氣體傳感器分類(lèi)及原理詳解

酒精測(cè)試儀的核心部件正是一種可以精確測(cè)定酒精成份和濃度的氣體傳感器，執(zhí)法人員正是通過(guò)它測(cè)出駕駛都呼出的氣體中是否含有酒精成份以及含有酒精的多少，作為判斷對(duì)方是否涉嫌酒駕或醉駕的依據(jù)。

氣體傳感器的定義

所謂氣體傳感器，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)量氣體成分濃度的傳感器。在煤礦、石油、化工、市政、醫(yī)療、交通運(yùn)輸、家庭等安全防護(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，更是十分普遍。

氣體傳感器的相關(guān)歷史

20世紀(jì)初第一只半導(dǎo)體傳感器誕生于英國(guó)，并一直在歐洲發(fā)展和應(yīng)用，直到20世紀(jì)50年代半導(dǎo)體傳感技術(shù)才流傳到日本，費(fèi)加羅技研的創(chuàng)始人田口尚義在1968年5月率先發(fā)明了半導(dǎo)體式氣體傳感器。

它可以用簡(jiǎn)單的回路檢測(cè)出低濃度的可燃性氣體和還原性氣體，同時(shí)將這個(gè)半導(dǎo)體式氣體傳感器命名為T(mén)GS（Taguchi Gas Sensor）內(nèi)置在氣體泄漏報(bào)警器中，日本和海外的許多家庭和工廠都設(shè)置了這些報(bào)警器，用于檢測(cè)液化氣等氣體的泄漏，進(jìn)而把這項(xiàng)技術(shù)推進(jìn)到了頂峰。

而歐洲人在發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體傳感器的種種不足后開(kāi)始研究催化傳感器和電化學(xué)傳感器。氣體傳感器的理論直到70年代才傳入到我們國(guó)家，80年代我國(guó)才開(kāi)始研制氣體傳感器，整個(gè)生產(chǎn)技術(shù)主要繼承于德國(guó)。

氣體傳感器的分類(lèi)

從檢測(cè)氣體種類(lèi)上，通常分為可燃?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(lèi)傳感器。

從使用方法上，通常分為便攜式氣體傳感器和固定式氣體傳感器。

從獲得氣體樣品的方式上，通常分為擴(kuò)散式氣體傳感器（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(guò)自然擴(kuò)散與傳感器檢測(cè)元件直接接觸）、吸入式氣體傳感器（是指通過(guò)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?zhuān)挚杉?xì)分為完全吸入式和稀釋式等）。

從分析氣體組成上，通常分為單一式氣體傳感器（僅對(duì)特定氣體進(jìn)行檢測(cè)）和復(fù)合式氣體傳感器（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，通常分為熱學(xué)式氣體傳感器、電化學(xué)式氣體傳感器、磁學(xué)式氣體傳感器、光學(xué)式氣體傳感器、半導(dǎo)體式氣體傳感器、氣相色譜式氣體傳感器等。

不同氣體傳感器的檢測(cè)原理、特點(diǎn)和用途

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(lèi)。熱導(dǎo)式是利用氣體的熱導(dǎo)率，通過(guò)對(duì)其中熱敏元件電阻的變化來(lái)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(lèi)型較多，能分析的氣體也較廣泛。

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，其主要工作原理是在一定溫度下，一些金屬氧化物半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率會(huì)跟隨環(huán)境氣體的成份變化而變化。

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(lái)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(kāi)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(cāng)庫(kù)或原料車(chē)間分析空氣中的石油蒸 氣、酒精乙醚蒸氣等。

左圖：催化元件示意圖（1-催化劑；2-載體；3-Pt電熱絲）；右圖：催化元件測(cè)試電路

主要優(yōu)點(diǎn)：對(duì)所有可燃?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(jiǎn)單，成本低，計(jì)量準(zhǔn)確，響應(yīng)快速，壽命較長(zhǎng)。

主要不足：精度低，工作溫度高 （內(nèi)部溫度可達(dá)700～800℃），有引燃爆炸的危險(xiǎn)。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。

電化學(xué)型氣體傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

電化學(xué)氣體傳感器分很多子類(lèi)：

1、原電池型氣體傳感器（也稱(chēng)：加伏尼電池型氣體傳感器，也有稱(chēng)燃料電池型氣體傳感器，也有稱(chēng)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(chē)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(chē)的氧氣檢測(cè)，和鋼水中氧濃度檢測(cè)。

