气体传感器综述

1.2.2催化燃烧式气体传感器适用范围 普遍适用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道和浴室厨房的可燃性 气体的监测和报警。该传感器在环境温度下非常稳定，并能对处于爆 炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测。 1.2.3催化燃烧式气体传感器优缺点 优点：催化燃烧式气体传感器对气体选择性好，线性好，受温度、湿 度影响下，响应快。而且计量准确，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。同时对低浓度的可 燃性气体的气体敏感度低，敏感元件受到催化剂的侵害后其特性锐减， 金属丝易断。
5、浓差电池式气体传感器：是基于固体电解质产生的浓差电势来进 行测量的。
1.3.3发展方向
上述的传感器大都是以水溶液作为电解质溶液的，它有以下几点问题： （1）、电解液的蒸发或污染常会导致传感器信号衰降，使用寿命短 （一般来说，电化学传感器的寿命只有一年左右，最长不过两年）； （2）、催化剂长期与电解液直接接触，反应的有效区域，即气、液、 固三相界面容易发生移动，会使催化活性降低； （3）、在干燥的气氛中，特别是在通气条件下，传感器中的电解液 很容易失水而干涸，致使传感器失效； （4）、存在漏液、腐蚀电子线路等问题； （5）、为了保证传感器有一定的使用寿命，电解液的用量不能太少， 因此限制了该类传感器的微型化。 因此，随着人们对电化学传感器的进一步研究和深入发展，电化学气 体传感器研究将向如下方向发展：高灵敏度、高稳定性、长使用寿命、 便携式、微型化、智能化。可以断言，电化学传感器的明天必将海阔 天空。
1.4红外线气体传感器
1.4.1红外线气体传感器原理
当某物质受到红外光束照射时，该物质的分子就要吸收一部分能 量并将其转换为分子的振动和转动能量，同一种物质对不同波长的红 外辐射吸收程度不同，如果将不同波长的红外辐射按顺序通过某物质， 逐一测量其吸收程度，并记录下来，就得到该物质在测定波长范围内 的吸收光谱曲线。 1.4.2红外线气体传感器的基本机构 由光学部件和测量电路构成，测量 电路的结构由光学部件及系统功能决定
红外辐射光源 气室 红外检测器
使用广谱光源 光谱覆盖波长 从1μm到15～ 20μm
抽取式测量的红 外仪器需要气室
用于检测通过气 室的红外光能
1.4.3红外线气体传感器的发展
在线红外气体分析器常用的有五种类型：薄膜微音红外气体分 析器，微流量红外气体分析器；气体滤波相关红外气体分析器，半导 体红外气体分析器，傅立叶红外气体分析器。 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（微机电系统Micro-Electro-Mechanical Systems的英文缩写） 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：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。
发生原理： 半导体氧化物型气体传感器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。
1.1.2适用气体及优缺点 适用气体：半导体氧化物型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。可以广泛用于空气质量检测、食品、 香精、香水的质量评定及生产过程控制，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 传感器完全可以满足工业检测的需要。
伽伐尼 电池式 电池 电流 贵金属作用电极、贱金属 对比电极电解质水溶液 贵金属作用电极、贱金属对比电 极电解质水溶液
2.3电化学式气体传感器 气体扩散电极，
种类
现象
传感器材料
特点
金属作用电极和对比电极， 不必担心电解质水溶液的消耗， 但不能检测高浓度气体(数百ppm 有机酸胶电解质、无机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。
1.6光纤气体传感器
1.6.1光纤气体传感器的背景
光纤气体传感器是80年代后期出现的一种新型传感器。经过二十 多年的发展，它己应用在社会生活的许多方面：工业气体在线监测、 有害气体分析、环境空气质量监测和爆炸气体检测以及对火山喷发气 体的分析[28-32]。工业上的需要和人们对环境的关注使得光纤气体传感 器的发展非常迅速。有资料表明，美国1996年一2002年光纤气体传 感器年均增长率为27%-30%，而我国对光纤传感器的市场需求也很大。 1.6.2光纤气体传感器的分类及其原理 1光谱吸收型气体传感器 光谱吸收型气体传感器是最重要，也是最简单的一类光纤气体传感器。 它利用气体的吸收光谱因气体分子化学结构、浓度和能量分布差异产 生的不同进行检测，从而具有了选择性、鉴别性和气体含量的唯一确 定性等特点。 2基于折射率变化型传感器 在裸露纤芯表面或是端面涂敷一层与气体作用时折射率会发生变化的 特殊材料，可引起波导的参数变化，如损耗、有效折射率、双折射等， 运用强度模式或干涉等方法检测参数变化量就可实现对气体的成分和 含量进行分析[35]。
