1、傳感器的基本概念

 在實際應用中zui先被大規模應用的氣體傳感器是半導體傳感器，其次是催化燃燒傳感器和電化學傳感器。20世紀初*只半導體傳感器誕生于英國，并一直在歐洲發展和應用，直到20世紀50年代半導體氣體傳感技術才流傳到日本，并有日本人把這項技術推進到了。而歐洲人在發現了半導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，整個生產技術主要繼承于德國 。

1. 什么是傳感器？

能夠采集信息并把采集到的信息轉化為人們更易識別的信號（如電信號、聲信號、光信號、數字信號等）,凡是具有這種功能的部件或裝置，統稱為傳感器。

1. 什么是氣體傳感器？

能夠采集氣體的某些信息（如：濃度、種類）并把采集到的信息轉化為人們更易識別的信號（如電信號、聲信號、光信號、數字信號等）,凡是具有這種功能的部件或裝置，就是氣體傳感器。

1. 氣體傳感器的分類

氣體傳感器大致可以分為兩大類即：物理類氣體傳感器和化學類氣體傳感器。

所謂的物理類氣體傳感器就是在傳感器的工作過程中利用氣體的物理性質，沒有化學反應發生的氣體傳感器；反之則稱為化學類的氣體傳感器。

化學類的氣體傳感器雖然可靠性稍差，但由于它具有體積小巧、使用方便、探測迅速靈敏、價格低廉等突出優點而成為氣體探測領域用量zui大、zui廣泛的品種。

2、化學類氣體傳感器

化學類氣體傳感器是一類可靠性不高的傳感器，但是因為它體積小巧、探測迅速、使用方便、價格低廉，因而它仍然得到了的應用。

常見的化學類氣體傳感器主要包括：半導體式氣體傳感器、接觸燃燒（催化燃燒）式氣體傳感器、電化學式氣體傳感器，式氣體傳感器等

1) 半導體式氣體傳感器

其敏感體主要是由半導體材料制成的，其中應用的半導體材料不是常見的硅、鍺半導體，而是金屬氧化物半導體，在氣體傳感器領域中應用zui多的金屬氧化物是SnO2，ZnO，Fe2O3，WO3等。

半導體式氣體傳感器的基本工作原理：就是在一定條件（溫度）下，在被測氣體到達半

• 導體表面并與吸附在半導體表面的氧發生化學反應的過程中伴隨電荷轉移，進一步引起半導體電阻的變化，通過測量半導體電阻的變化就可以實現對氣體的檢測。它的優點主要是在低濃度氣體中輸出變化大、靈敏度高，使用壽命長，選擇性相對比較好。
• 它缺點是線形度不好，所以只適合定性測量不適合定量測量。它在較高濃度下幾乎飽和，所以只能在濃度很底的情況下測量。另外他對毒性氣體的測量能力較差，所以現在的應用范圍基本局限在對可燃氣體的測量。

1. 接觸燃燒式（催化燃燒）氣體傳感器

主要是由接觸燃燒催化載體和感溫元件制成的。其基本工作原理為：在一定的條件下（溫度），被測可燃性氣體到達傳感器表面與吸附氧發生劇烈的燃燒反應，放出大量的熱，導致感溫線圈電阻發生變化，通過檢測感溫線圈電阻的變化實現對氣體的檢測，由于環境溫度的變化也會引起感溫線圈電阻的變化，因此，元件通常配對使用，其中一只為補償元件（白元件）對氣體無反應，另一只為檢測元件（黑元件）可與氣體發生反應，白元件用以抵消（補償）環境因素帶來的影響。

接觸燃燒氣體傳感器的性能：

1. 靈敏度：(Ve-V0)>12mv/25%LEL  指在可燃性氣體濃度為25%LEL時，惠斯通電橋的電壓輸出與其在空氣中輸出的差。接觸燃燒時氣體傳感器在靈敏度方面zui大的特點即：在爆炸下*同一只傳感器對所有的氣體具有相同的靈敏度

（2）響應、恢復時間  傳感器接觸被測氣體后電橋輸出變化達到穩定值所需要的時間即響應時間。接觸燃燒式氣體傳感器的響應時間一般會小于10s；傳感器脫離被測氣體后電橋輸出電壓值達到在空氣當中的穩定值所需要的時間即恢復時間。接觸燃燒式氣體傳感器的恢復時間一般小于30s。

（3）選擇性 與半導體氣體傳感器相同，在*未知的氣體環境中（即*不知道環境中有哪幾種氣體）接觸燃燒式傳感器不能告訴人們探測到的是什么氣體，即該類氣體傳感器不具有本質的選擇性；在已知的氣體環境里（即人們知道要探測環境里存在哪些氣體）可實現相對的選擇性探測。其相對選擇性要明顯好于半導體氣體傳感器。尤其是對水蒸汽、乙醇蒸汽、煙霧的抗干擾能力非常好。

（4）穩定性  環境溫度、濕度的變化會影響傳感器的熱平衡、另外干擾氣體的影響、傳感器載體材料、催化劑本身物理性質（顆粒）的變化等都會引起傳感器特性的變化。（10%以內）

（5）線性  100%LEL以下靈敏度與濃度呈線性關系，由于熱傳導和吸附效應，在濃度較高時曲線會出現向下彎曲現象。

（6）初始穩定特性  和半導體氣體傳感器一樣，催化燃燒時氣體傳感器在出廠之前要經過一定時間的老化以使其性能穩定。老化后的傳感器在經過一段時間的冷置存放后，使用時要經過1小時左右的預熱穩定時間。

