一文解讀氣體傳感器原理、分類、用途（二）

四、電化學氣體傳感器

電化學氣體傳感器是把測量對象氣體在電極處氧化或還原而測電流，得出對象氣體濃度的探測器。包含原電池型氣體傳感器、恒定電位電解池型氣體傳感器、濃差電池型氣體傳感器和極限電流型氣體傳感器。

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。這種傳感器可以有效地檢測氧氣、二氧化硫等。

2、恒定電位電解池型氣體傳感器，這種傳感器用于檢測還原性氣體非常有效，它的原理與原電池型傳感器不一樣，它的電化學反應是在電流強制下發生的，是一種真正的庫侖分析（根據電解過程中消耗的電量，由法拉第定律來確定被測物質含量）傳感器。這種傳感器用于：一氧化碳、硫化氫、氫氣、氨氣、肼、等氣體的檢測之中，是目前有毒有害氣體檢測的主流傳感器。

3、濃差電池型氣體傳感器，具有電化學活性的氣體在電化學電池的兩側，會自發形成濃差電動勢，電動勢的大小與氣體的濃度有關，這種傳感器實例就是汽車用氧氣傳感器、固體電解質型二氧化碳傳感器。

4、極限電流型氣體傳感器，有一種測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的原理制備氧（氣）濃度傳感器，用于汽車的氧氣檢測，和鋼水中氧濃度檢測。

主要優點：體積小，功耗小，線性和重復性較好，分辨率一般可以達到0．1ppm，壽命較長。

主要不足：易受干擾，靈敏度受溫度變化影響較大。

五、PID——光離子化氣體傳感器

PID由紫外光源和氣室構成。紫外發光原理與日光燈管相同，只是頻率高，能量大。被測氣體到達氣室后，被紫外燈發射的紫外光電離產生電荷流，氣體濃度和電荷流的大小正相關，測量電荷流即可測得氣體濃度。可以檢測從10ppb到較高濃度的10000ppm的揮發性有機物和其他有毒氣體。許多有害物質都含有揮發性有機化合物，PID對揮發性有機化合物靈敏度很高。

六、熱學式氣體傳感器

熱學式氣體傳感器主要有熱導式和熱化學式兩大類。

熱導式是利用氣體的熱導率，通過對其中熱敏元件電阻的變化來測量一種或幾種氣體組分濃度的。其在工業界的應用已有幾十年的歷史，其儀表類型較多，能分析的氣體也較廣泛。

熱化學式是基于被分析氣體化學反應的熱效應，其中廣泛應用的是氣體的氧化反應（即燃燒），其典型為催化燃燒式氣體傳感器，其主要工作原理是在一定溫度下，一些金屬氧化物半導體材料的電導率會跟隨環境氣體的成份變化而變化。

其關鍵部件為涂有燃燒催化劑的惠斯通電橋，主要用于檢測可燃氣體，如煤氣發生站、制氣廠用來分析空氣中的CO、H2、C2H2等可燃氣體，采煤礦井用于分析坑道中的CH4含量，石油開采船只分析現場漏泄的甲烷含量，燃料及化工原料保管倉庫或原料車間分析空氣中的石油蒸氣、酒精乙醚蒸氣等。

七、紅外氣體傳感器

一個完整的紅外氣體傳感器由紅外光源、光學腔體、紅外探測器和信號調理電路構成。這種傳感器利用氣體對特定頻率的紅外光譜的吸收作用制成。紅外光從發射端射向接收端，當有氣體時，對紅外光產生吸收，接收到的紅外光就會減少，從而檢測出氣體含量。目前較先進的紅外式采用雙波長、雙接收器，使檢測更準確、可靠。

優點：選擇性好，只檢測特定波長的氣體，可以根據氣體定制；采用光學檢測方式，不易受有害氣體的影響而中毒、老化；響應速度快、穩定性好；利用物理特性，沒有化學反應，防爆性好；信噪比高，抗干擾能力強；使用壽命長；測量精度高。

缺點：測量范圍窄；怕灰塵、潮濕，現場環境要好，需要定期對反射鏡面上的灰塵進行清潔維護；現場有氣流時無法檢測；價格較高。

八、磁學式氣體分析傳感器

在磁學式氣體分析傳感器中，最常見的是利用氧氣的高磁化特性來測量氧氣濃度的磁性氧量分析傳感器，利用的是空氣中的氧氣可以被強磁場吸引的原理。其氧量的測量范圍最寬，是一種十分有效的氧量測量傳感器。

常用的有熱磁對流式氧量分析傳感器（按構成方式不同，又可細分為測速熱磁式、壓力平衡熱磁式）和磁力機械式氧量分析傳感器。

主要用途：用于氧氣的檢測，選擇性極好，是磁性氧氣分析儀的核心。其典型應用場合有化肥生產、深冷空氣分離、火電站燃燒系統、天然氣制乙炔等工業生產中氧的控制和連鎖，廢氣、尾氣、煙氣等排放的環保監測等。

九、氣相色譜式分析儀

基于色譜分離技術和檢測技術，分離并測定氣樣中各組分濃度，因此是全分析傳感器。在發電廠鍋爐試驗中，已有應用。

工作時，從進樣裝置定期采取一定容積的氣樣，在流量一定的純凈載氣（即流動相）攜帶下，流經色譜柱，色譜柱中裝有稱為固定相的固體或液體，利用固定相對氣樣各組分的吸收或溶解能力的不同，使各組分在兩相中反復進行分配，從而使各組分分離，并按時間先后流出色譜柱進入檢測器進行定量測定。

根據檢測原理，氣相色譜式分析儀又細分為濃度型檢測器和質量型檢測器兩種。

濃度型檢測器測量的是氣體中某組分濃度瞬間的變化，即檢測器的響應值和組分的濃度成正比。

質量型檢測器測量的是氣體中某組分進入檢測器的速度變化，即檢測器的響應值和單位時間進入檢測器某組分的量成正比。最常用的檢測器有TCD熱導檢測器、FLD氫火焰離子化檢測器、HCD電子捕獲檢測器、FPD火焰光度檢測器等。

優點：靈敏度高，適合于微量和痕量分析，能分析復雜的多相分氣體。

不足：定期取樣不能實現連續進樣分析，系統較為復雜，多用于試驗室分析用，不太適合工業現場氣體監測。

十、其他氣體傳感器

1．超聲波氣體探測器

這種氣體探測器比較特殊，其原理是當氣體通過很小的泄漏孔從高壓端向低壓端泄漏時，就會形成湍流，產生振動。典型的湍流氣流會在差壓高于0．2MPa時變成因素，超過0．2MPa就會產生超聲波。湍流分子互相碰撞產生熱能和振動。熱能快速分散，但振動會被傳送到相當遠的距離。超聲波探測器就是通過接收超聲波判斷是否有空氣泄漏。

這類探測器通常用于石油和天然氣平臺、發電廠燃氣輪機、壓縮機以及其它戶外管道。

2．磁氧分析儀

這種氣體分析儀是基于氧氣的磁化率遠大于其他氣體磁化率這一物理現象，測量混合氣體中氧氣的一種物理氣體分析設備。這種設備適合自動檢測各種工業氣體中的氧氣含量，只能用于氧氣檢測，選擇性極好。