气体传感器的分类和原理应用气体检测Gas sensor

      气体传感器是化学传感器的一大门类。从工作原理、特性分析到测量技术，从所用材料到制造工艺，从检测对象到应用领域，都可以构成独立的分类标准，衍生出一个个纷繁庞杂的分类体系，尤其在分类标准的问题上还没有统一，要对其进行严格的系统分类难度颇大。接下来了解一下气体传感器的主要特性：

半导气体传感器

这种类型的传感器在气体传感器中约占60%，根据其机理分为电导型和非电导型，电导型中又分为表面型和容积控制型。

（1） SnO2半导体是典型的表面型气敏元件，其传感原理是SnO2为n 型半导体材料。当施加电压时，半导体材科温度升高，被吸附的氧接受了半导体中的电子形成了O2或O2原性气体H2、CO、CH4存在时，使半导体表面电阻下降，电导上升，电导变化与气体浓度成比倒。NiO为p型半导体，氧化性气体使电导下降，对O2敏感。ZnO半导体传感器也属于此种类型。

a. 电导型的传感器元件分为表面敏感型和容积控制型，表面敏感型传感材料为SnO2+Pd 、ZnO十Pt 、AgO、V2O5 、金属酞青、Pt —SnO2。 表面敏感型气体传感器可检测气体为各种可燃性气体CO、NO2、 氟利昂。传感材料Pt —SnO2 的气体传感器可检测气体为可燃性气体CO、H2、CH4 。

b. 容积控制型传感材料为Fe2O8和TiO2、CO-MgO —SnO2体传感器可检测气体为各种可燃性气体CO、NO2、氟利昂，传感材料Pt —SnO2。

容积控制型半导体气体传感器可检测气体为液化石油气、酒精、空燃比控制、燃烧炉气尾气。

（2）容积控制型的是晶格缺陷变化导致电导率变化，电导变化与气体浓度成比例关系。

Fe2O8、TiO2属于此种，对可燃性气体敏感。

（3）热线性传感器，是利用热导率变化的半导体传感器，又称热线性半导体传感器，是在Pt 丝线圈上涂敷SnO2层，Pt丝除起加热作用外，还有检测温度变化的功能。施加电压半导体变热，表面吸氧，使自由电子浓度下降，可燃性气体存在时，由于燃烧耗掉氧自由电子浓度增大，导热率随自由电子浓度增加而增大，散热率相应增高，使Pt 丝温度下降，阻值减小，P t丝阻值变化与气体浓度为线性关系。

这种传感器体积小、稳定、抗毒，可检测低浓度气体，在可燃气体检测中有重要作用。

（4）非电导型的FET场效应晶体管气体传感器，Pd —FET．场效应晶体管传感器，利用Pd 吸收H z 并扩散达到半导体Si 和Pd的界面，减少Pd 的功函，这种对H2、CO敏感。非电导型FET场效应晶体管气体传感器体积小，便于集成化，多功能，是具有发展前途的气体传感器。 [2]

固体电解质气体传感器

这种传感器元件为离子对固体电解质隔膜传导，称为电化学池，分为阳离子传导和阴离子传导，是选择性强的传感器，研究较多达到实用化的是氧化锆固体电解质传感器，其机理是利用隔膜两侧两个电池之间的电位差等于浓差电池的电势。稳定的氧化铬固体电解质传感器已成功地应用于钢水中氧的测定和发动机空燃比成分测量等。

为弥补固体电解质导电的不足，近几年来在固态电解质上镀一层气敏膜，把围周环境中存在的气体分子数量和介质中可移动的粒子数量联系起来。 [2]

接触燃烧式气体传感器

接触燃烧式传感器适用于可燃性气H2、CO、CH4的检测。可燃气体接触表面催化剂

Pt 、Pd 时燃烧、破热，燃烧热与气体浓富有关。这类传感器的应用面广、体积小、结构简单、稳定性好，缺点是选择性差。 [2]

电化学气体传感器

电化学方式的气体传感器常用的有两种：

（1）恒电位电解式传感器

是将被测气体在特定电场下电离，由流经的电解电流测出气体浓度，这种传感器灵敏度高，改变电位可选择的检洌气体，对毒性气体检测有重要作用。

（2）原电池式气体传感器

在KOH电解质溶液中，Pt —Pb或Ag —Pb 电极构成电池，已成功用于检测O2，其灵敏度高，缺点是透水逸散吸潮，电极易中毒。 [2]

光学气体传感器

（1）直接吸收式气体传感器

红外线气体传感器是典型的吸收式光学气体传感器，是根据气体分别具有各自固有的光谱吸收谱检测气体成分，非分散红外吸收光谱对SO2、CO、CO2、NO等气体具有较高的灵敏度。

另外紫外吸收、非分散紫外线吸收、相关分光、二次导数、自调制光吸收法对NO、NO2、SO2、烃类( CH4) 等气体具有较高的灵敏度。

（2）光反应气体传感器

光反应气体传感器是利用气体反应产生色变引起光强度吸收等光学特性改变，传感元件是理想的，但是气体光感变化受到限制，传感器的自由度小。

（3）气体光学特性的新传感器

光导纤维温度传感器为这种类型，在光纤顶端涂敷触媒与气体反应、发热。温度改变，导致光纤温度改变。利用光纤测温已达到实用化程度，检测气体也是成功的。

此外，利用其它物理量变化测量气体成分的传感器在不断开发，如声表面波传感器检测SO2、NO2、H2S、NH3、H2 等气体也有较高的灵敏度。

1、稳定性

稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化。区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化，表现为传感器输出信号在工作时间内的降低。理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于10%。

2、灵敏度

灵敏度是指传感器输出变化量与被测输入变化量之比，主要依赖于传感器结构所使用的技术。大多数气体传感器的设计原理都采用生物化学、电化学、物理和光学。首先要考虑的是选择一种敏感技术，它对目标气体的阀限制（TLV-thresh-oldlimitvalue）或最低爆炸限（LEL-lowerexplosivelimit）的百分比的检测要有足够的灵敏性。

3、选择性

选择性也被称为交叉灵敏度。可以通过测量由某一种浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定。这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高选择性。

4、抗腐蚀性

抗腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标气体中的能力。在气体大量泄漏时，探头应能够承受期望气体体积分数10~20倍。在返回正常工作条件下，传感器漂移和零点校正值应尽可能小。

气体传感器的基本特征，即灵敏度、选择性以及稳定性等，主要通过材料的选择来确定。选择适当的材料和开发新材料，使气体传感器的敏感特性达到最优。

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