氣體氧傳感器：一文讀懂氣體傳感器（必須收藏）
原標題：一文讀懂氣體傳感器（必須收藏）
城市里開車的朋友大多數(shù)都遇到如圖上所示的場景，那么，人民警察憑什么僅僅讓你吹一口氣，就判定你涉嫌酒后駕駛或醉酒駕駛呢？
這里就不得不提到警察執(zhí)法里所用到的測試設(shè)備——酒精測試儀，酒精測試儀的核心部件正是一種可以精確測定酒精成份和濃度的氣體傳感器，執(zhí)法人員正是通過它測出駕駛都呼出的氣體中是否含有酒精成份以及含有酒精的多少，作為判斷對方是否涉嫌酒駕或醉駕的依據(jù)。
氣體傳感器的定義
所謂氣體傳感器，是指用于探測在一定區(qū)域范圍內(nèi)是否存在特定氣體和/或能連續(xù)測量氣體成分濃度的傳感器。
在煤礦、石油、化工、市政、醫(yī)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。
在電力工業(yè)等生產(chǎn)制造領(lǐng)域，也常用氣體傳感器定量測量煙氣中各組分的濃度， 以判斷燃燒情況和有害氣體的排放量等。在大氣環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，采用氣體傳感器判定環(huán)境污染狀況，更是十分普遍。
氣體傳感器的相關(guān)歷史
20世紀初第一只半導(dǎo)體傳感器誕生于英國，并一直在歐洲發(fā)展和應(yīng)用，直到20世紀50年代半導(dǎo)體傳感技術(shù)才流傳到日本，費加羅技研的創(chuàng)始人田口尚義在1968年5月率先發(fā)明了半導(dǎo)體式氣體傳感器。
它可以用簡單的回路檢測出低濃度的可燃性氣體和還原性氣體，同時將這個半導(dǎo)體式氣體傳感器命名為TGS(Taguchi Gas Sensor)內(nèi)置在氣體泄漏報警器中，日本和海外的許多家庭和工廠都設(shè)置了這些報警器，用于檢測液化氣等氣體的泄漏，進而把這項技術(shù)推進到了頂峰。
而歐洲人在發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體傳感器的種種不足后開始研究催化傳感器和電化學傳感器。氣體傳感器的理論直到70年代才傳入到我們國家，80年代我國才開始研制氣體傳感器，整個生產(chǎn)技術(shù)主要繼承于德國。
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(dǎo)、半導(dǎo)體式）、有毒氣體傳感器（一般采用電化學、金屬半導(dǎo) 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(huán)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(jù)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(fù)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(dǎo)體式氣體傳感器、氣相色譜式氣體傳感器等。
不同氣體傳感器的檢測原理、特點和用途
熱學式氣體傳感器
熱學式氣體傳感器主要有熱導(dǎo)式和熱化學式兩大類。熱導(dǎo)式是利用氣體的熱導(dǎo)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(yè)界的應(yīng)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(yīng)的熱效應(yīng)，其中廣泛應(yīng)用的是氣體的氧化反應(yīng)(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(dǎo)體材料的電導(dǎo)率會跟隨環(huán)境氣體的成份變化而變化。
其關(guān)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(fā)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(xiàn)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。
左圖：催化元件示意圖（1-催化劑；2-載體；3-Pt電熱絲）；右圖：催化元件測試電路
主要優(yōu)點：對所有可燃氣體的響應(yīng)有廣譜性，對環(huán)境溫度、濕度影響不敏感，輸出信號近線性，且其結(jié)構(gòu)簡單，成本低，計量準確，響應(yīng)快速，壽命較長。
主要不足：精度低，工作溫度高 (內(nèi)部溫度可達700～800℃)，有引燃爆炸的危險。電流功耗大，易受硫化物、鹵素化合物等中毒的不利影響等。
電化學式氣體傳感器
