

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儀表。在煤礦、石油、化工、市政、醫(yī)療、交通運(yùn)輸、家庭等防護(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。在電力工業(yè)等生產(chǎn)制造領(lǐng)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(lǐng)域，采用氣體傳感器判定環(huán)境污染狀況，是十分普遍。

氣體傳感器的分類，從檢測氣體種類上，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；從儀表使用方法上，分為便攜式和固定式；從獲得氣體樣品的方式上，分為擴(kuò)散式（即傳感器直接安裝在被測對象環(huán)境中，實(shí)測氣體通過自然擴(kuò)散與傳感器檢測元件直接接觸）、吸入式（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)分為吸入式和稀釋式等）；從分析氣體組分上，分為單一式（僅對特定氣體進(jìn)行檢測）和復(fù)合式（對多種氣體成分進(jìn)行同時(shí)檢測）；按傳感器檢測原理，分為熱學(xué)式、電化學(xué)式、磁學(xué)式、光學(xué)式、半導(dǎo)體式、氣相色譜式等。

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（如H2、CO2、SO2、NH3、Ar等）。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、酒精蒸氣等。美國RAE Systems公司生產(chǎn)的FGM-3100催化燃燒式可燃?xì)怏w檢測儀，其采樣方式為擴(kuò)散式，檢測精度達(dá)±2%滿量程，響應(yīng)時(shí)間＜15s。催化燃燒式氣體傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是對可燃?xì)怏w的響應(yīng)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(jié)構(gòu)簡單，成本低。但其主要不足是精度低，工作溫度高（內(nèi)部溫度可達(dá)700～800℃），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(xué)式氣體傳感器

電化學(xué)式氣體傳感器是利用被測氣體的電化學(xué)活性，將其電化學(xué)氧化或還原，從而分辨氣體成分，檢測氣體濃度的。較常見的電化學(xué)傳感器類型有原電池型（其工作原理類似于燃料電池）、恒定電位電解池型（在電流強(qiáng)制作用下工作，屬庫侖分析類傳感器）等。目前，電化學(xué)傳感器是檢測有毒、有害氣體zui常見和zui成熟的傳感器。其特點(diǎn)是體積小，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。不足是易受干擾，靈敏度受溫度變化影響較大?；裟犴f爾旗下的英國城市技術(shù)公司所生產(chǎn)的用于檢測H 2 S的3HH電化學(xué)傳感器，其測量范圍0～50ppm，zui大允許值500ppm，分辨率為0.1ppm，外形尺寸約為外徑42mmX高18mm，其主要交叉干擾源有CO、SO2、NO、NO2、H2等。氧化鋯氧量傳感器是電化學(xué)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(jì)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(dǎo)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(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、安裝使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展較快。常應(yīng)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(xué)式氣體分析傳感器

在磁學(xué)式氣體分析傳感器中，zui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，其氧量的測量范圍zui寬，是一種十分有效的氧量測量儀表。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(jī)械式氧量分析傳感器。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。

光學(xué)式氣體傳感器

光學(xué)式氣體傳感技術(shù)是起步較晚，但發(fā)展zui快的技術(shù)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(xué)發(fā)光式分析儀、光散射式分析儀等。

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(yīng)而實(shí)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。日本島津所生產(chǎn)的SOA-307/307Dx二氧化硫連續(xù)分析儀，測量方法是采用單光源雙光柱非色散紅外線吸收法，即通過向被測氣體輻射寬帶紅外線并用波長選擇檢測器來選擇頻帶，以此來測量SO2特定波長紅外線輻射的吸收，其測量范圍為zui小0～100ppm，zui大可達(dá)0～1vol%。

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(shí)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(shí)產(chǎn)生特征熒光，其發(fā)出的熒光強(qiáng)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(dá)測量范圍的0～2×10 -7 ，穩(wěn)定性可做到在24h的漂移為滿刻度的±2%，重復(fù)性達(dá)±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(diǎn)。

光電比色式是基于比爾定律實(shí)現(xiàn)自動光電比色測量的，其適用的分析對象有SO2、NO、碳?xì)浠衔?、鹵素化合物等。

化學(xué)發(fā)光式分析儀是利用化學(xué)氧化反應(yīng)伴有的光熱生成原理而工作，常用的化學(xué)發(fā)光式分析儀有臭氧分析儀（利用O3-C2H4產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光反應(yīng)所放出的光子來測定臭氧）和化學(xué)發(fā)光式NO X 分析儀（利用O3的強(qiáng)氧化作用，使NO與O3發(fā)生化學(xué)發(fā)光反應(yīng)來實(shí)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(jìn)行氣體濁度或不透明度測量的，是環(huán)境排放監(jiān)zui常用的分析儀表之一。

半導(dǎo)體式氣體傳感器

半導(dǎo)體式氣體傳感器是根據(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(shí)產(chǎn)生表面吸附或反應(yīng)，引起載流子運(yùn)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(jī)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(shí)體積發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電導(dǎo)率變化的工作原理）等。可以檢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。具有結(jié)構(gòu)簡單、檢測靈敏度高、反應(yīng)速度快等諸多實(shí)用性優(yōu)點(diǎn)，但其主要不足是測量線性范圍較小，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(shù)和檢測技術(shù)，分離并測定氣樣中各組分濃度，因此是全分析儀表。在發(fā)電廠鍋爐試驗(yàn)中，已有應(yīng)用。工作時(shí)，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(shí)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，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。