氣體(tǐ)傳(chuán)感(gǎn)器(qì)原理(lǐ)及應用概(gài)覽

傳(chuán)感(gǎn)器(qì)是指用於(yú)探(tàn)測在(zài)一定區(qū)域範圍內是否(fǒu)存在(zài)特定氣(qì)體(tǐ)和/或能(néng)連續測量(liáng)氣體(tǐ)成分濃度的(dí)儀(yí)表。在煤(méi)礦(kuàng)，石油，化工(gōng)，市政，醫(yī)療，交(jiāo)通(tōng)運輸(shū)，家庭等(děng)防護方麵(miàn)，氣體傳感器常用於(yú)探測可(kě)燃，易燃(rán)，有毒(dú)氣(qì)體的(dí)濃(nóng)度或其(qí)存在(zài)與否，或氧(yǎng)氣(qì)的消耗(hào)量(liáng)等。在(zài)電力工(gōng)業等生(shēng)產(chǎn)製造領域，也常(cháng)用氣體傳(chuán)感(gǎn)器定(dìng)量測量煙(yān)氣中(zhōng)各組(zǔ)分的濃度(dù)，以判斷(duàn)燃燒(shāo)情況和有害氣(qì)體(tǐ)的(dí)排放(fàng)量(liáng)等(děng)。在(zài)大氣環境監(jiān)測(cè)領域，采(cǎi)用氣(qì)體傳(chuán)感器判定環境(jìng)汙(wū)染狀況，是(shì)十(shí)分普遍(biàn)。

氣體傳感器(qì)的(dí)分類，從(cóng)檢測氣(qì)體種(zhǒng)類(lèi)上(shàng)，常分(fēn)為(wéi)可(kě)燃氣體傳感器(qì)（常采用(yòng)催化燃(rán)燒式，紅外(wài)，熱(rè)導，半(bàn)導(dǎo)體式(shì)），有毒氣(qì)體(tǐ)傳感(gǎn)器(qì)（一般采用電化學，金(jīn)屬半導(dǎo)體(tǐ)，光(guāng)離子化，火焰離(lí)子(zǐ)化式），有害氣(qì)體(tǐ)傳感(gǎn)器(qì)（常采用(yòng)紅外，紫外等(děng)），氧(yǎng)氣（常(cháng)采用順磁式，氧(yǎng)化鋯(gào)式）等其它(tā)類(lèi)傳感(gǎn)器
；從儀表使(shǐ)用(yòng)方法上，分(fēn)為(wéi)便(biàn)攜(xié)式(shì)和固(gù)定式(shì)
；從(cóng)獲得氣(qì)體(tǐ)樣(yàng)品的方式(shì)上(shàng)，分為擴(kuò)散式(shì)（即(jí)傳感(gǎn)器直(zhí)接(jiē)安裝(zhuāng)在(zài)被(bèi)測對(duì)象環(huán)境(jìng)中，實測(cè)氣體(tǐ)通(tōng)過(guò)自(zì)然擴(kuò)散(sàn)與傳(chuán)感器(qì)檢(jiǎn)測(cè)元(yuán)件(jiàn)直接接觸），吸入式(shì)（是指(zhǐ)通過使用吸(xī)氣(qì)泵(bèng)等手段(duàn)，將待(dài)測氣(qì)體引入(rù)傳感器檢(jiǎn)測元件中(zhōng)進行檢測。根據(jù)對被測(cè)氣(qì)體(tǐ)是(shì)否(fǒu)稀釋，又(yòu)可(kě)細(xì)分(fēn)為(wéi)吸入式和稀釋式(shì)等）
；從分(fēn)析氣體組(zǔ)分上(shàng)，分為(wéi)單一式(shì)（僅對特定氣(qì)體(tǐ)進行(háng)檢測(cè)）和復合(hé)式（對(duì)多種氣體(tǐ)成分進行(háng)同時(shí)檢(jiǎn)測）
；按(àn)傳(chuán)感(gǎn)器檢(jiǎn)測原理(lǐ)，分為熱(rè)學式，電(diàn)化學式，磁學(xué)式，光學式，半(bàn)導(dǎo)體式，氣相色譜(pǔ)式(shì)等。

熱學式氣體(tǐ)傳感器(qì)

