氣體傳感器原理及應用概覽

                    氣體(ti) 傳(chuan) 感器原理及應用概覽

傳(chuan) 感器是指用於(yu) 探測在一定區域範圍內(nei) 是否存在特定氣體(ti) 和/或能連續測量氣體(ti) 成分濃度的儀(yi) 表。在煤礦、石油、化工、市政、醫療、交通運輸、家庭等防護方麵，氣體(ti) 傳(chuan) 感器常用於(yu) 探測可燃、易燃、有毒氣體(ti) 的濃度或其存在與(yu) 否，或氧氣的消耗量等。在電力工業(ye) 等生產(chan) 製造領域，也常用氣體(ti) 傳(chuan) 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(ti) 的排放量等。在大氣環境監測領域，采用氣體(ti) 傳(chuan) 感器判定環境汙染狀況，是十分普遍。

氣體(ti) 傳(chuan) 感器的分類，從(cong) 檢測氣體(ti) 種類上，常分為(wei) 可燃氣體(ti) 傳(chuan) 感器（常采用催化燃燒式、紅外、熱導、半導體(ti) 式）、有毒氣體(ti) 傳(chuan) 感器（一般采用電化學、金屬半導體(ti) 、光離子化、火焰離子化式）、有害氣體(ti) 傳(chuan) 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(chuan) 感器；從(cong) 儀(yi) 表使用方法上，分為(wei) 便攜式和固定式；從(cong) 獲得氣體(ti) 樣品的方式上，分為(wei) 擴散式（即傳(chuan) 感器直接安裝在被測對象環境中，實測氣體(ti) 通過自然擴散與(yu) 傳(chuan) 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(ti) 引入傳(chuan) 感器檢測元件中進行檢測。根據對被測氣體(ti) 是否稀釋，又可細分為(wei) 吸入式和稀釋式等）；從(cong) 分析氣體(ti) 組分上，分為(wei) 單一式（僅(jin) 對特定氣體(ti) 進行檢測）和複合式（對多種氣體(ti) 成分進行同時檢測）；按傳(chuan) 感器檢測原理，分為(wei) 熱學式、電化學式、磁學式、光學式、半導體(ti) 式、氣相色譜式等。

熱學式氣體(ti) 傳(chuan) 感器

熱學式氣體(ti) 傳(chuan) 感器主要有熱導式和熱化學式兩(liang) 大類。熱導式是利用氣體(ti) 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(ti) 組分濃度的，其在工業(ye) 界的應用已有幾十年的曆史，其儀(yi) 表類型較多，能分析的氣體(ti) 也較廣泛（如H2、CO2、SO2、NH3、Ar等）。熱化學式是基於(yu) 被分析氣體(ti) 化學反應的熱效應，其中廣泛應用的是氣體(ti) 的氧化反應（即燃燒），其典型為(wei) 催化燃燒式氣體(ti) 傳(chuan) 感器，其關(guan) 鍵部件為(wei) 塗有燃燒催化劑的惠斯通電橋，主要用於(yu) 檢測可燃氣體(ti) ，如煤氣發生站、製氣廠用來分析空氣中的CO、H2 、C2H2等可燃氣體(ti) ，采煤礦井用於(yu) 分析坑道中的CH4含量，石油開采船隻分析現場漏泄的甲烷含量，燃料及化工原料保管倉(cang) 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(chan) 的FGM-3100催化燃燒式可燃氣體(ti) 檢測儀(yi) ，其采樣方式為(wei) 擴散式，檢測精度達±2%滿量程，響應時間＜15s。催化燃燒式氣體(ti) 傳(chuan) 感器的主要優(you) 點是對可燃氣體(ti) 的響應有廣譜性，對環境溫度、濕度影響不敏感，輸出信號近線性，且其結構簡單，成本低。但其主要不足是精度低，工作溫度高（內(nei) 部溫度可達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。

電化學式氣體(ti) 傳(chuan) 感器

電化學式氣體(ti) 傳(chuan) 感器是利用被測氣體(ti) 的電化學活性，將其電化學氧化或還原，從(cong) 而分辨氣體(ti) 成分，檢測氣體(ti) 濃度的。較常見的電化學傳(chuan) 感器類型有原電池型（其工作原理類似於(yu) 燃料電池）、恒定電位電解池型（在電流強製作用下工作，屬庫侖(lun) 分析類傳(chuan) 感器）等。目前，電化學傳(chuan) 感器是檢測有毒、有害氣體(ti) zui常見和zui成熟的傳(chuan) 感器。其特點是體(ti) 積小，功耗小，線性和重複性較好，分辨率一般可以達到0.1ppm，壽命較長。不足是易受幹擾，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公司所生產(chan) 的用於(yu) 檢測H 2 S的3HH電化學傳(chuan) 感器，其測量範圍0～50ppm，zui大允許值500ppm，分辨率為(wei) 0.1ppm，外形尺寸約為(wei) 外徑42mmX高18mm，其主要交叉幹擾源有CO、SO2、NO、NO2、H2等。氧化鋯氧量傳(chuan) 感器是電化學式成分分析傳(chuan) 感器中發展比較晚的一種，開始出現於(yu) 20世紀60年代，其工作基理是根據濃差電池原理，通過測量待分析氣體(ti) 和參比氣體(ti) 因氧氣濃度差異而導致的濃差電動勢，來測量待分析氣體(ti) 中的含氧量。由於(yu) 它具有結構簡單、工作可靠、靈敏度高、穩定性好、響應速度快、安裝使用方便等優(you) 點，因此發展較快。常應用於(yu) 硫酸、空氣分離、鍋爐燃燒等多組分氣體(ti) 的氧量分析以及熔融金屬的含氧測定等。

