氣體傳感器原理及應(yīng)用概覽

傳感器是指用于探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)對(duì)象環(huán)境中，實(shí)測(cè)氣體通過自然擴(kuò)散與傳感器檢測(cè)元件直接接觸）、吸入式（是指通過使用吸氣泵等手段，將待測(cè)氣體引入傳感器檢測(cè)元件中進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)對(duì)被測(cè)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(duì)特定氣體進(jìn)行檢測(cè)）和復(fù)合式（對(duì)多種氣體成分進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)）；按傳感器檢測(cè)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(duì)其中熱敏元件電阻的變化來測(cè)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(cè)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(chǎng)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(cè)儀，其采樣方式為擴(kuò)散式，檢測(cè)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(duì)可燃?xì)怏w的響應(yīng)有廣譜性，對(duì)環(huán)境溫度、濕度影響不敏感，輸出信號(hào)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(cè)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(cè)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(cè)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。霍尼韋爾旗下的英國城市技術(shù)公司所生產(chǎn)的用于檢測(cè)H 2 S的3HH電化學(xué)傳感器，其測(cè)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(cè)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(dòng)勢(shì)，來測(cè)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(cè)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(cè)量氧氣濃度的磁性氧量分析傳感器，其氧量的測(cè)量范圍zui寬，是一種十分有效的氧量測(cè)量儀表。常用的有熱磁對(duì)流式氧量分析傳感器（按構(gòu)成方式不同，又可細(xì)分為測(cè)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(chǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)氣體輻射寬帶紅外線并用波長選擇檢測(cè)器來選擇頻帶，以此來測(cè)量SO2特定波長紅外線輻射的吸收，其測(cè)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(cè)氣體對(duì)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(dòng)測(cè)量大氣中的SO2含量。其靈敏度可達(dá)測(cè)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(duì)測(cè)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(dòng)光電比色測(cè)量的，其適用的分析對(duì)象有SO2、NO、碳?xì)浠衔铩Ⅺu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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(dòng)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(cè)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(cè)百分比濃度的可燃?xì)怏w，也可檢測(cè)ppm級(jí)的有毒有害氣體。具有結(jié)構(gòu)簡單、檢測(cè)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(cè)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(cè)技術(shù)，分離并測(cè)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(dòng)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(duì)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(cè)器進(jìn)行定量測(cè)定。根據(jù)檢測(cè)原理，又細(xì)分為濃度型檢測(cè)器和質(zhì)量型檢測(cè)器兩種。

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