（7）功耗  同半導體氣體傳感器一樣，接觸燃燒式氣體傳感器工作時需要消耗一定的能量以保持工作溫度。目前常見的接觸燃燒式氣體傳感器的功耗在250mw-450mw。

（8）壽命  由于工作溫度要高于半導體氣體傳感器，以及載體催化劑本身的缺陷，其使用壽命要比半導體的壽命要短（5年左右）。 

（9）適用領域  適用于工業、領域爆炸下限一下可燃氣體的定性、半定量、定量檢測。

• 它的優點是輸出與氣體濃度幾乎成正比，到100 % LEL時幾乎為線性 ，可做定量測量；精密度高，有*的再現性；并且其一般都有補償元件，所以受周圍的溫濕度影響較小。
• 它的缺點是抗震性不好；對毒性氣體反應較差，幾乎無法應用到毒性氣體的測量；選擇性也比較差。
  

1. 型氣體傳感器

基本原理：在一定的條件下，被測氣體到達半導體表面并與半導體表面的吸附氧以及半導體材料本身的晶格氧發生氧化還原反應，反應過程中的自由電荷濃度的變化，導致半導體電阻的變化，反應過程中釋放的熱量導致感溫元件電阻的變化，兩電阻是并聯的關系，通過測量二者的總變化就可以實現對氣體的檢測。為了減少環境因素的影響，它和催化元件一樣需要配對使用。

• 它的優點是在低濃度范圍輸出的變化大、靈敏度高；使用壽命長，長期穩定性、耐久性出色；對氣體有一定的選擇性。
• 它的缺點是抗震性不好；線形度也不理想。

4）電化學式氣體傳感器

zui常見的電化學氣體傳感器有兩種形式即：定電位電解式和伽伐尼電池式。

定電位電解式學氣體傳感的基本原理：在一定的條件下（給定電位下）被測氣體通過透氣膜到達傳感器工作電極的表面被氧化，產生電子轉移引起工作電極電位的變化，同時氧氣在對電極被還原，引起對電極電位的變化，通過檢測兩電極之間電流的變化可實現對氣體的檢測。工作時參比電極提供恒電位，以保持工作電極穩定工作

主要性能：

1. 靈敏度  定義為：傳感器在檢測回路中的給定條件下單位濃度的被測氣體所輸出的電流。 該類傳感器在低濃度毒性氣體探測領域具有良好的靈敏度。100nA/ppmCO
2. 響應、恢復特性  該類傳感器有較長的響應恢復時間 。一般情況下響應時間≤ 30秒，恢復時間≤90秒。 
3. 選擇性  通過電位選擇及采取其它措施，該類傳感器能夠實現一定的選擇性。
4. 穩定性 易受環境溫濕度的影響。
5. 線性   氣體濃度和輸出信號呈線性關系
6. 初始穩定特性  調試前須8小時左右的老化時間。
7. 壽命  與其它種類的氣體傳感器相比具有較短的壽命（1-2年）
8. 適用領域  適用于工業、領域的毒性氣體的定性、半定量、定量檢測。

伽伐尼電池式：一般用于O2的檢測，O2通過透氣膜到達電池正極被還原，負極Pb被氧化，引起兩電極的電位發生變化，通過測量兩電極之間電流的變化來實現對O2濃度的檢

主要性能：

1. 靈敏度  定義為：傳感器在檢測回路中的給定條件下單位濃度的被測氣體所輸出的電流。 該類傳感器對氧氣具有良好的靈敏度。≥100uA/21%氧氣（100Ω負載）
2. 響應恢復特性  該類傳感器又較長的響應恢復時間、恢復時間 。一般情況下響應時間≤  30秒，恢復時間≤ 90秒。 
3. 選擇性  通過氧電極材料、電解液的選擇及采取其它措施，該類傳感器能夠實現良好的選擇性。
4. 穩定性 易受環境溫濕度的影響。
5. 線性   氣體濃度和輸出信號呈線性關系
6. 初始穩定特性  調試前須至少8小時左右的老化時間。
7. 壽命 由于其本身是一個消耗性的電池 ，因此與其它種類的氣體傳感器相比具有更短的壽命（≤1年）
8. 適用領域  適用于工業、環保等領域氣體濃度的定性、半定量、定量檢測

• 它的優點是具有*的靈敏度；良好的線形度，不僅可定量測量并且在一定濃度內可做分析儀器使用；氣體選擇性極為出色，檢測毒性氣體；且其本身工作不消耗電能。
• 它的缺點是價格較為昂貴；宜受環境溫濕度的影響。

3、物理類的傳感器

3.1熱傳導型氣體傳感器

基本原理：不同的氣體在相同的條件下具有不同的熱傳導率，在一定的條件下，被測氣體濃度或組分的變化導致元件工作環境熱傳導率發生變化，從而引起元件表面溫度的變化，進一步導致感溫元件電阻變化，通過測量感溫電阻的變化實現對氣體濃度的檢測。工作時為了抵消環境溫度的變化，通常配對使用。

3.2紅外線氣體分析儀

基本原理：對2-10μm波長范圍的紅外光，不同異核氣體分子由于旋轉和振動對不同波長的紅外光有特異吸收，當紅外光透過被測氣體時，檢測紅外光譜的缺失及光強度的變化可以實現對氣體的檢測。

我公司儀器采用的是進口的傳感器，性能穩定。