一文读懂常用气体传感器的分类与原理

 

气体传感器主要用于针对某种特定气体进行检测，测量该气体在传感器附近是否存在，或在传感器附近空气中的含量。因此，在安全系统中，气体传感器通常都是不可或缺的。这些传感器可以为安全系统提供可燃、易燃和有毒气体的信息，以及区域内氧气的消耗，二氧化碳的比例。

  气体传感器从检测气体种类上，常分为可燃气体传感器（常采用催化燃烧式、红外、热导、半导体式）、有毒气体传感器（一般采用电化学、金属半导 体、光离子化、火焰离子化式）、有害气体传感器（常采用红外、紫外等）、氧气（常采用顺磁式、氧化锆式）等其它类传感器;从仪表使用方法上，分为便携式和 固定式;从获得气体样品的方式上，分为扩散式（即传感器直接安装在被测对象环境中，实测气体通过自然扩散与传感器检测元件直接接触）、吸入式（是指通过使 用吸气泵等手段，将待测气体引入传感器检测元件中进行检测。

　　根据对被测气体是否稀释，又可细分为完全吸入式和稀释式等）;从分析气体组分上，分为单一式（仅对特定气体进行检测）和复合式（对多种气体成分进行同时检测）;按传感器检测原理，分为热学式、电化学式、磁学式、光学式、半导体式、气相色谱式等。

电化学气体传感器

相当一部分的可燃性的、有毒有害气体，比如硫化氢、一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳等，都有电化学活性，可以被电化学氧化或者还原。利用这些反应，可以分辨气体成份、检测气体浓度。电化学传感器正是基于这种原理。

电化学传感器拥有很多子类：

原电池型气体传感器

这种传感器也被称为加伏尼电池型气体传感器，或燃料电池型气体传感器、自发电池型气体传感器。他们原理与我们日常使用的干电池相同，只不过电池碳锰电极被气体电极替代了。以氧气传感器为例，氧阴极被还原，电子电流表流到阳极，那里铅金属被氧化。因此电流大小与氧气浓度直接相关。这种传感器可以有效检测氧气、二氧化硫、氯气等气体。

恒定电位电解池型气体传感器

这种传感器用于检测还原性气体非常有效，它原理与原电池型传感器不一样，电化学反应是电流强制下发生，是一种真正库仑分析传感器。这种传感器已经成功用于一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气、肼等气体检测之中，是目前有毒有害气体检测主流传感器。

注：库仑分析是指根据电解过程中消耗的电量，由法拉第定律来确定被测物质含量的方法。

浓差电池型气体传感器

这种传感器具有电化学活性的气体在电化学电池的两侧，会自发形成浓差电动势，电动势的大小与气体的浓度有关，这种传感器的成功实例就是汽车用氧气传感器、固体电解质型二氧化碳检测仪。

极限电流型气体传感器

这是一种测量氧气浓度的传感器，工作原理是基于稳定氧化锌固体电解质的氧泵作用，通过气体扩散控制供给阴极的氧而得到极限电流。这种传感器目前主要用于锅炉的燃烧控制、钢水中氧气浓度检测，以及汽车的氧气检测。

半导体式气体传感器

半导体式气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反映，导致敏感元件阻值变化：

氧气等具有负离子吸附倾向的气体，被成为氧化型气体——电子接收型气体；

氢、碳氧化合物、醇类等具有正离子吸附倾向的气体，被称为还原型气体——电子供给型气体。

当氧化（还原）型气体吸附到N（P）型半导体上，半导体的载流子减少（增多），电阻率上升（下降）；吸附到P（N）型半导体上，半导体的载流子增多（减少），电阻率下降（上升）。（可以看出氧化和还原型半导体是截然相反的）因此从这些性质可以有效的检测出对应的气体。

半导体式气体传感器可以有效用于：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、酒精、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙炔、氯乙烯、苯乙烯、丙烯酸等很多气体检测。尤其是，这种传感器成本低廉，可以同时满足工业与民用的需求。

缺点：稳定性较差，受环境影响较大，不宜应用于计量准确要求场所。

催化燃烧式气体传感器

这种传感器实际上是基于铂电阻温度传感器的一种气体传感器，即在铂电阻表面制备耐高温催化剂层，在一定温度下，可燃气体在表面催化燃烧，因此铂电阻温度升高，导致电阻的阻值变化。

