了解气体传感器

气体传感器从原理上可以分为三大类：
　　
　　A）利用物理化学性质的气体传感器：如半导体式（表面控制型、体积控制型、表面电位型）、催化燃烧式、固体热导式等。
　　
　　B）利用物理性质的气体传感器：如热传导式、光干涉式、红外吸收式等。
　　
　　C）利用电化学性质的气体传感器：如定电位电解式、迦伐尼电池式、隔膜离子电极式、固定电解质式等。
　　
　　根据危害，我们将有毒有害气体分为可燃气体和有毒气体两大类。由于它们性质和危害不同，其检测手段也有所不同。
　　
　　可燃气体是石油化工等工业场合遇到zui多的危险气体，它主要是烷烃等有机气体和某些无机气体：如一氧化碳等。
　　
　　可燃气体发生爆炸必须具备一定的条件，那就是：一定浓度的可燃气体，一定量的氧气以及足够热量点燃它们的火源，这就是爆炸三要素（如上左图所示的爆炸三角形），缺一不可，也就是说，缺少其中任何一个条件都不会引起火灾和爆炸。当可燃气体（蒸汽、粉尘）和氧气混合并达到一定浓度时，遇具有一定温度的火源就会发生爆炸。我们把可燃气体遇火源发生爆炸的浓度称为爆炸浓度极限，简称爆炸极限，一般用%表示。
　　
　　实际上，这种混合物也不是在任何混合比例上都会发生爆炸而要有一个浓度范围。如上右图所示的阴影部分。当可燃气体浓度低于LEL（zui低爆炸限度）时（可燃气体浓度不足）和其浓度高于UEL（zui高爆炸限度）时（氧气不足）都不会发生爆炸。不同的可燃气体的LEL和UEL都各不相同，这一点在标定仪器时要十分注意。
　　
　　直接测量可燃气体的体积浓度的热导式VOL检测器也可以在市场上得到，同时，也已经有了LEL/VOL合二为一的检测器。VOL可燃检测器特别适合于在缺氧（氧气不足）的环境中测量可燃气体的体积（VOL）浓度。
　　
　　有毒气体既可以存在于生产原料中，如大多数的有机化学物质（VOC），也可能存在于生产过程的各个环节的副产品中，如氨、一氧化碳、硫化氢等等。它们是对工作人员造成危害zui大的危险因素。这种危害不仅包括立即的伤害，如身体不适、发病、死亡等等，而且包括对于人体长期的危害，如致残、癌变等等。对于这些有毒有害气体的检测是我们发展中国家应当开始引起充分重视的问题。
　　
　　目前，对于特定的有毒气体的检测，我们使用zui多的是气体传感器。它可以包括上面所列的所有气体传感器，也包括前两章所介绍的光离子化检测仪。其中，检测无机气体zui为普遍、技术相对成熟、综合指标的方法是定电位电解式方法，也就是我们常说的电化学传感器。
　　
　　电化学传感器的构成是：将两个反应电极--工作电极和对电极以及一个参比电极放置在特定电解液中，然后在反应电极之间加上足够的电压，使透过涂有重金属催化剂薄膜的待测
　　
　　气体进行氧化还原反应，再通过仪器中的电路系统测量气体电解时产生的电流，然后由其中的微处理器计算出气体的浓度。
　　
　　目前，可以检测到特定气体的电化学传感器包括：一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、氨气、氯气、氰氢酸、环氧乙烷、氯化氢等等。
　　
　　氧气也是在工业环境中，尤其是密闭环境中需要十分注意因素。一般我们将氧气含量超过23.5%称为氧气过量（富氧），此时很容易发生爆炸的危险；而氧气含量低于19.5%为氧气不足（缺氧），此时很容易发生工人窒息、昏迷以至死亡的危险。正常的氧气含量应当在20.9%左右。氧气检测仪也是电化学传感器的一种。

选择
根据测量对象与测量环境
根据测量对象与测量环境确定传感器的类型。 要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。

灵敏度的选择
通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的于扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。
响应特性 （反应时间）
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点 (稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。
线性范围
传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。