熱(rè)學式(shì)氣體傳(chuán)感(gǎn)器主要(yào)有熱導式和熱化學(xué)式(shì)兩大類。熱導式(shì)是利用(yòng)氣體(tǐ)的熱(rè)導率(shuài)，通過(guò)對(duì)其中(zhōng)熱敏元件電(diàn)阻(zǔ)的變(biàn)化來(lái)測(cè)量(liáng)一(yī)種或幾種氣(qì)體組分濃(nóng)度的，其(qí)在(zài)工(gōng)業界的(dí)應用已有(yǒu)幾十年的歷(lì)史，其(qí)儀表類(lèi)型(xíng)較多(duō)，能分析(xī)的氣體也(yě)較(jiào)廣(guǎng)泛(fàn)（如(rú)H2，CO2，SO2，NH3，Ar等）。熱化(huà)學(xué)式是基於被(bèi)分(fēn)析氣體化(huà)學反應的(dí)熱效應(yīng)，其(qí)中廣泛應(yīng)用的是氣體的氧化反應（即燃(rán)燒），其典型為催化燃(rán)燒(shāo)式氣體傳(chuán)感(gǎn)器(qì)，其關鍵部件(jiàn)為(wéi)塗有燃燒(shāo)催化(huà)劑的惠斯通電橋，主要(yào)用(yòng)於檢(jiǎn)測(cè)可燃氣體(tǐ)，如煤(méi)氣(qì)發生(shēng)站，製氣廠(chǎng)用(yòng)來分(fēn)析(xī)空(kōng)氣中的CO，H2 ，C2H2等可(kě)燃氣體，采(cǎi)煤礦井用於分析坑道中的(dí)CH4含(hán)量，石油開采船隻(zhī)分(fēn)析(xī)現場漏泄的甲(jiǎ)烷含量，燃(rán)料及化工(gōng)原料(liào)保管倉庫(kù)或原料車間(jiān)分析空氣(qì)中的石油(yóu)蒸氣，酒(jiǔ)精蒸氣(qì)等。美(měi)國(guó)RAE Systems公司(sī)生產的FGM-3100催化燃(rán)燒式可燃(rán)氣體檢(jiǎn)測儀，其(qí)采樣方式(shì)為擴(kuò)散式，檢測(cè)精度達(dá)±2%滿(mǎn)量(liáng)程，響(xiǎng)應時(shí)間(jiān)＜15s。催化(huà)燃(rán)燒式(shì)氣體傳感器的主要優點(diǎn)是對可(kě)燃(rán)氣體(tǐ)的響(xiǎng)應有(yǒu)廣譜性，對環境(jìng)溫(wēn)度，濕度(dù)影響不(bù)敏感，輸出(chū)信(xìn)號近綫性(xìng)，且其(qí)結構簡(jiǎn)單(dān)，成本低。但(dàn)其主要不(bù)足是精(jīng)度(dù)低(dī)，工作溫度(dù)高(gāo)（內部溫(wēn)度(dù)可達(dá)700～800℃），電流功(gōng)耗大(dà)，易(yì)受硫化物(wù)，鹵素(sù)化(huà)合物(wù)等中毒的不(bù)利(lì)影響等(děng)。

