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了解氣體傳感器
點擊次數：2014 發布時間：2016-12-28
氣體傳感器從原理上可以分為三大類：
A）利用物理化學性質的氣體傳感器：如半導體式（表面控制型、體積控制型、表面電位型）、催化燃燒式、固體熱導式等。
B）利用物理性質的氣體傳感器：如熱傳導式、光干涉式、紅外吸收式等。
C）利用電化學性質的氣體傳感器：如定電位電解式、迦伐尼電池式、隔膜離子電極式、固定電解質式等。
根據危害，我們將有毒有害氣體分為可燃氣體和有毒氣體兩大類。由于它們性質和危害不同，其檢測手段也有所不同。
可燃氣體是石油化工等工業場合遇到zui多的危險氣體，它主要是烷烴等有機氣體和某些無機氣體：如一氧化碳等。
可燃氣體發生爆炸必須具備一定的條件，那就是：一定濃度的可燃氣體，一定量的氧氣以及足夠熱量點燃它們的火源，這就是爆炸三要素（如上左圖所示的爆炸三角形），缺一不可，也就是說，缺少其中任何一個條件都不會引起火災和爆炸。當可燃氣體（蒸汽、粉塵）和氧氣混合并達到一定濃度時，遇具有一定溫度的火源就會發生爆炸。我們把可燃氣體遇火源發生爆炸的濃度稱為爆炸濃度極限，簡稱爆炸極限，一般用%表示。
實際上，這種混合物也不是在任何混合比例上都會發生爆炸而要有一個濃度范圍。如上右圖所示的陰影部分。當可燃氣體濃度低于LEL（zui低爆炸限度）時（可燃氣體濃度不足）和其濃度高于UEL（zui高爆炸限度）時（氧氣不足）都不會發生爆炸。不同的可燃氣體的LEL和UEL都各不相同，這一點在標定儀器時要十分注意。
直接測量可燃氣體的體積濃度的熱導式VOL檢測器也可以在市場上得到，同時，也已經有了LEL/VOL合二為一的檢測器。VOL可燃檢測器特別適合于在缺氧（氧氣不足）的環境中測量可燃氣體的體積（VOL）濃度。
有毒氣體既可以存在于生產原料中，如大多數的有機化學物質（VOC），也可能存在于生產過程的各個環節的副產品中，如氨、一氧化碳、硫化氫等等。它們是對工作人員造成危害zui大的危險因素。這種危害不僅包括立即的傷害，如身體不適、發病、死亡等等，而且包括對于人體長期的危害，如致殘、癌變等等。對于這些有毒有害氣體的檢測是我們發展中國家應當開始引起充分重視的問題。
目前，對于特定的有毒氣體的檢測，我們使用zui多的是氣體傳感器。它可以包括上面所列的所有氣體傳感器，也包括前兩章所介紹的光離子化檢測儀。其中，檢測無機氣體zui為普遍、技術相對成熟、綜合指標的方法是定電位電解式方法，也就是我們常說的電化學傳感器。
電化學傳感器的構成是：將兩個反應電極--工作電極和對電極以及一個參比電極放置在特定電解液中，然后在反應電極之間加上足夠的電壓，使透過涂有重金屬催化劑薄膜的待測
氣體進行氧化還原反應，再通過儀器中的電路系統測量氣體電解時產生的電流，然后由其中的微處理器計算出氣體的濃度。
目前，可以檢測到特定氣體的電化學傳感器包括：一氧化碳、硫化氫、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、氨氣、氯氣、氰氫酸、環氧乙烷、氯化氫等等。
氧氣也是在工業環境中，尤其是密閉環境中需要十分注意因素。一般我們將氧氣含量超過23.5%稱為氧氣過量（富氧），此時很容易發生爆炸的危險；而氧氣含量低于19.5%為氧氣不足（缺氧），此時很容易發生工人窒息、昏迷以至死亡的危險。正常的氧氣含量應當在20.9%左右。氧氣檢測儀也是電化學傳感器的一種。
選擇
根據測量對象與測量環境
根據測量對象與測量環境確定傳感器的類型。 要進行—個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大小；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產還是進口，價格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。
靈敏度的選擇
通常，在傳感器的線性范圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的于擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。
響應特性 （反應時間）
傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有—定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的影響，機械系統的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動態測量中，應根據信號的特點 (穩態、瞬態、隨機等)響應特性，以免產生過火的誤差。
線性范圍
傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感器都不能保證的線性，其線性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。
分類
半導氣體傳感器
這種類型的傳感器在氣體傳感器中約占60%，根據其機理分為電導型和非電導型，電導型中又分為表面型和容積控制型.