磁學式氣體(ti) 分析傳(chuan) 感器

在磁學式氣體(ti) 分析傳(chuan) 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(chuan) 感器，其氧量的測量範圍zui寬，是一種十分有效的氧量測量儀(yi) 表。常用的有熱磁對流式氧量分析傳(chuan) 感器（按構成方式不同，又可細分為(wei) 測速熱磁式、壓力平衡熱磁式）和磁力機械式氧量分析傳(chuan) 感器。其典型應用場合有化肥生產(chan) 、深冷空氣分離、火電站燃燒係統、天然氣製乙炔等工業(ye) 生產(chan) 中氧的控製和連鎖，廢氣、尾氣、煙氣等排放的環保監測等。

光學式氣體(ti) 傳(chuan) 感器

光學式氣體(ti) 傳(chuan) 感技術是起步較晚，但發展zui快的技術之一。工業(ye) 中常用的類型有紅外線氣體(ti) 分析儀(yi) 、紫外線分析儀(yi) 、光電比色式分析儀(yi) 、化學發光式分析儀(yi) 、光散射式分析儀(yi) 等。

紅外線式的工作原理是利用被測氣體(ti) 的紅外吸收光譜特征或熱效應而實現氣體(ti) 濃度測量的，常用光譜範圍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(chan) 的SOA-307/307Dx二氧化硫連續分析儀(yi) ，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(ti) 輻射寬帶紅外線並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，其測量範圍為(wei) zui小0～100ppm，zui大可達0～1vol%。

常用的紫外線分析儀(yi) 有不分光紫外線分析儀(yi) 和紫外熒光式分析儀(yi) ，前者與(yu) 紅外線吸收原理類似，也是基於(yu) 實測氣體(ti) 對紫外線選擇性地吸收，其吸收特性也遵守比爾定律，所使用的紫外波長範圍是200～400nm。後者如紫外熒光式SO2分析儀(yi) ，是一種幹法式分析儀(yi) ，工作原理是基於(yu) SO2分子接受紫外線能量成為(wei) 激發態的SO2分子，在返回穩態時產(chan) 生特征熒光，其發出的熒光強度與(yu) SO2濃度成正比。紫外熒光式可做到不破壞樣品而連續自動測量大氣中的SO2含量。其靈敏度可達測量範圍的0～2×10 -7 ，穩定性可做到在24h的漂移為(wei) 滿刻度的±2%，重複性達±2%滿刻度，且共存的背景氣體(ti) 對測量的影響較小，具有壽命長，維修工作量小的顯著優(you) 點。

光電比色式是基於(yu) 比爾定律實現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。

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

光散射式分析儀(yi) 是利用光束與(yu) 氣體(ti) 中的顆粒相互作用產(chan) 生散射（前散射、邊散射、後散射）來進行氣體(ti) 濁度或不透明度測量的，是環境排放監zui常用的分析儀(yi) 表之一。

半導體(ti) 式氣體(ti) 傳(chuan) 感器

半導體(ti) 式氣體(ti) 傳(chuan) 感器是根據由金屬氧化物或金屬半導體(ti) 氧化物材料製成的檢測元件，與(yu) 氣體(ti) 相互作用時產(chan) 生表麵吸附或反應，引起載流子運動為(wei) 特征的電導率或伏安特性或表麵電位變化而進行氣體(ti) 濃度測量的。從(cong) 作用機理上可分為(wei) 表麵控製型（采用氣體(ti) 吸附於(yu) 半導體(ti) 表麵而產(chan) 生電導率變化的敏感元件）、表麵電位型（采用半導體(ti) 吸附氣體(ti) 後產(chan) 生表麵電位或界麵電位變化的氣體(ti) 敏感元件）、體(ti) 積控製型（基於(yu) 半導體(ti) 與(yu) 氣體(ti) 發生反應時體(ti) 積發生變化，從(cong) 而產(chan) 生電導率變化的工作原理）等。可以檢測百分比濃度的可燃氣體(ti) ，也可檢測ppm級的有毒有害氣體(ti) 。具有結構簡單、檢測靈敏度高、反應速度快等諸多實用性優(you) 點，但其主要不足是測量線性範圍較小，受背景氣體(ti) 幹擾較大，易受環境溫度影響等。

氣相色譜式分析儀(yi)

氣相色譜式分析儀(yi) 是基於(yu) 色譜分離技術和檢測技術，分離並測定氣樣中各組分濃度，因此是全分析儀(yi) 表。在發電廠鍋爐試驗中，已有應用。工作時，從(cong) 進樣裝置定期采取一定容積的氣樣，在流量一定的純淨載氣(即流動相)攜帶下，流經色譜柱，色譜柱中裝有稱為(wei) 固定相的固體(ti) 或液體(ti) ，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(liang) 相中反複進行分配，從(cong) 而使各組分分離，並按時間先後流出色譜柱進入檢測器進行定量測定。根據檢測原理，又細分為(wei) 濃度型檢測器和質量型檢測器兩(liang) 種。

濃度型檢測器測量的是氣體(ti) 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。