電化(huà)學式(shì)氣(qì)體傳感器

電(diàn)化(huà)學式(shì)氣(qì)體(tǐ)傳感器是利(lì)用被測氣體的電化(huà)學活性，將(jiāng)其(qí)電化學氧(yǎng)化或(huò)還(huán)原(yuán)，從而分(fēn)辨(biàn)氣(qì)體成(chéng)分，檢測氣體濃(nóng)度的(dí)。較常(cháng)見的電化(huà)學傳感器類型有(yǒu)原(yuán)電池(chí)型（其(qí)工(gōng)作原理類似(sì)於(yú)燃(rán)料電(diàn)池），恒定(dìng)電位(wèi)電解池(chí)型(xíng)（在(zài)電流(liú)強(qiáng)製作用(yòng)下工作(zuò)，屬庫侖分(fēn)析類傳感(gǎn)器(qì)）等(děng)。目前，電(diàn)化(huà)學(xué)傳(chuán)感(gǎn)器(qì)是檢測有毒，有害(hài)氣體zui常見和(hé)zui成熟的傳(chuán)感器(qì)。其(qí)特點(diǎn)是(shì)體(tǐ)積小(xiǎo)，功耗(hào)小，綫性和重(zhòng)復(fù)性(xìng)較好，分辨(biàn)率(shuài)一般可以達(dá)到0.1ppm，壽命較(jiào)長。不(bù)足是易受幹擾(rǎo)，靈(líng)敏度受溫(wēn)度(dù)變化影響(xiǎng)較(jiào)大。霍(huò)尼韋爾(ěr)旗(qí)下的英(yīng)國城市技(jì)術(shù)公(gōng)司(sī)所生(shēng)產的(dí)用於檢測(cè)H 2 S的(dí)3HH電化學傳感器，其(qí)測量範(fàn)圍0～50ppm，zui大允許(xǔ)值(zhí)500ppm，分辨率為0.1ppm，外(wài)形尺(chǐ)寸約為(wéi)外徑(jìng)42mmX高18mm，其主要交叉(chā)幹(gān)擾(rǎo)源(yuán)有(yǒu)CO，SO2，NO，NO2，H2等。氧化(huà)鋯氧量傳感(gǎn)器(qì)是電(diàn)化(huà)學(xué)式成(chéng)分分析傳感器中(zhōng)發(fā)展比較(jiào)晚的一(yī)種，開始(shǐ)出(chū)現(xiàn)於(yú)20世紀60年(nián)代，其工(gōng)作基(jī)理是根據濃(nóng)差電(diàn)池(chí)原(yuán)理(lǐ)，通過測(cè)量(liáng)待分析氣體和參(cān)比氣體因氧氣濃度差異而導致(zhì)的濃差(chà)電(diàn)動勢，來測量(liáng)待(dài)分(fēn)析氣體中(zhōng)的(dí)含(hán)氧量。由於(yú)它具有結構簡單(dān)，工作可靠，靈敏度高，穩定性好，響應速度(dù)快，安裝(zhuāng)使用方便等優(yōu)點，因(yīn)此(cǐ)發(fā)展(zhǎn)較快(kuài)。常應用(yòng)於硫酸，空氣(qì)分離，鍋爐(lú)燃(rán)燒(shāo)等(děng)多組分氣(qì)體的氧量分(fēn)析(xī)以(yǐ)及熔融金屬的(dí)含氧(yǎng)測定等(děng)。

磁(cí)學(xué)式(shì)氣(qì)體(tǐ)分析傳感器(qì)

在磁學(xué)式(shì)氣體分析傳感(gǎn)器(qì)中，zui常見的是利用氧(yǎng)氣(qì)的高磁化(huà)特性(xìng)來(lái)測量氧(yǎng)氣(qì)濃度(dù)的磁(cí)性(xìng)氧量(liáng)分(fēn)析(xī)傳感(gǎn)器(qì)，其氧量的(dí)測(cè)量(liáng)範(fàn)圍zui寬，是(shì)一種十分有(yǒu)效(xiào)的(dí)氧(yǎng)量測量儀(yí)表(biǎo)。常(cháng)用(yòng)的有熱磁對(duì)流式氧量(liáng)分(fēn)析(xī)傳感器（按構成(chéng)方(fāng)式不同，又可細分為測(cè)速熱(rè)磁(cí)式，壓力平(píng)衡(héng)熱磁式）和磁力機(jī)械式(shì)氧量分析(xī)傳(chuán)感器。其典(diǎn)型應用場合(hé)有化肥生產(chǎn)，深冷空(kōng)氣(qì)分離(lí)，火(huǒ)電(diàn)站燃燒(shāo)係(xì)統(tǒng)，天然氣(qì)製乙炔等工(gōng)業(yè)生產中(zhōng)氧(yǎng)的控製(zhì)和連鎖，廢(fèi)氣，尾氣(qì)，煙(yān)氣等排放(fàng)的環(huán)保監(jiān)測等。

光(guāng)學(xué)式氣體傳(chuán)感器

光(guāng)學式氣(qì)體(tǐ)傳感技術(shù)是起(qǐ)步(bù)較晚(wǎn)，但發展zui快的技術(shù)之(zhī)一。工業(yè)中常用的類型有紅(hóng)外(wài)綫氣體分析(xī)儀，紫(zǐ)外綫分(fēn)析儀，光(guāng)電比色式分析儀，化(huà)學發光(guāng)式分(fēn)析儀，光散射(shè)式(shì)分析(xī)儀等。

