氣體感測器分類及應用

氣體感測器的分類

從檢測氣體種類上，通常分為可燃氣體感測器（常採用催化燃燒式、紅外、熱導、半導體式）、有毒氣體感測器（一般採用電化學、金屬半導 體、光離子化、火焰離子化式）、有害氣體感測器（常採用紅外、紫外等）、氧氣（常採用順磁式、氧化鋯式）等其它類感測器。

從使用方法上，通常分為攜帶型氣體感測器和固定式氣體感測器。

從獲得氣體樣品的方式上，通常分為擴散式氣體感測器（即感測器直接安裝在被測對象環境中，實測氣體通過自然擴散與感測器檢測元件直接接觸）、吸入式氣體感測器（是指通過使 用吸氣泵等手段，將待測氣體引入感測器檢測元件中進行檢測。根據對被測氣體是否稀釋，又可細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感測器（僅對特定氣體進行檢測）和複合式氣體感測器（對多種氣體成分進行同時檢測）。

按感測器檢測原理，通常分為熱學式氣體感測器、電化學式氣體感測器、磁學式氣體感測器、光學式氣體感測器、半導體式氣體感測器、氣相色譜式氣體感測器等。

關於不同氣體感測器的檢測原理、特點和用途：

熱學式氣體感測器

熱學式氣體感測器主要有熱導式和熱化學式兩大類。

熱導式是利用氣體的熱導率，通過對其中熱敏元件電阻的變化來測量一種或幾種氣體組分濃度的。其在工業界的應用已有幾十年的歷史，其儀錶類型較多，能分析的氣體也較廣泛。

熱化學式是基於被分析氣體化學反應的熱效應，其中廣泛應用的是氣體的氧化反應（即燃燒），其典型為催化燃燒式氣體感測器，其主要工作原理是在一定溫度下，一些金屬氧化物半導體材料的電導率會跟隨環境氣體的成份變化而變化。

其關鍵部件為塗有燃燒催化劑的惠斯通電橋，主要用於檢測可燃氣體，如煤氣發生站、制氣廠用來分析空氣中的CO、H2 、C2H2等可燃氣體，採煤礦井用於分析坑道中的CH4含量，石油開採船隻分析現場漏泄的甲烷含量，燃料及化工原料保管倉庫或原料車間分析空氣中的石油蒸 氣、酒精乙醚蒸氣等。

電化學氣體感測器

電化學式氣體感測器是利用被測氣體的電化學活性，將其電化學氧化或還原，從而分辨氣體成分，檢測氣體濃度的。

電化學感測器擁有很多子類：

1.原電池型氣體感測器

這種感測器也被稱為加伏尼電池型氣體感測器，或燃料電池型氣體感測器、自發電池型氣體感測器。他們原理與我們日常使用的乾電池相同，只不過電池碳錳電極被氣體電極替代了。以氧氣感測器為例，氧陰極被還原，電子電流表流到陽極，那裡鉛金屬被氧化。因此電流大小與氧氣濃度直接相關。這種感測器可以有效檢測氧氣、二氧化硫、氯氣等氣體。

2.恆定電位電解池型氣體感測器

這種感測器用於檢測還原性氣體非常有效，它原理與原電池型感測器不一樣，電化學反應是電流強制下發生，是一種真正庫侖分析（根據電解過程中消耗的電量，由法拉第定律來確定被測物質含量）感測器。這種感測器已經成功用於一氧化碳、硫化氫、氫氣、氨氣、肼等氣體檢測之中，是目前有毒有害氣體檢測主流感測器。

3.濃差電池型氣體感測器

這種感測器具有電化學活性的氣體在電化學電池的兩側，會自發形成濃差電動勢，電動勢的大小與氣體的濃度有關，這種感測器的成功實例就是汽車用氧氣感測器、固體電解質型二氧化碳檢測儀。

4.極限電流型氣體感測器

這是一種測量氧氣濃度的感測器，利用電化池中的極限電流與載流子濃度相關的原理製備氧（氣）濃度感測器，用於汽車的氧氣檢測，和鋼水中氧濃度檢測。

主要優點：體積小，功耗小，線性和重複性較好，解析度一般可以達到0.1ppm，壽命較長。

主要不足：易受干擾，靈敏度受溫度變化影響較大。

氧化鋯氧量感測器是電化學式成分分析感測器中發展比較晚的一種，開始出現於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和參比氣體因氧氣濃度差異而導致的濃差電動勢，來測量待分析氣體中的含氧量。

由於它具有結構簡單、工作可靠、靈敏度高、穩定性好、響應速度快、安裝使用方便等優點，因此發展較快。常應用於硫酸、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定等。

磁學式氣體分析感測器

在磁學式氣體分析感測器中，最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感測器，利用的是空氣中的氧氣可以被強磁場吸引的原理。其氧量的測量範圍最寬，是一種十分有效的氧量測量感測器。

常用的有熱磁對流式氧量分析感測器（按構成方式不同，又可細分為測速熱磁式、壓力平衡熱磁式）和磁力機械式氧量分析感測器。

主要用途：用於氧氣的檢測，選擇性極好，是磁性氧氣分析儀的核心。其典型應用場合有化肥生 產、深冷空氣分離、火電站燃燒系統、天然氣制乙炔等工業生產中氧的控制和連鎖，廢氣、尾氣、煙氣等排放的環保監測等。