1.1半导体氧化物型气体传感器
2.1.1背景及发生原理 背景： 由Seiyama T在1962年首先报道的[2]，利用ZnO薄膜的表面电 导在气体中的变化来检测可燃性气体。同年，田口尚义发明了二氧化锡 基气体传感器[3]，并通过贵金属掺杂大幅度地提高了对可燃性气体的灵 敏度[4]，并实现了产业化。虽然后来开发了一些新型半导体氧化物气体 敏感材料，例如，In203、γ- Fe203、α-Fe203、W03和ABO3。等[5-9]，但 由于SnO2具有良好的化学稳定性和热稳定性，商品化的半导体氧化物 型传感器主要是以二氧化锡为基体敏感材料。
离子电 极式
电量 式 浓差电 池式
电极电位的 变化
电解 电流 浓差测定产 生的电势
离子选择电极，电解质水 溶液，多孔聚四氟乙烯膜
贵金属正负电极，电解质 水溶液，多孔聚四氟乙烯 膜 固体电解质
选择性好， 但被测气体不多
选择性好， 但被测气体不多 适合低浓度测量，大型，需消耗 电力，需基准气体
1.3.2各种传感器的工作原理
1.2.4国内外使用情况
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。
通过改变气体电极、电解质水溶 2.3.1 电解 恒电位 按其工作原理分类及各传感器的比较 液、电极电位等，可选择被测气 电解质水溶液 体 电解式 电流 气体电极， 不使用酸、碱性电解质，不必担 心由于蒸发而消耗掉 水体聚合物膜
1气体传感器的分类及常用传感器的工作原理
气体传感器主要有半导体传感器（电阻型和非电阻型）、 绝缘体传感器（接触燃烧式和电容式）、电化学式（恒电 位电解式、伽伐尼电池式），还有红外吸收型、石英振荡 型、光纤型、热传导型、声表面波型、气体色谱法等。
下面集中介绍几种常用传感器的工作原理优缺点及其发展 趋势。
1.1.3国内外发展趋势及研究方向 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。 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。 目前国内的研究趋势有： 1.材料的纳米结构——纳米化气敏材料研究 这种结构材料是十分理想的高性能气体敏感材料，可以从根本上 改善、提高气体传感器的灵敏度、选择性和稳定性，解决材料的气体 敏感性。 2.混合体系氧化物气敏材料 将两种或两种以上的氧化物材料复合成的材料体系，也许是一种 具有较好气体敏感性能的新的氧化物气敏材料。 3.材料的优化设计 按照使用要求对材料进行理论计算，确定为达到该性能所应采用 的配方和工艺。
1、恒定电位电解池型气体传感器：使电极与电解质溶液的界面保持 一定电位进行电解，通过改变其设定电位，有选择的使气体进行氧化 或还原，从而能定量检测各种气体。对特定气体来说，设定电位由其 固有的氧化还原电位决定，但又随电解时作用电极的材质、电解质的 种类不同而变化。
2、加伏尼电池型气体传感器：通过测量电解电流来检测气体浓度。 但由于传感器本身就是电池，所以不需要由外界施加电压。这种传感 器主要是用于O2的检测，检测缺氧的仪器几乎都使用这种传感器。 3、离子电极式气体传感器：其原理为气态物质溶解于电解质溶液并 离解，离解生成的离子作用于离子电极产生电动势，将此电动势取出 以代表气体浓度。 4、电量式气体传感器：被测气体与电解质溶液反应生成电解电流， 将此电流作为传感器输出来检测气体浓度，其作用电极、对比电极都 是Pt电极。
•优点：这种传感器成本低廉，具有快速、简便等优点。并且适宜于民用 气体检测的需求。 •缺点：这些氧化物半导体的纯相是光谱性敏感材料，具有灵敏度低、选 择性不好、稳定性较差、且有的电阻大等缺点，同时受环境影响较大； 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。
1.2催化燃烧式气体传感器
2.2.1催化燃烧式气体传感器监测原理
接触燃烧式气体传感器可分为直接接 触燃烧式和催化接触燃烧式，其工作原理 是的检测元件一般为铂金属丝（也可表面 催化燃烧式气敏传感器电路原理： F1 涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对 是气敏元件，F2是温度补偿元件，F1，F2 铂丝通以电流，保持300℃～400℃的高温， 均为白金电阻丝。Fl，F2与R3，R4组成惠 此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就 斯登电桥，当不存在可燃性气体时，电桥 会在稀有金属催化层上燃烧，因此，铂丝 处于平衡状态。当存在可燃性气体时，F1 的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通 的电阻产生增量△R，电桥失去平衡，输出 过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道 与可燃性气体特征参数（如浓度）成比例 可燃性气体的浓度。 的电信号。