气体传感器的分类及使用方法有哪些呢？（一）

所谓气体传感器是指用于检测特定区域是否存在特定气体和/或可以连续测量气体成分浓度的传感器。在煤矿、石油、化工、市政、医疗、交通、家居等安全防护中，气体传感器常用于检测易燃、易燃、有毒气体的浓度或有无，或氧气的消耗情况。

气体传感器主要用于检测特定的气体，测量传感器附近是否存在气体，或者传感器附近空气中的含量。因此，气体传感器在安全系统中往往是不可或缺的。

从工作原理、特性分析到测量技术，从所用材料到制造过程，从检测对象到应用领域，都可以形成独立的分类标准，可以衍生出复杂的分类体系，尤其是在分类标准中。在这个问题上没有统一性，很难系统地进行严格的分类。

气体传感器的分类

从被测气体的种类上，通常分为可燃气体传感器（常采用催化燃烧式、红外、导热、半导体式）、有毒气体传感器（一般采用电化学、金属半导体、光离子化、火焰离子化）型）、有害气体传感器（常采用红外线、紫外线等）、氧气（常采用顺磁型、氧化锆型）等各类传感器。

从使用方法上，通常分为便携式气体传感器和固定式气体传感器。

从获取气体样品的方法上，通常分为扩散式气体传感器（即传感器直接安装在被测对象的环境中，被测气体通过与传感器检测元件直接接触）自然扩散）、吸入式气体传感器（指通过吸泵等方式将被测气体引入传感器检测元件进行检测。根据被测气体是否被稀释可细分为全吸式、稀释式等）。

从气体成分的分析来看，通常分为单一气体传感器（只检测特定气体）和复合气体传感器（同时检测多种气体成分）。

根据传感器检测原理，通常分为热式气敏、电化学气敏、磁性气敏、光学气敏、半导体气敏、气相色谱气敏等。

我们来看看气体传感器的特点：

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，取决于零漂和区间漂。零漂移是指在没有目标气体的情况下，在整个工作时间内传感器输出响应的变化。间隔漂移是指传感器连续放置在目标气体中的输出响应的变化，表现为传感器在工作时间内输出信号的下降。理想情况下，传感器在连续运行条件下每年的零漂移应小于 10%。

2、灵敏度

灵敏度是指传感器输出变化与被测输入变化之比，主要取决于传感器结构所采用的技术。大多数气体传感器是使用生化、电化学、物理和光学原理设计的。首先要考虑的是选择一种足够灵敏的技术来检测目标气体的阀门极限或最低爆炸极限的百分比。

3、可选

选择性也称为交叉敏感性。它可以通过测量一定浓度的干扰气体产生的传感器响应来确定。该响应相当于一定浓度的目标气体产生的传感器响应。这一特性在跟踪多种气体的应用中非常重要，因为交叉灵敏度降低了测量的可重复性和可靠性，理想的传感器应该具有高灵敏度和高选择性。

4、耐腐蚀

耐腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标气体的能力。当大量气体泄漏时，探头应能承受预期气体体积分数的 10 至 20 倍。恢复正常工作状态时，传感器漂移和零位校正值应尽可能小。气体传感器的基本特性，即灵敏度、选择性和稳定性，主要取决于材料的选择。选择合适的材料并开发新材料以优化气体传感器的敏感特性。

以下是不同气体传感器的检测原理、特点和用途：

一、半导体气体传感器

根据金属氧化物或金属半导体氧化物材料制成的检测元件，在与气体相互作用时发生表面吸附或反应，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化。用于气体浓度测量。

按作用机理可分为表面控制型（利用半导体表面吸附的气体产生导电性变化的敏感元件）和表面电位型（气体-利用半导体吸附气体产生表面电势或界面电势变化的敏感元件），体积控制型（基于半导体与气体反应时体积发生变化，导致电导率变化的工作原理）等。它可以检测百分比浓度的可燃气体，也可以检测ppm级的有毒有害气体。