(1 ) SnO2半導體是典型的表面型氣敏元件，其傳感原理是SnO2為n 型半導體材料。當施加電壓時，半導體材科溫度升高，被吸附的氧接受了半導體中的電子形成了O2或O2原性氣體H2、CO、CH4存在時，使半導體表面電阻下降，電導上升，電導變化與氣體濃度成比倒。NiO為p型半導體，氧化性氣體使電導下降，對O2敏感。ZnO半導體傳感器也屬于此種類型。
半導體氣體傳感器
a. 電導型的傳感器元件分為表面敏感型和容積控制型，表面敏感型傳感材料為SnO2+Pd 、ZnO十Pt 、AgO、V 205 、金屬酞青、Pt —SnO2。 表面敏感型氣體傳感器可檢測氣體為各種可燃性氣體C0、NO2、 氟利昂。傳感材料Pt —SnO2 的氣體傳感器可檢測氣體為可燃性氣體CO、H2、CH4 。
b. 容積控制型傳感材料為Fe2O8、la1-SSrxCOO8 和TiO2、CoO-MgO —SnO2體傳感器可檢測氣體為各種可燃性氣體CO、NO2 氟利昂。。傳感材料Pt —SnO2
容積控制型半導體氣體傳感器可檢測氣體為液化石油氣、酒精、空燃比控制、燃燒爐氣尾氣。
( 2) 容積控制型的是晶格缺陷變化導致電導率變化，電導變化與氣體濃度成比例關系。
Fe2O8、TiO2屬于此種，對可燃性氣體敏感。
(3) 性傳感器，是利用熱導率變化的半導體傳感器，又稱性半導體傳感器，是在Pt 絲線圈上涂敷SnO2層，Pt絲除起加熱作用外，還有檢測溫度變化的功能。施加電壓半導體變熱，表面吸氧，使自由電子濃度下降，可燃性氣體存在時，由于燃燒耗掉氧自由電子濃度增大，導熱率隨自由電子濃度增加而增大，散熱率相應增高，使Pt 絲溫度下降，阻值減小，P t絲阻值變化與氣體濃度為線性關系。
這種傳感器體積小、穩定、抗毒，可檢測低濃度氣體，在可燃氣體檢測中有重要作用。
( 4) 非電導型的FET場效應晶體管氣體傳感器，Pd —FET．場效應晶體管傳感器，利用Pd 吸收H z 并擴散達到半導體Si 和Pd的界面，減少Pd 的功函，這種對H2、CO敏感。非電導型FET場效應晶體管氣體傳感器體積小，便于集成化，多功能，是具有發展前途的氣體傳感器。
固體電解質氣體傳感器
這種傳感器元件為離子對固體電解質隔膜傳導，稱為電化學池，分為陽離子傳導和陰離子傳導，是選擇性強的傳感器，研究較多達到實用化的是氧化鋯固體電解質傳感器，其機理是利用隔膜兩側兩個電池之間的電位差等于濃差電池的電勢。穩定的氧化鉻固體電解質傳感器已成功地應用于鋼水中氧的測定和發動機空燃比成分測量等。
為彌補固體電解質導電的不足，近幾年來在固態電解質上鍍一層氣敏膜，把圍周環境中存在的氣體分子數量和介質中可移動的粒子數量起來。
接觸燃燒式氣體傳感器
接觸燃燒式傳感器適用于可燃性氣H2、CO、CH4的檢測。可燃氣體接觸表面催化劑
Pt 、Pd 時燃燒、破熱，燃燒熱與氣體濃富有關。這類傳感器的應用面廣、體積小、結構簡單、穩定性好，缺點是選擇性差。
電化學氣體傳感器
電化學方式的氣體傳感器常用的有兩種
( 1 )恒電位電解式傳感器
是將被測氣體在特定電場下電離，由流經的電解電流測出氣體濃度，這種傳感器靈敏度高，改變電位可選擇的檢洌氣體，對毒性氣體檢測有重要作用。
( 2) 原電池式氣體傳感器
在KOH電解質溶液中，Pt —Pb或Ag —Pb 電極構成電池，已成功用于檢測O2，其靈敏度高，缺點是透水逸散吸潮，電極易中毒。
光學氣體傳感器
( 1 )直接吸收式氣體傳感器
紅外線氣體傳感器是典型的吸收式光學氣體傳感器，是根據氣體分別具有各自固有的光譜吸收譜檢測氣體成分，非分散紅外吸收光譜對SO2、CO、CO2、NO等氣體具有較高的靈敏度。
另外紫外吸收、非分散紫外線吸收、相關分光、二次導數、自調制光吸收法對NO、NO2、SO2、烴類( CH4) 等氣體具有較高的靈敏度。
( 2)光反應氣體傳感器
光反應氣體傳感器是利用氣體反應產生色變引起光強度吸收等光學特性改變，傳感元件是理想的，但是氣體光感變化受到限制，傳感器的自由度小。
( 3 )氣體光學特性的新傳感器
光導纖維溫度傳感器為這種類型，在光纖頂端涂敷觸媒與氣體反應、發熱。溫度改變，導致光纖溫度改變。利用光纖測溫已達到實用化程度，檢測氣體也是成功的。
此外，利用其它物理量變化測量氣體成分的傳感器在不斷開發，如聲表面波傳感器檢測SO2、NO2、H2S、NH3、H2 等氣體也有較高的靈敏度。