由于催化燃烧式气体传感器铂电阻外通常由多孔陶瓷构成陶瓷珠包裹，因此这种传感器通常也被成为催化珠气体传感器。理论上这种传感器可以检测所有可以燃烧的气体，但实际应用中有很多例外。这种传感器通常可以用于检测空气中的甲烷、LPG、丙酮等可燃气体。

基于铂电阻优良的温度特性，这种传感器具有计量准确，响应快速。传感器输出与环境爆炸危险直接相关，安全检测领域是一类主导位传感器。

缺点是需要在充足的氧气环境中工作（毕竟需要燃烧）；暗火工作，有引燃爆炸危险；大部分元素有机蒸汽对传感器都有中毒作用；由于催化剂不断消耗，零点和量程会发生漂移，需要频繁的标定和调节。

 

光离子化气体传感器

通常被称为PID，即PhotoionizaTIon Detector的缩写（仪控君在此特别提示，此PID不是比例微分积分）。这是一种具有极高灵敏度，用途广泛的检测器，可以检测从10ppb到较高浓度的10000ppm的挥发性有机物和其他有毒气体。许多有害物质都含有挥发性有机化合物，PID对挥发性有机化合物灵敏度很高。

PID使用了一个紫外光源，通过离子化，即将有机物分子电离成可被检测器检测到的正负离子，检测器捕捉到离子化了的气体的正负电荷，并将其转化为电流信号实现气体浓度的测量。当被测气体吸收高能量的紫外光时，气体分子受紫外光的激发暂时失去电子成为带正电荷的离子，气体离子在检测器的电极上被测出，根据电极产生的电位检测出气体浓度，检测后，离子很快又与电子结合重新组成原来的气体分子。

PID可检测芳香烃类、酮类、醛类、氯代烃类、胺及胺类化合物和不饱和烃类。

红外气体传感器

这种传感器利用气体对特定频率的红外光谱的吸收作用制成。红外光从发射端射向接收端，当有气体时，对红外光产生吸收，接收到的红外光就会减少，从而检测出气体含量。目前较先进的红外式采用双波长、双接收器，使检测更准确、可靠。

它的优点是：选择性好，只检测特定波长的气体，可以根据气体定制；采用光学检测方式，不易受有害气体的影响而中毒、老化；响应速度快、稳定性好；利用物理特性，没有化学反应，防爆性好；信噪比高，抗干扰能力强；使用寿命长；测量精度高。

缺点是：测量范围窄，只能检测（c1。c5）的碳氢化合物；怕灰尘、潮湿，现场环境要好，需要定期对反射镜面上的灰尘进行清洁维护；现场有气流时无法检测；价格较高。

固体电解质气体传感器

固体电解质气体传感器是指以固体电解质作为传感材料的气体传感器，常用的固体电解质主要包括：稳定氧化锆、钠离子快导体、质子导体以及一些低价金属的卤化物等。固体电解质气体传感器按照检测信号的特点可分为平衡电位型、混成电位型、限制电流型和短路电流型等。

这种传感器介于半导体气体传感器和电化学气体传感器之间，选择性、灵敏度高于半导体气体传感器，寿命长于电化学气体传感器，因此得到广泛应用。这种传感器的不足之处是响应时间过长。

超声波气体探测器

这种气体探测器比较特殊，其原理是当气体通过很小的泄漏孔从高压端向低压端泄漏时，就会形成湍流，产生振动。典型的湍流气流会在差压高于0.2MPa时变成因素，超过0.2MPa就会产生超声波。湍流分子互相碰撞产生热能和振动。热能快速分散，但振动会被传送到相当远的距离。超声波探测器就是通过接收超声波判断是否有空气泄漏。

这类探测器通常勇于石油和天然气平台、发电厂燃气轮机、压缩机以及其它户外管道。

磁氧分析仪

这种气体分析仪是基于氧气的磁化率远大于其他气体磁化率这一物理现象，测量混合气体中氧气喊来那个的一种物理气体分析设备。这种设备适合自动检测各种工业气体中的氧气含量。这类设备只能用于氧气检测，选择性极好。