优点：结构简单、价格低廉、检测灵敏度高、反应速度快等。

不足：测量线性范围小，背景气体干扰大，易受环境温度等影响

二、固体电解质气体传感器

固体电解质是一种与电解质水溶液具有相同离子电导率特性的固体物质，当用作气体传感器时，它是一种电池。它不需要通过透气膜使气体溶解在电解液中，可以避免溶液蒸发和电极消耗等问题。由于该传感器具有高电导率、良好的灵敏度和选择性，已广泛应用于石油化工、环保、矿山、食品等领域，其重要性仅次于金属氧化物半导体气体传感器。

这种传感器介于半导体气敏元件和电化学气敏元件之间，选择性和灵敏度比半导体气敏元件高，寿命也比电化学气敏元件长，因此被广泛使用用过的。这种传感器的缺点是响应时间太长。

三、催化燃烧气体传感器

该传感器实际上是基于铂电阻温度传感器的气体传感器，即在铂电阻表面制备耐高温催化剂层。在一定温度下，可燃气体在表面催化燃烧，铂电阻的温度升高氮气充气机工作原理，导致电阻的阻值发生变化。

由于催化燃烧式气体传感器的铂电阻通常被多孔陶瓷组成的陶瓷珠包围，这种传感器通常也被称为催化珠式气体传感器。理论上这种传感器可以检测所有的可燃气体，但在实际应用中却有很多例外。该传感器通常可用于检测空气中的甲烷、液化石油气、丙酮等可燃气体。

四、电化学气体传感器

电化学气体传感器是在电极处对被测气体进行氧化或还原，测量电流，从而获得目标气体浓度的检测器。包括原电池式气体传感器、恒电位电解槽式气体传感器、浓差电池式气体传感器和限流式气体传感器。

1、原电池型气体传感器（也叫：Gavoni电池型气体传感器，也叫燃料电池型气体传感器，也叫自发电池型气体传感器），它们的原理和我们介绍的一样使用干电池，但是，碳锰电极被气体电极取代。在氧气传感器的情况下，氧气在阴极被还原，电子通过电流表流向阳极，铅金属在阳极被氧化。电流的大小与氧气浓度直接相关。该传感器可有效检测氧气、二氧化硫等。

2、恒电位电解槽式气体传感器，这种传感器对检测还原性气体非常有效，其原理与原电池式传感器不同，它的电化学反应是在电流的作用下发生的，是真正的库仑分析（由法拉第定律根据电解过程中消耗的电量确定）传感器。该传感器用于一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气、联氨等气体的检测，是目前有毒有害气体检测的主流传感器。

3、浓度电池式气体传感器，电化学电池两侧的电化学活性气体会自发形成浓度电动势，电动势的大小与气体浓度有关。这种传感器的一个例子是汽车氧传感器、固体电解质二氧化碳传感器。

4、限流式气体传感器，有一种用于测量氧气浓度的传感器，利用电化学电池中的限流电流与载流子浓度有关的原理制备氧气（气体）浓度传感器汽车中的检测，钢水中氧浓度的检测。

主要优点：体积小，功耗低，线性度和重复性好，分辨率一般可以达到0.1ppm，寿命长。

主要缺点：易受干扰，灵敏度受温度变化影响较大。

五、PID——光电离气体传感器

PID 由紫外光源和毒气室组成。紫外线的原理与荧光灯管相同，但频率高，能量大。待测气体到达气室后，紫外灯发出的紫外光产生电荷流，气体浓度与电荷流的大小呈正相关。气体浓度可以通过测量电荷流量来测量。它可以检测从 10ppb 到更高浓度的 10000ppm 的挥发性有机化合物和其他有毒气体。许多有害物质都含有挥发性有机化合物，而PID对挥发性有机化合物高度敏感。

六、热式气体传感器

热式气体传感器主要分为热导式和热化学式两大类。

热导式是利用气体的热导率，通过改变热敏电阻的阻值来测量一种或几种气体成分的浓度。其在行业中的应用已有数十年历史，仪器种类较多，可分析的气体也较广。

热化学公式是基于被分析气体的化学反应的热效应。其中，气体的氧化反应（即燃烧）应用比较广泛，典型的就是催化燃烧式气体传感器。其主要工作原理是在一定温度下，某些金属氧化物半导体材料的电导率随环境气体的组成而变化。

