氣體傳感器的原理和分類

氣體傳感器是用來檢測(cè)氣體的成份和含量的傳感器。

     一般認(rèn)為，氣體傳感器的定義是以檢測(cè)目標(biāo)為分類基礎(chǔ)的，也就是說，凡是用于檢測(cè)氣體成份和濃度的傳感器都稱作氣體傳感器，不管它是用物理方法，還是用化學(xué)方法。比如，檢測(cè)氣體流量的傳感器不被看作氣體傳感器，但是熱導(dǎo)式氣體分析儀卻屬于重要的氣體傳感器，盡管它們有時(shí)使用大體一致的檢測(cè)原理。早在上個(gè)世紀(jì)70年代，氣體傳感器就已經(jīng)成為傳感器領(lǐng)域的一個(gè)大系，屬于化學(xué)傳感器的一個(gè)分支。

目前流行于市場(chǎng)的氣體傳感器大約有如下一些種類：　　
1、半導(dǎo)體式氣體傳感器
     它是利用一些金屬氧化物半導(dǎo)體材料，在一定溫度下，電導(dǎo)率隨著環(huán)境氣體成份的變化而變化的原理制造的。比如，酒精傳感器，就是利用二氧化錫在高溫下遇到酒精氣體時(shí)，電阻會(huì)急劇減小的原理制備的。
     半導(dǎo)體式氣體傳感器可以有效地用于：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、丙烯酸等很多氣體地檢測(cè)。尤其是，這種傳感器成本低廉，適宜于民用氣體檢測(cè)的需求。
     下列幾種半導(dǎo)體式氣體傳感器是成功的：甲烷（天然氣、沼氣）、酒精、一氧化碳（城市煤氣）、硫化氫、氨氣（包括胺類，肼類），高質(zhì)量的傳感器可以滿足工業(yè)檢測(cè)的需要
缺點(diǎn)：穩(wěn)定性較差，受環(huán)境影響較大；尤其，每一種傳感器的選擇性都不是*的，輸出參數(shù)也不能確定。因此，不宜應(yīng)用于計(jì)量要求的場(chǎng)所。
       目前這種傳感器的主要供應(yīng)商在日本（），其次是中國，近又新加入了韓國，其他國家如美國在這方面也有相當(dāng)?shù)墓ぷ?，但是始終沒有匯入主流！中國在這個(gè)領(lǐng)域投入的人力和時(shí)間都不亞于日本，但是由于多年來國家政策導(dǎo)向以及社會(huì)信息閉塞等原因，我國流行于市場(chǎng)的半導(dǎo)體式氣體傳感器性能質(zhì)量都遠(yuǎn)遜于日本產(chǎn)品，相信，隨著市場(chǎng)，民營資本的進(jìn)一步興起，中國產(chǎn)的半導(dǎo)體式氣體傳感器達(dá)到和越日本水平指日可待！
 2、催化燃燒式氣體傳感器
       這種傳感器是在白金電阻的表面制備耐高溫的催化劑層，在一定的溫度下，可燃性氣體在其表面催化燃燒，燃燒白金電阻溫度升高，電阻變化，變化值是可燃性氣體濃度的函數(shù)
催化燃燒式氣體傳感器選擇性地檢測(cè)可燃性氣體：凡是可以燃燒的，都能夠檢測(cè)；凡是不能燃燒的，傳感器都沒有任何響應(yīng)。當(dāng)然，『凡是可以燃燒的，都能夠檢測(cè)』這一句有很多例外，但是，總的來講，上述選擇性是成立的。
      催化燃燒式氣體傳感器計(jì)量，響應(yīng)快速，壽命較長。傳感器的輸出與環(huán)境的爆炸危險(xiǎn)直接相關(guān)，在安全檢測(cè)領(lǐng)域是一類主導(dǎo)地位的傳感器。
       缺點(diǎn)：在可燃性氣體范圍內(nèi)，無選擇性；暗火工作，有引燃爆炸的危險(xiǎn)；大部分元素有機(jī)蒸汽對(duì)傳感器都有中毒作用。　
       目前這種傳感器的主要供應(yīng)商在中國、日本、英國（發(fā)明國）。目前中國是這種傳感器的大用戶（煤礦），也擁有佳的傳感器生產(chǎn)技術(shù)，盡管不斷有各種各樣的代理商在宣傳上干擾社會(huì)對(duì)這種傳感器的認(rèn)識(shí)，但是畢竟催化燃燒式氣體傳感器的主流在國內(nèi)。
  3、熱導(dǎo)池式氣體傳感器
      每一種氣體，都有自己特定的熱導(dǎo)率，當(dāng)兩個(gè)和多個(gè)氣體的熱導(dǎo)率差別較大時(shí)，可以利用熱導(dǎo)元件，分辨其中一個(gè)組分的含量。這種傳感器已經(jīng)用于氫氣的檢測(cè)、二氧化碳的檢測(cè)、高濃度甲烷的檢測(cè)。這種氣體傳感器可應(yīng)用范圍較窄，限制因素較多。這是一種老式產(chǎn)品，*各地都有。產(chǎn)品質(zhì)量*大同小異。
 4、電化學(xué)式氣體傳感器
      相當(dāng)一部分的可燃性的、有毒有害氣體都有電化學(xué)活性，可以被電化學(xué)氧化或者還原。利用這些反應(yīng)，可以分辨氣體成份、檢測(cè)氣體濃度。電化學(xué)氣體傳感器分很多子類：