電化學式氣體傳感器是利用被測氣體的電化學活性，將其電化學氧化或還原，從而分辨氣體成分，檢測氣體濃度的。
電化學型氣體傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
電化學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(yīng)是在電流強制下發(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(cè)，會自發(fā)形成濃差電動勢，電動勢的大小與氣體的濃度有關(guān)，這種傳感器的成功實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，和鋼水中氧濃度檢測。
主要優(yōu)點：體積小，功耗小，線性和重復(fù)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。
氧化鋯氧量傳感器是電化學式成分分析傳感器中發(fā)展比較晚的一種，開始出現(xiàn)于20世紀60年代，其工作基理是 根據(jù)濃差電池原理，通過測量待分析氣體和參比氣體因氧氣濃度差異而導(dǎo)致的濃差電動勢，來測量待分析氣體中的含氧量。
由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、靈敏度 高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、安裝使用方便等優(yōu)點，因此發(fā)展較快。常應(yīng)用于硫酸、空氣分離、鍋爐燃燒等多組分氣體的氧量分析以及熔融金屬的含氧測定等。
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(gòu)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(yīng)用場合有化肥生 產(chǎn)、深冷空氣分離、火電站燃燒系統(tǒng)、天然氣制乙炔等工業(yè)生產(chǎn)中氧的控制和連鎖，廢氣、尾氣、煙氣等排放的環(huán)保監(jiān)測等。
光學式氣體傳感器
光學式氣體傳感技術(shù)是起步較晚，但發(fā)展最快的技術(shù)之一。工業(yè)中常用的類型有紅外線氣體分析儀、紫外線分析儀、光電比色式分析儀、化學發(fā)光式分析儀、光散射式分析儀等。
各種氣體吸收紅外線光譜圖
紅外線式的工作原理是利用被測氣體的紅外吸收光譜特征或熱效應(yīng)而實現(xiàn)氣體濃度測量的。常用光譜范圍1～25μm，常用的類型有DIR色散紅外線式和 NDIR非色散紅外線式。紅外線氣體傳感器可以有效地分辨氣體的種類，準確測定氣體濃度，包括二氧化碳、甲烷的檢測。紅外探測器使用無需調(diào)制光源，完全沒有機械運動部件，完全實現(xiàn)免維護化。
常用的紫外線分析儀有不分光紫外線分析儀和紫外熒光式分析儀，前者與紅外線吸收原理類似，也是基于實測氣體對紫外線選擇性地吸收，其吸收特性也遵守比 爾定律，所使用的紫外波長范圍是200～400nm。
后者如紫外熒光式SO2分析儀，是一種干法式分析儀，工作原理是基于SO2分子接受紫外線能量成為激 發(fā)態(tài)的SO2分子，在返回穩(wěn)態(tài)時產(chǎn)生特征熒光，其發(fā)出的熒光強度與SO2濃度成正比。
紫外熒光式可做到不破壞樣品而連續(xù)自動測量大氣中的SO2含量。其靈敏度可達測量范圍的0～2×10 -7 ，穩(wěn)定性可做到在24h的漂移為滿刻度的±2%，重復(fù)性達±2%滿刻度，且共存的背景氣體對測量的影響較小，具有壽命長，維修工作量小的顯著優(yōu)點。
光電比色式是基于比爾定律實現(xiàn)自動光電比色測量的，其適用的分析對象有SO2、NO、碳氫化合物、鹵素化合物等。
化學發(fā)光式分析儀是利用化學氧化反應(yīng)伴有的光熱生成原理而工作，常用的化學發(fā)光式分析儀有臭氧分析儀(利用O3-C2H4產(chǎn)生化學發(fā)光反應(yīng)所放出的光子來測定臭氧)和化學發(fā)光式NO X 分析儀(利用O3的強氧化作用，使NO與O3發(fā)生化學發(fā)光反應(yīng)來實現(xiàn)測量)。
光散射式分析儀是利用光束與氣體中的顆粒相互作用產(chǎn)生散射(前散射、邊散射、后散射)來進行氣體濁度或不透明度測量的，是環(huán)境排放監(jiān)測中最常用的分析儀表之一。
半導(dǎo)體式氣體傳感器
半導(dǎo)體式氣體傳感器是根據(jù)由金屬氧化物或金屬半導(dǎo)體氧化物材料制成的檢測元件，與氣體相互作用時產(chǎn)生表面吸附或反應(yīng)，引起載流子運動為特征的電導(dǎo)率或 伏安特性或表面電位變化而進行氣體濃度測量的。
表面電荷層模型工作示意圖