关键部件是涂有燃烧催化剂的惠斯通电桥，主要用于检测可燃气体，如燃气发电站、燃气厂分析空气中的CO、H2、C2H2等可燃气体、煤矿开采矿山用于分析隧道内的CH4含量，分析石油开采船现场泄漏的甲烷含量，分析燃料和化工原料储存仓库或空气中的石油蒸气、醇醚蒸气等。原料车间。

七、红外气体传感器

一个完整的红外气体传感器由红外光源、光腔、红外探测器和信号调理电路组成。该传感器是利用红外光谱特定频率的气体吸收制成的。红外光从发射端发射到接收端。当有气体时，红外光会被吸收，接收到的红外光会减少，从而检测气体含量。目前较为先进的红外型采用双波长双接收器，使检测更加准确可靠。

优点：选择性好，只检测特定波长的气体，可根据气体定制；采用光学检测方式，不易受有害气体影响而中毒老化；响应速度快，稳定性好；采用物理特性，无化学反应，防爆性好；信噪比高，抗干扰能力强；使用寿命长；测量精度高。

缺点：测量范围窄；怕灰尘和潮湿，现场环境比较好，镜面灰尘需要定期清理保养；现场有气流时无法检测到；价格很高。

八、磁性气体分析传感器

在磁性气体分析传感器中，最常见的是利用氧气的高磁化特性来测量氧气浓度的磁性氧气分析传感器。它利用空气中的氧气可以被强磁场吸引的原理。它的测氧范围最广，是一种非常有效的测氧传感器。

常用的有热磁对流氧分析传感器（根据组成方法不同可细分为测速热磁和压力平衡热磁型）和磁机械氧分析传感器。

主要用途：用于氧检测，选择性好，是磁氧分析仪的核心。其典型应用包括化肥生产、低温空分、火力发电站燃烧系统、天然气制乙炔等工业生产的氧气控制及链条、废气、尾气、烟气等排放物的环境监测。

九、气相色谱分析仪

基于色谱分离技术和检测技术，分离并测量气体样品中各组分的浓度，是一款全分析传感器。已用于电厂锅炉试验。

工作时，定期从取样装置中取出一定体积的气体样品，由一定流量的纯载气（即流动相）携带，流过色谱柱，色谱柱充满一种称为固定相或液体的固体，利用固定的相对气体样品中各组分吸收或溶解能力的差异氮气充气机工作原理，使各组分在两相中重复分布，使各组分分离，流出色谱色谱柱按时间进入检测器进行定量测定。

根据检测原理，气相色谱分析仪又细分为浓度型检测器和质量型检测器。

浓度检测器测量气体中某一组分浓度的瞬时变化，即检测器的响应值与该组分的浓度成正比。

质量检测器测量进入检测器的气体中某种组分的速度变化，即检测器的响应值与单位时间内某种组分进入检测器的量成正比。最常用的检测器有TCD热导检测器、FLD氢火焰离子化检测器、HCD电子捕获检测器、FPD火焰光度检测器等。

优点：灵敏度高，适用于微量和痕量分析，可分析复杂的多相分离气体。

不足：定期采样无法实现连续采样分析，系统较为复杂，多用于实验室分析，不适合工业现场气体监测。

十、其他气体传感器

1.超声波气体检测仪

这种气体检测仪很特别。其原理是当气体从高压端通过一个小泄漏孔泄漏到低压端时，会形成湍流并产生振动。当压差高于0.2MPa时，典型的湍流气流会成为一个因素，而当压差超过0.2MPa时会产生超声波。湍流分子相互碰撞以产生热量和振动。热能迅速消散，但振动会传播相当长的距离。超声波检测仪通过接收超声波来判断是否漏气。

这些探测器常用于油气平台、电厂燃气轮机、压缩机和其他户外管道。

2.磁氧分析仪

本气体分析仪是基于氧气的磁化率远大于其他气体的物理现象，是一种测量混合气体中氧气的物理气体分析设备。该设备适用于各种工业气体中氧含量的自动检测，且只能用于氧检测，选择性好。