紅外綫(xiàn)式(shì)的工(gōng)作原理是(shì)利(lì)用(yòng)被測氣體(tǐ)的(dí)紅外吸收光譜(pǔ)特(tè)征或(huò)熱(rè)效應而(ér)實現氣(qì)體濃度(dù)測(cè)量的，常用(yòng)光譜(pǔ)範圍(wéi)1～25μm，常用的類(lèi)型(xíng)有DIR色散(sàn)紅(hóng)外綫式和(hé)NDIR非色(sè)散紅外(wài)綫(xiàn)式。日本(běn)島津(jīn)所(suǒ)生產的SOA-307/307Dx二氧化硫(liú)連續分析(xī)儀，測(cè)量方法(fǎ)是(shì)采用單光源(yuán)雙光(guāng)柱(zhù)非(fēi)色(sè)散(sàn)紅外綫吸(xī)收(shōu)法(fǎ)，即通過(guò)向被測(cè)氣(qì)體(tǐ)輻射寬(kuān)帶(dài)紅外(wài)綫(xiàn)並用波(bō)長選(xuǎn)擇檢測(cè)器(qì)來(lái)選擇頻帶(dài)，以此來(lái)測量SO2特(tè)定(dìng)波(bō)長紅外綫輻射的(dí)吸收，其測(cè)量範圍(wéi)為zui小0～100ppm，zui大可(kě)達0～1vol%。

常用(yòng)的(dí)紫外綫(xiàn)分(fēn)析(xī)儀有(yǒu)不(bù)分光紫外綫分(fēn)析儀和紫外(wài)熒(yíng)光(guāng)式分析儀，前(qián)者(zhě)與紅(hóng)外綫吸(xī)收(shōu)原理(lǐ)類似(sì)，也是基(jī)於實測(cè)氣體(tǐ)對紫外綫(xiàn)選擇(zé)性地(dì)吸(xī)收，其吸(xī)收特性也(yě)遵守比爾定(dìng)律，所(suǒ)使用(yòng)的(dí)紫外(wài)波(bō)長(cháng)範圍是200～400nm。後者(zhě)如(rú)紫外(wài)熒光(guāng)式SO2分(fēn)析(xī)儀，是一(yī)種(zhǒng)幹(gān)法(fǎ)式分(fēn)析(xī)儀(yí)，工作原(yuán)理是(shì)基於(yú)SO2分(fēn)子接受(shòu)紫外(wài)綫(xiàn)能量(liáng)成為激(jī)發態(tài)的SO2分(fēn)子，在(zài)返(fǎn)回穩態(tài)時(shí)產生特(tè)征熒光(guāng)，其(qí)發(fā)出的(dí)熒(yíng)光強度與(yǔ)SO2濃(nóng)度成正(zhèng)比(bǐ)。紫(zǐ)外(wài)熒(yíng)光式可做到(dào)不破壞(huài)樣品而(ér)連續(xù)自動測量(liáng)大(dà)氣(qì)中(zhōng)的SO2含量。其靈(líng)敏度可(kě)達測(cè)量範(fàn)圍的(dí)0～2×10 -7 ，穩定(dìng)性可(kě)做到在24h的(dí)漂(piāo)移為滿(mǎn)刻(kè)度的(dí)±2%，重復(fù)性達±2%滿刻度(dù)，且共(gòng)存的背景(jǐng)氣體對測量的(dí)影(yǐng)響較小(xiǎo)，具有壽命長(cháng)，維(wéi)修工(gōng)作量小(xiǎo)的(dí)顯著(zhù)優點。

光電比色(sè)式是基於比(bǐ)爾(ěr)定律(lǜ)實(shí)現(xiàn)自(zì)動光電(diàn)比色測量的(dí)，其(qí)適(shì)用(yòng)的分析(xī)對(duì)象有(yǒu)SO2，NO，碳(tàn)氫化合(hé)物，鹵(lǔ)素化合(hé)物(wù)等。

化學發(fā)光(guāng)式分析(xī)儀(yí)是利(lì)用化(huà)學氧化(huà)反(fǎn)應伴有的光熱生成原理而工作，常用(yòng)的(dí)化學發(fā)光(guāng)式分析儀(yí)有臭氧分析儀(yí)（利用(yòng)O3-C2H4產(chǎn)生(shēng)化學(xué)發光反(fǎn)應所(suǒ)放出(chū)的(dí)光子(zǐ)來(lái)測(cè)定臭(chòu)氧）和化學發(fā)光式(shì)NO X 分析儀(yí)（利用O3的(dí)強氧化作(zuò)用，使NO與(yǔ)O3發(fā)生化學發光反(fǎn)應來(lái)實現(xiàn)測(cè)量）。