金屬氧化物半導(dǎo)體在空氣中被加熱到一定溫度時，氧原子被吸附在帶負電荷的半導(dǎo)體表面，半導(dǎo)體表面的電子會被轉(zhuǎn)移到吸附氧上，氧原子就變成了氧負離子，同時在半導(dǎo)體表面形成一個正的空間電荷層，導(dǎo)致表面勢壘升高，從而阻礙電子流動。
在敏感材料內(nèi)部，自由電子必須穿過金屬氧化物半導(dǎo)體微晶粒的結(jié)合部位(晶界)才能形成電流，由氧吸附產(chǎn)生的勢壘同樣存在于晶界而阻礙電子的自由流動，傳感器的電阻即緣于這種勢壘，在工作條件下當傳感器遇到還原性氣體時，氧負離子因與還原性氣體發(fā)生氧化還原反應(yīng)而導(dǎo)致其表面濃度降低，勢壘隨之降低，導(dǎo)致傳感器的組織減小。
從作用機理上可分為表面控制型(采用氣體吸附于半導(dǎo)體表面而產(chǎn)生電導(dǎo)率變化的敏感元件)、表面電位型(采用 半導(dǎo)體吸附氣體后產(chǎn)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(dǎo)體與氣體發(fā)生反應(yīng)時體積發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電導(dǎo)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。
主要優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、檢測靈敏度高、反應(yīng)速度快等。
主要不足：測量線性 范圍較小，受背景氣體干擾較大，易受環(huán)境溫度影響等。
氣相色譜式分析儀
氣相色譜式分析儀是基于色譜分離技術(shù)和檢測技術(shù)，分離并測定氣樣中各組分濃度，因此是全分析傳感器。在發(fā)電廠鍋爐試驗中，已有應(yīng)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(jīng)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(fù)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(jù)檢測原理，氣相色譜式分析儀又細分為濃度型檢測器和質(zhì)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(yīng)值和組分的濃度成正比。
質(zhì)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(yīng)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(dǎo)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。
主要優(yōu)點：靈敏度高，適合于微量和痕量分析，能分析復(fù)雜的多相分氣體。
主要不足：定期取樣不能實現(xiàn)連續(xù)進樣分析，系統(tǒng)較為復(fù)雜，多用于 試驗室分析用，不太適合工業(yè)現(xiàn)場氣體監(jiān)測。
目前已有采用計算機控制儀表系統(tǒng)的操作和進行數(shù)據(jù)運算的氣相色譜儀，并可進行組分越限報警，還具有自動檢查儀表 故障等功能。
隨著健康問題越來越得到關(guān)注，大氣質(zhì)量、室內(nèi)空氣質(zhì)量、車內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控數(shù)據(jù)則成為人們隨時隨地想看到的數(shù)據(jù)，氣體傳感器在這一過程中無疑將扮演更加重要的角色。
作為一種將某種氣體體積分數(shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電信號的轉(zhuǎn)換器，氣體傳感器的用途十分廣泛。現(xiàn)實生活中，實際上不論是在民用、工業(yè)還是環(huán)境檢測等方面，氣體傳感器發(fā)揮著巨大的作用。
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氣體氧傳感器：半導(dǎo)體氣體傳感器
p型金屬氧化物CO傳感器CO-A31/F M31/F P31/F
品牌：英國阿爾法Alphasense
型號：CO-A31/F M31/F P31/F
p型金屬氧化物CO傳感器CO-A31/F M31/F P31/F產(chǎn)品簡介：一 p型金屬氧化物CO傳感器CO-A31/FM31/FP31/F產(chǎn)品介紹 該金屬氧化物傳感器能在周圍環(huán)境條件下運行良好，也能在電化學傳感器無法勝任的極端溫度和濕度環(huán)境下正常工作。傳感器裝配有一個過濾裝置，對CO具有選擇性。與常見的n型傳感器不同，該金屬氧...
