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                    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(guò)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(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,，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(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(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)或原料車間分析空氣中的石油蒸氣,、酒精蒸氣等,。美國(guó)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(jiǎn)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(jiàn)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(kù)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(jiàn)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(zhǎng),。不足是易受干擾,，靈敏度受溫度變化影響較大?；裟犴f爾旗下的英國(guó)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(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，zui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,，其氧量的測(cè)量范圍zui寬,，是一種十分有效的氧量測(cè)量?jī)x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(guò)向被測(cè)氣體輻射寬帶紅外線并用波長(zhǎng)選擇檢測(cè)器來(lái)選擇頻帶,，以此來(lái)測(cè)量SO2特定波長(zhǎng)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(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0～2×10 -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)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,?？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,。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。