氣體分析儀中的核心“氣體傳感器”到底有哪些原理

      國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87 ，對(duì)傳感器的定義是：傳感器是能感受規(guī)定被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。氣體傳感器是用來(lái)檢測(cè)氣體的成份和含量的傳感器,一般認(rèn)為，氣體傳感器的定義是以檢測(cè)目標(biāo)為分類基礎(chǔ)的，也就是說(shuō)，凡是用于檢測(cè)氣體成份和濃度的傳感器都稱作氣體傳感器，不管它是用物理方法，還是用化學(xué)方法。比如，檢測(cè)氣體流量的傳感器不被看作氣體傳感器，但是熱導(dǎo)式氣體分析儀卻屬于重要的氣體傳感器， 

      盡管它們有時(shí)使用大體一致的檢測(cè)原理。早在上個(gè)世紀(jì)70 年代，氣體傳感器就已經(jīng)成為傳感器領(lǐng)域的一個(gè)大系，屬于化學(xué)傳感器的一個(gè)分支。目前流行于市場(chǎng)的氣體傳感器大約有如下一些種類： 

1、半導(dǎo)體式氣體傳感器 

      它是利用一些金屬氧化物半導(dǎo)體材料，在一定溫度下，電導(dǎo)率隨著環(huán)境氣體成份的變化而變化的原理制造的。比如，酒精傳感器，就是利用二氧化錫在高溫下遇到酒精氣體時(shí)，電阻會(huì)急劇減小的原理制備的。 

      半導(dǎo)體式氣體傳感器可以有效地用于：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、酒精、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙炔、氯乙烯、苯乙烯、丙烯酸等很多氣體地檢測(cè)。尤其是，這種傳感器成本低廉，適宜于民用氣體檢測(cè)的需求。 

      下列幾種半導(dǎo)體式氣體傳感器是成功的：甲烷（天然氣、沼氣）、酒精、一氧化碳（城市煤氣）、硫化氫、氨氣（包括胺類，肼類）。高質(zhì)量的傳感器可以滿足工業(yè)檢測(cè)的需要。 

      缺點(diǎn)：穩(wěn)定性較差，受環(huán)境影響較大；尤其，每一種傳感器的選擇性都不是唯一的，輸出參數(shù)也不能確定。因此，不宜應(yīng)用于計(jì)量準(zhǔn)確要求的場(chǎng)所。目前這種傳感器的主要供應(yīng)商在日本（發(fā)明者），其次是中國(guó)，最近有新加入了韓國(guó)，其他國(guó)家如美國(guó)在這方面也有相當(dāng)?shù)墓ぷ鳎鞘冀K沒(méi)有匯入主流！中國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域投入的人力和時(shí)間都不亞于日本，但是由于多年來(lái)國(guó)家政策導(dǎo)向以及社會(huì)信息閉塞等原因，我國(guó)流行于市場(chǎng)的半導(dǎo)體式氣體傳感器性能質(zhì)量都遠(yuǎn)遜于日本產(chǎn)品，相信，隨著市場(chǎng)進(jìn)步，民營(yíng)資本的進(jìn)一步興起，中國(guó)產(chǎn)的半導(dǎo)體式氣體傳感器達(dá)到和超越日本水平已經(jīng)指日可待！ 

2、催化燃燒式氣體傳感器 

      這種傳感器是在白金電阻的表面制備耐高溫的催化劑層，在一定的溫度下，可燃性氣體在其表面催化燃燒，燃燒是白金電阻溫度升高，電阻變化，變化值是可燃性氣體濃度的函數(shù)。 

      催化燃燒式氣體傳感器選擇性地檢測(cè)可燃性氣體：凡是可以燃燒的，都能夠檢測(cè)；凡是不能燃燒的，傳感器都沒(méi)有任何響應(yīng)。當(dāng)然，『凡是可以燃燒的，都能夠檢測(cè)』這一句有很多例外，但是，總的來(lái)講，上述選擇性是成立的。催化燃燒式氣體傳感器計(jì)量準(zhǔn)確，響應(yīng)快速，壽命較長(zhǎng)。傳感器的輸出與環(huán)境的爆炸危險(xiǎn)直接相關(guān)，在安全檢測(cè)領(lǐng)域是一類主導(dǎo)地位的傳感器。 

      缺點(diǎn)：在可燃性氣體范圍內(nèi)，無(wú)選擇性。暗火工作，有引燃爆炸的危險(xiǎn)。大部分元素有機(jī)蒸汽對(duì)傳感器都有中毒作用。 

      目前這種傳感器的主要供應(yīng)商在中國(guó)、日本、英國(guó)（發(fā)明國(guó)）！目前中國(guó)是這種傳感器的最大用戶（煤礦），也擁有最佳的傳感器生產(chǎn)技術(shù)，盡管不斷有各種各樣的代理商在宣傳上干擾社會(huì)對(duì)這種傳感器的認(rèn)識(shí)，但是畢竟，催化燃燒式氣體傳感器的主流制造商在國(guó)內(nèi)。 

