用於安全領域的氣體感測器種類知多少？

最新 06-17

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氣體感測器主要用於針對某種特定氣體進行檢測，測量該氣體在感測器附近是否存在，或在感測器附近空氣中的含量。因此，在安全系統中，氣體感測器通常都是不可或缺的。這些感測器可以為安全系統提供可燃、易燃和有毒氣體的信息，以及區域內氧氣的消耗，二氧化碳的比例。

常見的氣體感測器包括電化學氣體感測器，催化燃燒氣體感測器，半導體氣體感測器，紅外氣體感測器等。不同類型的感測器由於原理和結構不同，性能、使用方法、適用氣體、適用場合也不盡相同。今天，儀控君就為大家羅列一下常見的氣體感測器種類，希望能對大家有所幫助。

電化學氣體感測器

相當一部分的可燃性的、有毒有害氣體，比如硫化氫、一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳等，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，可以分辨氣體成份、檢測氣體濃度。電化學感測器正是基於這種原理。

電化學感測器擁有很多子類：

原電池型氣體感測器

這種感測器也被稱為加伏尼電池型氣體感測器，或燃料電池型氣體感測器、自發電池型氣體感測器。他們原理與我們日常使用的乾電池相同，只不過電池碳錳電極被氣體電極替代了。以氧氣感測器為例，氧陰極被還原，電子電流表流到陽極，那裡鉛金屬被氧化。因此電流大小與氧氣濃度直接相關。這種感測器可以有效檢測氧氣、二氧化硫、氯氣等氣體。

恆定電位電解池型氣體感測器

這種感測器用於檢測還原性氣體非常有效，它原理與原電池型感測器不一樣，電化學反應是電流強制下發生，是一種真正庫侖分析感測器。這種感測器已經成功用於一氧化碳、硫化氫、氫氣、氨氣、肼等氣體檢測之中，是目前有毒有害氣體檢測主流感測器。

註：庫侖分析是指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的方法。

濃差電池型氣體感測器

這種感測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，這種感測器的成功實例就是汽車用氧氣感測器、固體電解質型二氧化碳檢測儀。

極限電流型氣體感測器

這是一種測量氧氣濃度的感測器，工作原理是基於穩定氧化鋅固體電解質的氧泵作用，通過氣體擴散控制供給陰極的氧而得到極限電流。這種感測器目前主要用於鍋爐的燃燒控制、鋼水中氧氣濃度檢測，以及汽車的氧氣檢測。

半導體式氣體感測器

半導體式氣體感測器是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反映，導致敏感元件阻值變化：

氧氣等具有負離子吸附傾向的氣體，被成為氧化型氣體——電子接收型氣體；

氫、碳氧化合物、醇類等具有正離子吸附傾向的氣體，被稱為還原型氣體——電子供給型氣體。

當氧化（還原）型氣體吸附到N（P）型半導體上，半導體的載流子減少（增多），電阻率上升（下降）；吸附到P（N）型半導體上，半導體的載流子增多（減少），電阻率下降（上升）。（可以看出氧化和還原型半導體是截然相反的）因此從這些性質可以有效的檢測出對應的氣體。

半導體式氣體感測器可以有效用於：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、丙烯酸等很多氣體檢測。尤其是，這種感測器成本低廉，可以同時滿足工業與民用的需求。

缺點：穩定性較差，受環境影響較大，不宜應用於計量準確要求場所。

催化燃燒式氣體感測器

這種感測器實際上是基於鉑電阻溫度感測器的一種氣體感測器，即在鉑電阻表面製備耐高溫催化劑層，在一定溫度下，可燃氣體在表面催化燃燒，因此鉑電阻溫度升高，導致電阻的阻值變化。

由於催化燃燒式氣體感測器鉑電阻外通常由多孔陶瓷構成陶瓷珠包裹，因此這種感測器通常也被成為催化珠氣體感測器。理論上這種感測器可以檢測所有可以燃燒的氣體，但實際應用中有很多例外。這種感測器通常可以用於檢測空氣中的甲烷、LPG、丙酮等可燃氣體。

基於鉑電阻優良的溫度特性，這種感測器具有計量準確，響應快速。感測器輸出與環境爆炸危險直接相關，安全檢測領域是一類主導位感測器。

缺點是需要在充足的氧氣環境中工作（畢竟需要燃燒）；暗火工作，有引燃爆炸危險；大部分元素有機蒸汽對感測器都有中毒作用；由於催化劑不斷消耗，零點和量程會發生漂移，需要頻繁的標定和調節。

光離子化氣體感測器

通常被稱為PID，即Photoionization Detector的縮寫（儀控君在此特別提示，此PID不是比例微分積分）。這是一種具有極高靈敏度，用途廣泛的檢測器，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。

PID使用了一個紫外光源，通過離子化，即將有機物分子電離成可被檢測器檢測到的正負離子，檢測器捕捉到離子化了的氣體的正負電荷，並將其轉化為電流信號實現氣體濃度的測量。當被測氣體吸收高能量的紫外光時，氣體分子受紫外光的激發暫時失去電子成為帶正電荷的離子，氣體離子在檢測器的電極上被測出，根據電極產生的電位檢測出氣體濃度，檢測後，離子很快又與電子結合重新組成原來的氣體分子。

PID可檢測芳香烴類、酮類、醛類、氯代烴類、胺及胺類化合物和不飽和烴類。

紅外氣體感測器

這種感測器利用氣體對特定頻率的紅外光譜的吸收作用製成。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採用雙波長、雙接收器，使檢測更準確、可靠。

它的優點是：選擇性好，只檢測特定波長的氣體，可以根據氣體定製；採用光學檢測方式，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。

缺點是：測量範圍窄，只能檢測(c1。c5)的碳氫化合物；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。

固體電解質氣體感測器

固體電解質氣體感測器是指以固體電解質作為感測材料的氣體感測器，常用的固體電解質主要包括：穩定氧化鋯、鈉離子快導體、質子導體以及一些低價金屬的鹵化物等。固體電解質氣體感測器按照檢測信號的特點可分為平衡電位型、混成電位型、限制電流型和短路電流型等。

這種感測器介於半導體氣體感測器和電化學氣體感測器之間，選擇性、靈敏度高於半導體氣體感測器，壽命長於電化學氣體感測器，因此得到廣泛應用。這種感測器的不足之處是響應時間過長。

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於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。

這類探測器通常勇於石油和天然氣平台、發電廠燃氣輪機、壓縮機以及其它戶外管道。

磁氧分析儀