气体分析仪中的核心“气体传感器”到底有哪些原理

      国家标准GB7665-87 ，对传感器的定义是：传感器是能感受规定被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。气体传感器是用来检测气体的成份和含量的传感器,一般认为，气体传感器的定义是以检测目标为分类基础的，也就是说，凡是用于检测气体成份和浓度的传感器都称作气体传感器，不管它是用物理方法，还是用化学方法。比如，检测气体流量的传感器不被看作气体传感器，但是热导式气体分析仪却属于重要的气体传感器， 

      尽管它们有时使用大体一致的检测原理。早在上个世纪70 年代，气体传感器就已经成为传感器领域的一个大系，属于化学传感器的一个分支。目前流行于市场的气体传感器大约有如下一些种类： 

1、半导体式气体传感器 

      它是利用一些金属氧化物半导体材料，在一定温度下，电导率随着环境气体成份的变化而变化的原理制造的。比如，酒精传感器，就是利用二氧化锡在高温下遇到酒精气体时，电阻会急剧减小的原理制备的。 

      半导体式气体传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、丙烯酸等很多气体地检测。尤其是，这种传感器成本低廉，适宜于民用气体检测的需求。 

      下列几种半导体式气体传感器是成功的：甲烷（天然气、沼气）、酒精、一氧化碳（城市煤气）、硫化氢、氨气（包括胺类，肼类）。高质量的传感器可以满足工业检测的需要。 

      缺点：稳定性较差，受环境影响较大；尤其，每一种传感器的选择性都不是唯一的，输出参数也不能确定。因此，不宜应用于计量准确要求的场所。目前这种传感器的主要供应商在日本（发明者），其次是中国，最近有新加入了韩国，其他国家如美国在这方面也有相当的工作，但是始终没有汇入主流！中国在这个领域投入的人力和时间都不亚于日本，但是由于多年来国家政策导向以及社会信息闭塞等原因，我国流行于市场的半导体式气体传感器性能质量都远逊于日本产品，相信，随着市场进步，民营资本的进一步兴起，中国产的半导体式气体传感器达到和超越日本水平已经指日可待！ 

2、催化燃烧式气体传感器 

      这种传感器是在白金电阻的表面制备耐高温的催化剂层，在一定的温度下，可燃性气体在其表面催化燃烧，燃烧是白金电阻温度升高，电阻变化，变化值是可燃性气体浓度的函数。 

      催化燃烧式气体传感器选择性地检测可燃性气体：凡是可以燃烧的，都能够检测；凡是不能燃烧的，传感器都没有任何响应。当然，『凡是可以燃烧的，都能够检测』这一句有很多例外，但是，总的来讲，上述选择性是成立的。催化燃烧式气体传感器计量准确，响应快速，寿命较长。传感器的输出与环境的爆炸危险直接相关，在安全检测领域是一类主导地位的传感器。 

      缺点：在可燃性气体范围内，无选择性。暗火工作，有引燃爆炸的危险。大部分元素有机蒸汽对传感器都有中毒作用。 

      目前这种传感器的主要供应商在中国、日本、英国（发明国）！目前中国是这种传感器的最大用户（煤矿），也拥有最佳的传感器生产技术，尽管不断有各种各样的代理商在宣传上干扰社会对这种传感器的认识，但是毕竟，催化燃烧式气体传感器的主流制造商在国内。 

3、热导池式气体传感器 

      每一种气体，都有自己特定的热导率，当两个和多个气体的热导率差别较大时，可以利用热导元件，分辨其中一个组分的含量。这种传感器已经传感器地用于氢气的检测、二氧化碳的检测、高浓度甲烷的检测。 

      这种气体传感器可应用范围较窄，限制因素较多。 

      这是一种老式产品，全世界各地都有制造商。产品质量全世界大同小异。 

4、电化学式气体传感器 

      相当一部分的可燃性的、有毒有害气体都有电化学活性，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。电化学气体传感器分很多子类： 

（1）、原电池型气体传感器（也称：加伏尼电池型气体传感器，也有称燃料电池型气体传感器，也有称自发电池型气体传感器），他们的原理行同我们用的干电池，只是，电池的碳锰电极被气体电极替代了。以氧气传感器为例，氧在阴极被还原，电子通过电流表流到阳极，在那里铅金属被氧化。电流的大小与氧气的浓度直接相关。这种传感器可以有效地检测氧气、二氧化硫、氯气等。 

（2）、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，它的原理与原电池型传感器不一样，它的电化学反应是在电流强制下发生的，是一种真正的库仑分析的传感器。这种传感器已经成功地用于：一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气、肼、等气体的检测之中，是目前有毒有害气体检测的主流传感器。 

（3）、浓差电池型气体传感器，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传感器。 

（4）、极限电流型气体传感器，有一种测量氧气浓度的传感器利用电化池中的极限电流与载流子浓度相关的原理制备氧（气）浓度传感器，用于汽车的氧气检测，和钢水中氧浓度检测。 

      目前这种传感器的主要供应商遍布全世界，主要在德国、日本、美国，最近新加入几个欧洲供应商：英国、瑞士等。中国在这个领域起步很早，但是产业化进程效果不佳。 

5、红外线气体传感器 

      大部分的气体在中红外区都有特征吸收峰，检测特征吸收峰位置的吸收情况，就可以确定某气体的浓度。 

      这种传感器过去都是大型的分析仪器，但是近些年，随着以MEMS 技术为基础的传感器工业的发展，这种传感器的体积已经由10 升，45 公斤的巨无霸，减小到2 毫升（拇指大小）左右。使用无需调制光源的红外探测器使得仪器完全没有机械运动部件，完全实现免维护化。 

      红外线气体传感器可以有效地分辨气体的种类，准确测定气体浓度。 

      这种传感器成功的用于：一氧化碳、二氧化碳、甲烷的检测。 

      目前这种“传感器”的供应商在欧洲！中国在这一领域目前是“半”空白！ 

6、磁性氧气传感器 

      这是磁性氧气分析仪的核心，但是目前也已经实现了“传感器化”进程。 

      它是利用空气中的氧气可以被强磁场吸引的原理制备的。 

      这种传感器只能用于氧气的检测，选择性极好。大气环境中只有氮氧化物能够产生微小的影响，但是由于这些干扰气体的含量往往很少，所以，磁氧分析技术的选择性几乎是唯一的！ 

      老牌工业产品，全世界各地都有制造商。（当然我说的是作为一次仪表的氧气分析仪，它在一定范围内可以被看作传感器。而以纯粹传感器形式生产的这种产品，是最近的事情。） 

7、其他类型传感器

      近年来，随着新技术的不断涌现，气体传感器技术也在不断发生着相应的革命。气体传感器的种类也在随着增添新丁。但是，有些传感器是否应该列在气体传感器名下颇有争议，比如：PID 检测器，尽管也是用于气体的检测，尽管体积一样小巧，但是，由于不能真正实现免维护化，因此，这种装备，无论体积有多小，都应该列在“检测仪器”的名下。另外，以光导纤维为基础的光学传感器（激光传感器）发展迅猛，尽管还没有对电子传感器构成绝对的“威胁”，但是其特有的优势，或许有一天大放异彩。还有紫外DOAS传感器、FID传感器等等。最后，从事气体传感器销售的商家，为了自身商业目的，有时夸大某种特定的传感器的能力，混淆传感器的分类，这些都不利于用户正确应用气体传感器。其实，传感器的应用和传感器的制造一样，也是一门学问啊！