光散射式(shì)分(fēn)析儀是利(lì)用(yòng)光束與氣體(tǐ)中(zhōng)的顆粒(lì)相(xiāng)互作(zuò)用產生(shēng)散射（前散射，邊散(sàn)射，後散射(shè)）來進(jìn)行(háng)氣體濁(zhuó)度或不(bù)透明(míng)度測(cè)量的(dí)，是環境排放監(jiān)zui常(cháng)用的(dí)分析(xī)儀表之一。

半(bàn)導(dǎo)體式(shì)氣(qì)體傳感器(qì)

半導(dǎo)體(tǐ)式(shì)氣(qì)體傳感(gǎn)器是根據由金屬氧(yǎng)化物(wù)或金屬半(bàn)導(dǎo)體氧化物材料製成的(dí)檢(jiǎn)測(cè)元件，與氣體(tǐ)相互(hù)作(zuò)用時產(chǎn)生(shēng)表麵吸(xī)附或(huò)反(fǎn)應(yīng)，引(yǐn)起載(zǎi)流子(zǐ)運動為特(tè)征的(dí)電導(dǎo)率或(huò)伏(fú)安(ān)特(tè)性或表麵電(diàn)位變化而進行氣體(tǐ)濃(nóng)度測量的(dí)。從作(zuò)用機理上(shàng)可(kě)分(fēn)為表麵(miàn)控製(zhì)型（采(cǎi)用(yòng)氣(qì)體吸附(fù)於半導體(tǐ)表麵(miàn)而產(chǎn)生電導率變(biàn)化的(dí)敏感元件），表麵電位型（采用(yòng)半導體吸附(fù)氣體(tǐ)後(hòu)產生表麵(miàn)電(diàn)位(wèi)或界麵電位(wèi)變(biàn)化的(dí)氣體敏感(gǎn)元件(jiàn)），體積控(kòng)製(zhì)型(xíng)（基於半導體與氣(qì)體發(fā)生(shēng)反(fǎn)應時(shí)體積(jī)發生(shēng)變(biàn)化，從而產生電(diàn)導率變化(huà)的工(gōng)作(zuò)原理）等。可(kě)以檢(jiǎn)測百(bǎi)分比濃(nóng)度的可燃氣體，也可檢測(cè)ppm級的有(yǒu)毒有(yǒu)害氣體。具(jù)有結構簡(jiǎn)單，檢測靈敏(mǐn)度高，反(fǎn)應速度快等諸多實用性優點，但(dàn)其主(zhǔ)要不足(zú)是(shì)測量(liáng)綫性(xìng)範圍較小，受背景氣體幹擾(rǎo)較大，易受環境溫度影響(xiǎng)等。

氣相(xiāng)色譜式分析儀

氣相(xiāng)色譜式分析儀(yí)是基(jī)於(yú)色譜(pǔ)分離技術和(hé)檢測(cè)技術(shù)，分離(lí)並(bìng)測定氣樣中(zhōng)各(gè)組(zǔ)分濃(nóng)度(dù)，因(yīn)此(cǐ)是全分(fēn)析儀表。在發電廠(chǎng)鍋爐試驗中，已(yǐ)有應用(yòng)。工作時，從進(jìn)樣裝(zhuāng)置定期(qī)采取(qǔ)一定(dìng)容積的(dí)氣(qì)樣，在流(liú)量一定的純淨(jìng)載(zǎi)氣(qì)(即(jí)流(liú)動相)攜(xié)帶下(xià)，流經色譜(pǔ)柱(zhù)，色(sè)譜(pǔ)柱(zhù)中裝有(yǒu)稱(chēng)為(wéi)固定相的固(gù)體或液體，利用固定(dìng)相(xiāng)對(duì)氣(qì)樣各(gè)組分的吸收或(huò)溶解能(néng)力的(dí)不同(tóng)，使各組分在兩相中(zhōng)反復(fù)進行分配，從(cóng)而使各組分分離，並(bìng)按(àn)時間先後流出(chū)色譜柱進(jìn)入(rù)檢(jiǎn)測器(qì)進行定(dìng)量(liáng)測定。根據(jù)檢測原(yuán)理，又(yòu)細分為濃度型檢測器和質(zhì)量(liáng)型(xíng)檢(jiǎn)測器(qì)兩種。

濃度型檢測器測量(liáng)的(dí)是氣體(tǐ)中某組分(fēn)濃度瞬(shùn)間的變化，即檢測器的響應值和組分的濃度(dù)成(chéng)正比。