氣體傳感器原理及應(yīng)用

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)量氣體成分濃度的儀表。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。

氣體傳感器的分類(lèi)，從檢測(cè)氣體種類(lèi)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(lèi)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?zhuān)挚杉?xì)分為完全吸入式和稀釋式等);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(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(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(chǎng)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。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(mǎn)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)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(xiàn)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(lèi)型有原電池型(其 工作原理類(lèi)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(lèi)傳感器)等。目前，電化學(xué)傳感器是檢測(cè)有毒、有害氣體最常見(jiàn)和最成熟的 傳感器。其特點(diǎn)是體積小，功耗小，線(xiàn)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，最大允許值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，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，其氧量的測(cè)量范圍最寬，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)展最快的技術(shù)之一。工業(yè)中常用的類(lèi)型有紅外線(xiàn)氣體分析儀、紫外線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)式和 NDIR非色散紅外線(xiàn)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(xiàn)吸收法，即通過(guò)向被測(cè) 氣體輻射寬帶紅外線(xiàn)并用波長(zhǎng)選擇檢測(cè)器來(lái)選擇指定頻帶，以此來(lái)測(cè)量SO2特定波長(zhǎng)紅外線(xiàn)輻射的吸收，其測(cè)量范圍為最小0～100ppm，最大可達(dá) 0～1vol%。

常用的紫外線(xiàn)分析儀有不分光紫外線(xiàn)分析儀和紫外熒光式分析儀，前者與紅外線(xiàn)吸收原理類(lèi)似，也是基于實(shí)測(cè)氣體對(duì)紫外線(xiàn)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(xiàn)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(mǎn)刻度的±2%，重復(fù)性達(dá)±2%滿(mǎn)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衔铩Ⅺu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。