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氣體氧傳感器：氧傳感器的作用是什么？
氧傳感器的作用是：1、測定發(fā)動機燃燒后排氣中的氧是否過剩的信息，把氧氣含量轉(zhuǎn)換成電壓信號傳遞到發(fā)動機計算機，使發(fā)動機能夠?qū)崿F(xiàn)以過量空氣因數(shù)為目標的閉環(huán)控制；2、確保三元催化轉(zhuǎn)化器對排氣中的碳氫化合物、一氧化碳和氮氧化合物三種污染物都有轉(zhuǎn)化效率，進行排放污染物的轉(zhuǎn)化和凈化。氧傳感器用于石油、化工、煤炭、冶金、造紙、消防、市政、醫(yī)藥、汽車、氣體排放監(jiān)測等行業(yè)。氧傳感器的故障有：氧傳感器中毒、積碳、氧傳感器陶瓷碎裂、加熱器電阻絲燒斷、氧傳感器內(nèi)部線路斷脫。
氣體氧傳感器：紅外煙氣分析儀消除水分干擾的方法有哪些？
氣體傳感器是用來檢測氣體的成份和含量的傳感器，氣體檢測儀是一種氣體泄露濃度檢測的儀器儀表工具，主要是指便攜式/手持式氣體檢測儀。主要利用氣體傳感器來檢測環(huán)境中存在的氣體種類。
一、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，電阻會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。尤其是，這種傳感器成本低廉，適宜于民用氣體檢測的需求。
缺點：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)用于計量準確要求的場所。
二、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，燃燒是白金電阻溫度升高，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可燃性氣體。
優(yōu)點：催化燃燒式氣體傳感器計量準確，響應(yīng)快速，壽命較長。傳感器的輸出與環(huán)境的爆炸危險直接相關(guān)，在安全檢測領(lǐng)域是一類主導(dǎo)地位的傳感器。
缺點：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。大部分元素有機蒸汽對傳感器都有中毒作用。
三、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，當兩個和多個氣體的熱導(dǎo)率差別較大時，可以利用熱導(dǎo)元件，分辨其中一個組分的含量。這種傳感器已經(jīng)傳感器地用于氫氣的檢測、二氧化碳的檢測、高濃度甲烷的檢測。
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，全世界各地都有制造商。產(chǎn)品質(zhì)量全世界大同小異。
四、電化學式氣體傳感器
它相當一部分的可燃性的、有毒有害氣體都有電化學活性，可以被電化學氧化或者還原。利用這些反應(yīng)，可以分辨氣體成份、檢測氣體濃度。電化學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(yīng)是在電流強制下發(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(cè)，會自發(fā)形成濃差電動勢，電動勢的大小與氣體的濃度有關(guān)，這種傳感器的成功實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，和鋼水中氧濃度檢測。
五、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FTIR/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(拇指大小)左右。使用無需調(diào)制光源的紅外探測器使得儀器完全沒有機械運動部件，完全實現(xiàn)免維護化。
紅外線氣體傳感器可以有效地分辨氣體的種類，準確測定氣體濃度。這種傳感器成功的用于：二氧化碳、甲烷的檢測。
六、磁性氧氣傳感器
這是磁性氧氣分析儀的核心，但是目前也已經(jīng)實現(xiàn)了“傳感器化”進程。
它是利用空氣中的氧氣可以被強磁場吸引的原理制備的。這種傳感器只能用于氧氣的檢測，選擇性極好。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！
七、其他
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議，比如：激光原理，盡管也是用于氣體的檢測，盡管體積一樣小巧，但是，由于不能真正實現(xiàn)免維護化，因此，這種裝備，無論體積有多小，都應(yīng)該列在“檢測儀器”的名下。