分类
半导气体传感器
这种类型的传感器在气体传感器中约占60%，根据其机理分为电导型和非电导型，电导型中又分为表面型和容积控制型.
(1 ) SnO2半导体是典型的表面型气敏元件，其传感原理是SnO2为n 型半导体材料。当施加电压时，半导体材科温度升高，被吸附的氧接受了半导体中的电子形成了O2或O2原性气体H2、CO、CH4存在时，使半导体表面电阻下降，电导上升，电导变化与气体浓度成比倒。NiO为p型半导体，氧化性气体使电导下降，对O2敏感。ZnO半导体传感器也属于此种类型。
半导体气体传感器
a. 电导型的传感器元件分为表面敏感型和容积控制型，表面敏感型传感材料为SnO2+Pd 、ZnO十Pt 、AgO、V 205 、金属酞青、Pt —SnO2。 表面敏感型气体传感器可检测气体为各种可燃性气体C0、NO2、 氟利昂。传感材料Pt —SnO2 的气体传感器可检测气体为可燃性气体CO、H2、CH4 。
b. 容积控制型传感材料为Fe2O8、la1-SSrxCOO8 和TiO2、CoO-MgO —SnO2体传感器可检测气体为各种可燃性气体CO、NO2 氟利昂。。传感材料Pt —SnO2
容积控制型半导体气体传感器可检测气体为液化石油气、酒精、空燃比控制、燃烧炉气尾气。
( 2) 容积控制型的是晶格缺陷变化导致电导率变化，电导变化与气体浓度成比例关系。
Fe2O8、TiO2属于此种，对可燃性气体敏感。
(3) 性传感器，是利用热导率变化的半导体传感器，又称性半导体传感器，是在Pt 丝线圈上涂敷SnO2层，Pt丝除起加热作用外，还有检测温度变化的功能。施加电压半导体变热，表面吸氧，使自由电子浓度下降，可燃性气体存在时，由于燃烧耗掉氧自由电子浓度增大，导热率随自由电子浓度增加而增大，散热率相应增高，使Pt 丝温度下降，阻值减小，P t丝阻值变化与气体浓度为线性关系。
这种传感器体积小、稳定、抗毒，可检测低浓度气体，在可燃气体检测中有重要作用。
( 4) 非电导型的FET场效应晶体管气体传感器，Pd —FET．场效应晶体管传感器，利用Pd 吸收H z 并扩散达到半导体Si 和Pd的界面，减少Pd 的功函，这种对H2、CO敏感。非电导型FET场效应晶体管气体传感器体积小，便于集成化，多功能，是具有发展前途的气体传感器。

固体电解质气体传感器
这种传感器元件为离子对固体电解质隔膜传导，称为电化学池，分为阳离子传导和阴离子传导，是选择性强的传感器，研究较多达到实用化的是氧化锆固体电解质传感器，其机理是利用隔膜两侧两个电池之间的电位差等于浓差电池的电势。稳定的氧化铬固体电解质传感器已成功地应用于钢水中氧的测定和发动机空燃比成分测量等。
为弥补固体电解质导电的不足，近几年来在固态电解质上镀一层气敏膜，把围周环境中存在的气体分子数量和介质中可移动的粒子数量起来。
接触燃烧式气体传感器
接触燃烧式传感器适用于可燃性气H2、CO、CH4的检测。可燃气体接触表面催化剂
Pt 、Pd 时燃烧、破热，燃烧热与气体浓富有关。这类传感器的应用面广、体积小、结构简单、稳定性好，缺点是选择性差。
电化学气体传感器
电化学方式的气体传感器常用的有两种
( 1 )恒电位电解式传感器
是将被测气体在特定电场下电离，由流经的电解电流测出气体浓度，这种传感器灵敏度高，改变电位可选择的检洌气体，对毒性气体检测有重要作用。
( 2) 原电池式气体传感器
在KOH电解质溶液中，Pt —Pb或Ag —Pb 电极构成电池，已成功用于检测O2，其灵敏度高，缺点是透水逸散吸潮，电极易中毒。

光学气体传感器
( 1 )直接吸收式气体传感器
红外线气体传感器是典型的吸收式光学气体传感器，是根据气体分别具有各自固有的光谱吸收谱检测气体成分，非分散红外吸收光谱对SO2、CO、CO2、NO等气体具有较高的灵敏度。
另外紫外吸收、非分散紫外线吸收、相关分光、二次导数、自调制光吸收法对NO、NO2、SO2、烃类( CH4) 等气体具有较高的灵敏度。
( 2)光反应气体传感器
光反应气体传感器是利用气体反应产生色变引起光强度吸收等光学特性改变，传感元件是理想的，但是气体光感变化受到限制，传感器的自由度小。
( 3 )气体光学特性的新传感器
光导纤维温度传感器为这种类型，在光纤顶端涂敷触媒与气体反应、发热。温度改变，导致光纤温度改变。利用光纤测温已达到实用化程度，检测气体也是成功的。
此外，利用其它物理量变化测量气体成分的传感器在不断开发，如声表面波传感器检测SO2、NO2、H2S、NH3、H2 等气体也有较高的灵敏度。