主要優(yōu)點(diǎn)：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(zhǎng)。

主要不足：易受干擾，靈敏度受溫度變化影響較大。

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(kāi)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(guò)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(lái)測(cè)量待分析氣體中的含氧量。

由于它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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，最常見(jiàn)的是利用氧氣的高磁化特性來(lái)測(cè)量氧氣濃度的磁性氧量分析傳感器，利用的是空氣中的氧氣可以被強(qiáng)磁場(chǎng)吸引的原理。其氧量的測(cè)量范圍最寬，是一種十分有效的氧量測(cè)量傳感器。

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。

主要用途：用于氧氣的檢測(cè)，選擇性極好，是磁性氧氣分析儀的核心。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)展最快的技術(shù)之一。工業(yè)中常用的類(lèi)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。

各種氣體吸收紅外線光譜圖

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(lèi)型有DIR色散紅外線式和 NDIR非色散紅外線式。紅外線氣體傳感器可以有效地分辨氣體的種類(lèi)，準(zhǔn)確測(cè)定氣體濃度，包括二氧化碳、甲烷的檢測(cè)。紅外探測(cè)器使用無(wú)需調(diào)制光源，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。

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(lèi)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(zhǎng)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&TImes;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(zhǎng)，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?、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(lái)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(lái)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(lái)進(jìn)行氣體濁度或不透明度測(cè)量的，是環(huán)境排放監(jiān)測(cè)中最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。

表面電荷層模型工作示意圖

金屬氧化物半導(dǎo)體在空氣中被加熱到一定溫度時(shí)，氧原子被吸附在帶負(fù)電荷的半導(dǎo)體表面，半導(dǎo)體表面的電子會(huì)被轉(zhuǎn)移到吸附氧上，氧原子就變成了氧負(fù)離子，同時(shí)在半導(dǎo)體表面形成一個(gè)正的空間電荷層，導(dǎo)致表面勢(shì)壘升高，從而阻礙電子流動(dòng)。

在敏感材料內(nèi)部，自由電子必須穿過(guò)金屬氧化物半導(dǎo)體微晶粒的結(jié)合部位（晶界）才能形成電流，由氧吸附產(chǎn)生的勢(shì)壘同樣存在于晶界而阻礙電子的自由流動(dòng)，傳感器的電阻即緣于這種勢(shì)壘，在工作條件下當(dāng)傳感器遇到還原性氣體時(shí)，氧負(fù)離子因與還原性氣體發(fā)生氧化還原反應(yīng)而導(dǎo)致其表面濃度降低，勢(shì)壘隨之降低，導(dǎo)致傳感器的組織減小。

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?？梢詸z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。

主要優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、檢測(cè)靈敏度高、反應(yīng)速度快等。

主要不足：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，因此是全分析傳感器。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(chēng)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，氣相色譜式分析儀又細(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。

質(zhì)量型檢測(cè)器測(cè)量的是氣體中某組分進(jìn)入檢測(cè)器的速度變化，即檢測(cè)器的響應(yīng)值和單位時(shí)間進(jìn)入檢測(cè)器某組分的量成正比。最常用的檢測(cè)器有TCD熱導(dǎo)檢測(cè) 器、FLD氫火焰離子化檢測(cè)器、HCD電子捕獲檢測(cè)器、FPD火焰光度檢測(cè)器等。

主要優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，適合于微量和痕量分析，能分析復(fù)雜的多相分氣體。

主要不足：定期取樣不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)樣分析，系統(tǒng)較為復(fù)雜，多用于 試驗(yàn)室分析用，不太適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)氣體監(jiān)測(cè)。

目前已有采用計(jì)算機(jī)控制儀表系統(tǒng)的操作和進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算的氣相色譜儀，并可進(jìn)行組分越限報(bào)警，還具有自動(dòng)檢查儀表 故障等功能。

隨著健康問(wèn)題越來(lái)越得到關(guān)注，大氣質(zhì)量、室內(nèi)空氣質(zhì)量、車(chē)內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)則成為人們隨時(shí)隨地想看到的數(shù)據(jù)，氣體傳感器在這一過(guò)程中無(wú)疑將扮演更加重要的角色。

作為一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器，氣體傳感器的用途十分廣泛?，F(xiàn)實(shí)生活中，實(shí)際上不論是在民用、工業(yè)還是環(huán)境檢測(cè)等方面，氣體傳感器發(fā)揮著巨大的作用。