3、熱導(dǎo)池式氣體傳感器 

      每一種氣體，都有自己特定的熱導(dǎo)率，當(dāng)兩個(gè)和多個(gè)氣體的熱導(dǎo)率差別較大時(shí)，可以利用熱導(dǎo)元件，分辨其中一個(gè)組分的含量。這種傳感器已經(jīng)傳感器地用于氫氣的檢測(cè)、二氧化碳的檢測(cè)、高濃度甲烷的檢測(cè)。 

      這種氣體傳感器可應(yīng)用范圍較窄，限制因素較多。 

      這是一種老式產(chǎn)品，全世界各地都有制造商。產(chǎn)品質(zhì)量全世界大同小異。 

4、電化學(xué)式氣體傳感器 

      相當(dāng)一部分的可燃性的、有毒有害氣體都有電化學(xué)活性，可以被電化學(xué)氧化或者還原。 

      利用這些反應(yīng)，可以分辨氣體成份、檢測(cè)氣體濃度。電化學(xué)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(guò)電流表流到陽(yáng)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(guān)。這種傳感器可以有效地檢測(cè)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(cè)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(xué)反應(yīng)是在電流強(qiáng)制下發(fā)生的，是一種真正的庫(kù)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(cè)之中，是目前有毒有害氣體檢測(cè)的主流傳感器。 

（3）、濃差電池型氣體傳感器，具有電化學(xué)活性的氣體在電化學(xué)電池的兩側(cè)，會(huì)自發(fā)形成濃差電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的大小與氣體的濃度有關(guān)，這種傳感器的成功實(shí)例就是汽車用氧氣傳感器、固體電解質(zhì)型二氧化碳傳感器。 

（4）、極限電流型氣體傳感器，有一種測(cè)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(guān)的原理制備氧（氣）濃度傳感器，用于汽車的氧氣檢測(cè)，和鋼水中氧濃度檢測(cè)。 

      目前這種傳感器的主要供應(yīng)商遍布全世界，主要在德國(guó)、日本、美國(guó)，最近新加入幾個(gè)歐洲供應(yīng)商：英國(guó)、瑞士等。中國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域起步很早，但是產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程效果不佳。 

5、紅外線氣體傳感器 

      大部分的氣體在中紅外區(qū)都有特征吸收峰，檢測(cè)特征吸收峰位置的吸收情況，就可以確定某氣體的濃度。 

      這種傳感器過(guò)去都是大型的分析儀器，但是近些年，隨著以MEMS 技術(shù)為基礎(chǔ)的傳感器工業(yè)的發(fā)展，這種傳感器的體積已經(jīng)由10 升，45 公斤的巨無(wú)霸，減小到2 毫升（拇指大小）左右。使用無(wú)需調(diào)制光源的紅外探測(cè)器使得儀器完全沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，完全實(shí)現(xiàn)免維護(hù)化。 

      紅外線氣體傳感器可以有效地分辨氣體的種類，準(zhǔn)確測(cè)定氣體濃度。 

      這種傳感器成功的用于：一氧化碳、二氧化碳、甲烷的檢測(cè)。 

      目前這種“傳感器”的供應(yīng)商在歐洲！中國(guó)在這一領(lǐng)域目前是“半”空白！ 

6、磁性氧氣傳感器 

      這是磁性氧氣分析儀的核心，但是目前也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“傳感器化”進(jìn)程。 

      它是利用空氣中的氧氣可以被強(qiáng)磁場(chǎng)吸引的原理制備的。 

      這種傳感器只能用于氧氣的檢測(cè)，選擇性極好。大氣環(huán)境中只有氮氧化物能夠產(chǎn)生微小的影響，但是由于這些干擾氣體的含量往往很少，所以，磁氧分析技術(shù)的選擇性幾乎是唯一的！ 

      老牌工業(yè)產(chǎn)品，全世界各地都有制造商。（當(dāng)然我說(shuō)的是作為一次儀表的氧氣分析儀，它在一定范圍內(nèi)可以被看作傳感器。而以純粹傳感器形式生產(chǎn)的這種產(chǎn)品，是最近的事情。） 

7、其他類型傳感器

      近年來(lái)，隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，氣體傳感器技術(shù)也在不斷發(fā)生著相應(yīng)的革命。氣體傳感器的種類也在隨著增添新丁。但是，有些傳感器是否應(yīng)該列在氣體傳感器名下頗有爭(zhēng)議，比如：PID 檢測(cè)器，盡管也是用于氣體的檢測(cè)，盡管體積一樣小巧，但是，由于不能真正實(shí)現(xiàn)免維護(hù)化，因此，這種裝備，無(wú)論體積有多小，都應(yīng)該列在“檢測(cè)儀器”的名下。另外，以光導(dǎo)纖維為基礎(chǔ)的光學(xué)傳感器（激光傳感器）發(fā)展迅猛，盡管還沒(méi)有對(duì)電子傳感器構(gòu)成絕對(duì)的“威脅”，但是其特有的優(yōu)勢(shì)，或許有一天大放異彩。還有紫外DOAS傳感器、FID傳感器等等。最后，從事氣體傳感器銷售的商家，為了自身商業(yè)目的，有時(shí)夸大某種特定的傳感器的能力，混淆傳感器的分類，這些都不利于用戶正確應(yīng)用氣體傳感器。其實(shí)，傳感器的應(yīng)用和傳感器的制造一樣，也是一門學(xué)問(wèn)啊！