一文解讀氣體傳感器原理、分類、用途（一）

發布時間：2020-10-19 21:58 原文鏈接：一文解讀氣體傳感器原理、分類、用途（一）

所謂氣體傳感器，是指用于探測在一定區域范圍內是否存在特定氣體和／或能連續測量氣體成分濃度的傳感器。在煤礦、石油、化工、市政、醫療、交通運輸、家庭等安全防護方面，氣體傳感器常用于探測可燃、易燃、有毒氣體的濃度或其存在與否，或氧氣的消耗量等。

氣體傳感器主要用于針對某種特定氣體進行檢測，測量該氣體在傳感器附近是否存在，或在傳感器附近空氣中的含量。因此，在安全系統中，氣體傳感器通常都是不可或缺的。

從工作原理、特性分析到測量技術，從所用材料到制造工藝，從檢測對象到應用領域，都可以構成獨立的分類標準，衍生出一個個紛繁龐雜的分類體系，尤其在分類標準的問題上目前還沒有統一，要對其進行嚴格的系統分類難度頗大。

氣體傳感器的分類

從檢測氣體種類上，通常分為可燃氣體傳感器（常采用催化燃燒式、紅外、熱導、半導體式）、有毒氣體傳感器（一般采用電化學、金屬半導體、光離子化、火焰離子化式）、有害氣體傳感器（常采用紅外、紫外等）、氧氣（常采用順磁式、氧化鋯式）等其它類傳感器。

從使用方法上，通常分為便攜式氣體傳感器和固定式氣體傳感器。

從獲得氣體樣品的方式上，通常分為擴散式氣體傳感器（即傳感器直接安裝在被測對象環境中，實測氣體通過自然擴散與傳感器檢測元件直接接觸）、吸入式氣體傳感器（是指通過使用吸氣泵等手段，將待測氣體引入傳感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傳感器（僅對特定氣體進行檢測）和復合式氣體傳感器（對多種氣體成分進行同時檢測）。

按傳感器檢測原理，通常分為熱學式氣體傳感器、電化學式氣體傳感器、磁學式氣體傳感器、光學式氣體傳感器、半導體式氣體傳感器、氣相色譜式氣體傳感器等。

先來了解一下氣體傳感器的特性：

1、穩定性

穩定性是指傳感器在整個工作時間內基本響應的穩定性，取決于零點漂移和區間漂移。零點漂移是指在沒有目標氣體時，整個工作時間內傳感器輸出響應的變化。區間漂移是指傳感器連續置于目標氣體中的輸出響應變化，表現為傳感器輸出信號在工作時間內的降低。理想情況下，一個傳感器在連續工作條件下，每年零點漂移小于10％。

2、靈敏度

靈敏度是指傳感器輸出變化量與被測輸入變化量之比，主要依賴于傳感器結構所使用的技術。大多數氣體傳感器的設計原理都采用生物化學、電化學、物理和光學。首先要考慮的是選擇一種敏感技術，它對目標氣體的閥限制或最低爆炸限的百分比的檢測要有足夠的靈敏性。

3、選擇性

選擇性也被稱為交叉靈敏度。可以通過測量由某一種濃度的干擾氣體所產生的傳感器響應來確定。這個響應等價于一定濃度的目標氣體所產生的傳感器響應。這種特性在追蹤多種氣體的應用中是非常重要的，因為交叉靈敏度會降低測量的重復性和可靠性，理想傳感器應具有高靈敏度和高選擇性。

4、抗腐蝕

性抗腐蝕性是指傳感器暴露于高體積分數目標氣體中的能力。在氣體大量泄漏時，探頭應能夠承受期望氣體體積分數10～20倍。在返回正常工作條件下，傳感器漂移和零點校正值應盡可能小。氣體傳感器的基本特征，即靈敏度、選擇性以及穩定性等，主要通過材料的選擇來確定。選擇適當的材料和開發新材料，使氣體傳感器的敏感特性達到最優。

接下來是關于不同氣體傳感器的檢測原理、特點和用途：

一、半導體式氣體傳感器

根據由金屬氧化物或金屬半導體氧化物材料制成的檢測元件，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征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（采用氣體吸附于半導體表面而產生電導率變化的敏感元件）、表面電位型（采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（基于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：測量線性范圍較小，受背景氣體干擾較大，易受環境溫度影響等。

二、固體電解質氣體傳感器

固體電解質是一種具有與電解質水溶液相同的離子導電特性的固態物質，當用作氣體傳感器時，它是一種電池。它無需使氣體經過透氣膜溶于電解液中，可以避免溶液蒸發和電極消耗等問題。由于這種傳感器電導率高，靈敏度和選擇性好，幾乎在石化、環保、礦業、食品等各個領域都得到了廣泛的應用，其重要性僅次于金屬—氧化物一半導體氣體傳感器。