（1）、原電池型氣體傳感器（也稱：加伏尼電池型氣體傳感器，也有稱燃料電池型氣體傳感器，也有稱自發(fā)電池型氣體傳感器），他們的原理行同我們用的干電池，只是，電池的碳錳電極被氣體電極替代了。以氧氣傳感器為例，氧在陰極被還原，電子通過電流表流到陽極，在那里鉛金屬被氧化。電流的大小與氧氣的濃度直接相關(guān)。這種傳感器可以有效地檢測(cè)氧氣、二氧化硫、氯氣等。
（2）、恒定電位電解池型氣體傳感器，這種傳感器用于檢測(cè)還原性氣體非常有效，它的原理與原電池型傳感器不一樣，它的電化學(xué)反應(yīng)是在電流強(qiáng)制下發(fā)生的，是一種真正的庫侖分析的傳感器。這種傳感器已經(jīng)成功地用于：一氧化碳、硫化氫、氫氣、氨氣、肼等氣體的檢測(cè)之中，是目前有毒有害氣體檢測(cè)的主流傳感器。
（3）、濃差電池型氣體傳感器，具有電化學(xué)活性的氣體在電化學(xué)電池的兩側(cè)，會(huì)自發(fā)形成濃差電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的大小與氣體的濃度有關(guān)，這種傳感器的成功實(shí)例就是汽車用氧氣傳感器、固體電解質(zhì)型二氧化碳傳感器。
（4）、極限電流型氣體傳感器，有一種測(cè)量氧氣濃度的傳感器利用電化池中的極限電流與載流子濃度相關(guān)的原理制備氧（氣）濃度傳感器，用于汽車的氧氣檢測(cè)，和鋼水中氧濃度檢測(cè)。　　
        目前這種傳感器的主要供應(yīng)商遍布*，主要在德國、日本、美國，近新加入幾個(gè)歐洲供應(yīng)商：英國、瑞士等。中國在這個(gè)領(lǐng)域起步很早，但是產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程效果不佳。
 5、紅外線氣體傳感器
      大部分的氣體在中紅外區(qū)都有特征吸收峰，檢測(cè)特征吸收峰位置的吸收情況，就可以確定某氣體的濃度。
      這種傳感器過去都是大型的分析儀器，但是近些年，隨著以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的傳感器工業(yè)的發(fā)展，這種傳感器的體積已經(jīng)由10升，45公斤的巨無霸，減小到2毫升（拇指大?。┳笥?。使用無需調(diào)制光源的紅外探測(cè)器使得儀器*沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，*實(shí)現(xiàn)免維護(hù)
      紅外線氣體傳感器可以有效地分辨氣體的種類，測(cè)定氣體濃度。
      這種傳感器成功的用于：二氧化碳、甲烷的檢測(cè)。目前這種“傳感器”的供應(yīng)商在歐洲！中國在這一領(lǐng)域目前是“半”！
6、磁氧氣傳感器
      這是磁氧氣分析儀的核心，但是目前也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“傳感器化”進(jìn)程。它是利用空氣中的氧氣可以被強(qiáng)磁場(chǎng)吸引的原理制備的。這種傳感器只能用于氧氣的檢測(cè)，選擇性*。大氣環(huán)境中只有氮氧化物能夠產(chǎn)生微小的影響，但是由于這些干擾氣體的含量往往很少，所以，磁氧分析技術(shù)的選擇性幾乎是*的！老牌工業(yè)產(chǎn)品，*各地都有。（當(dāng)然我說的是作為一次儀表的氧氣分析儀，它在一定范圍內(nèi)可以被看作傳感器。而以純粹傳感器形式生產(chǎn)的這種產(chǎn)品，是近的事情。）
7、其他氣體傳感器
      近年來，隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，氣體傳感器技術(shù)也在不斷發(fā)生著相應(yīng)的革命。氣體傳感器的種類也在隨著增添新丁。但是，有些傳感器是否應(yīng)該列在氣體傳感器名下頗有爭(zhēng)議，比如PID檢測(cè)器，盡管也是用于氣體的檢測(cè)，盡管體積一樣小巧，但是，由于不能真正實(shí)現(xiàn)免維護(hù)化，因此，這種裝備，無論體積有多小，都應(yīng)該列在“檢測(cè)儀器”的名下。另外，以光導(dǎo)纖維為基礎(chǔ)的光學(xué)傳感器發(fā)展迅猛，盡管還沒有對(duì)電子傳感器構(gòu)成的“威脅”，但是其*的優(yōu)勢(shì)，或許有一天大放異彩。