半導體式氣體感測器

根據由金屬氧化物或金屬半導體氧化物材料製成的檢測元件，與氣體相互作用時產生表面吸附或反應，引起載流子運動為特徵的電導率或伏安特性或表面電位變化而進行氣體濃度測量的。

從作用機理上可分為表面控制型（採用氣體吸附於半導體表面而產生電導率變化的敏感元件）、表面電位型（採用 半導體吸附氣體后產生表面電位或界面電位變化的氣體敏感元件）、體積控制型（基於半導體與氣體發生反應時體積發生變化，從而產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，也可檢測ppm級的有毒有害氣體。

優點：結構簡單、價格低廉、檢測靈敏度高、反應速度快等。

不足：測量線性 範圍較小，受背景氣體干擾較大，易受環境溫度影響等。

催化燃燒式氣體感測器

這種感測器實際上是基於鉑電阻溫度感測器的一種氣體感測器，即在鉑電阻表面製備耐高溫催化劑層，在一定溫度下，可燃氣體在表面催化燃燒，因此鉑電阻溫度升高，導致電阻的阻值變化。

由於催化燃燒式氣體感測器鉑電阻外通常由多孔陶瓷構成陶瓷珠包裹，因此這種感測器通常也被成為催化珠氣體感測器。理論上這種感測器可以檢測所有可以燃燒的氣體，但實際應用中有很多例外。這種感測器通常可以用於檢測空氣中的甲烷、LPG、丙酮等可燃氣體。

光離子化氣體感測器

通常被稱為PID，是一種具有極高靈敏度，用途廣泛的檢測器，可以檢測從10ppb到較高濃度的10000ppm的揮發性有機物和其他有毒氣體。許多有害物質都含有揮發性有機化合物，PID對揮發性有機化合物靈敏度很高。

PID可檢測芳香烴類、酮類、醛類、氯代烴類、胺及胺類化合物和不飽和烴類。

紅外氣體感測器

這種感測器利用氣體對特定頻率的紅外光譜的吸收作用製成。紅外光從發射端射向接收端，當有氣體時，對紅外光產生吸收，接收到的紅外光就會減少，從而檢測出氣體含量。目前較先進的紅外式採用雙波長、雙接收器，使檢測更準確、可靠。

優點：選擇性好，只檢測特定波長的氣體，可以根據氣體定製；採用光學檢測方式，不易受有害氣體的影響而中毒、老化；響應速度快、穩定性好；利用物理特性，沒有化學反應，防爆性好；信噪比高，抗干擾能力強；使用壽命長；測量精度高。

缺點：測量範圍窄；怕灰塵、潮濕，現場環境要好，需要定期對反射鏡面上的灰塵進行清潔維護；現場有氣流時無法檢測；價格較高。

固體電解質氣體感測器

指以固體電解質作為感測材料的氣體感測器，常用的固體電解質主要包括：穩定氧化鋯、鈉離子快導體、質子導體以及一些低價金屬的鹵化物等。固體電解質氣體感測器按照檢測信號的特點可分為平衡電位型、混成電位型、限制電流型和短路電流型等。

這種感測器介於半導體氣體感測器和電化學氣體感測器之間，選擇性、靈敏度高於半導體氣體感測器，壽命長於電化學氣體感測器，因此得到廣泛應用。這種感測器的不足之處是響應時間過長。

超聲波氣體探測器

這種氣體探測器比較特殊，其原理是當氣體通過很小的泄漏孔從高壓端向低壓端泄漏時，就會形成湍流，產生振動。典型的湍流氣流會在差壓高於0.2MPa時變成因素，超過0.2MPa就會產生超聲波。湍流分子互相碰撞產生熱能和振動。熱能快速分散，但振動會被傳送到相當遠的距離。超聲波探測器就是通過接收超聲波判斷是否有空氣泄漏。

這類探測器通常勇於石油和天然氣平台、發電廠燃氣輪機、壓縮機以及其它戶外管道。

磁氧分析儀

這種氣體分析儀是基於氧氣的磁化率遠大於其他氣體磁化率這一物理現象，測量混合氣體中氧氣的一種物理氣體分析設備。這種設備適合自動檢測各種工業氣體中的氧氣含量，只能用於氧氣檢測，選擇性極好。

氣相色譜式分析儀

基於色譜分離技術和檢測技術，分離並測定氣樣中各組分濃度，因此是全分析感測器。在發電廠鍋爐試驗中，已有應用。

工作時，從進樣裝置定期採取一定容積的氣樣，在流量一定的純凈載氣（即流動相）攜帶下，流經色譜柱，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覆進行分配，從而使各組分分離，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，氣相色譜式分析儀又細分為濃度型檢測器和質量型檢測器兩種。

濃度型檢測器測量的是氣體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。

質量型檢測器測量的是氣體中某組分進入檢測器的速度變化，即檢測器的響應值和單位時間進入檢測器某組分的量成正比。最常用的檢測器有TCD熱導檢測器、FLD氫火焰離子化檢測器、HCD電子捕獲檢測器、FPD火焰光度檢測器等。

優點：靈敏度高，適合於微量和痕量分析，能分析複雜的多相分氣體。

不足：定期取樣不能實現連續進樣分析，系統較為複雜，多用於 試驗室分析用。