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气体传感器的种类及其优缺点

关键词:气体传感器,红外传感器,传感器点击:
气体检测仪是一种气体泄露浓度检测的仪器仪表工具,主要是指便携式/手持式气体检测仪。主要利用气体传感器来检测环境中存在的气体种类,气体传感器是用来检测气体的成份和含量的传感器。

气体传感器是气体检测仪的重要组成部分,主要用于探测在一定的范围内,特定气体的成分和浓度,经常用于检测可燃气体,有毒气体,和氧气的消耗等。所以根据所测的气体不同,就会有不同种类的气体传感器,下面我根据检测原理来整理气体传感的分类
 
1.催化燃烧式气体传感器 
 
催化燃烧式气体传感器的主要特点是对所有可燃性气体都有反应,对环境湿度、温度的影响不敏感,近线性的输出信号,并且其成本低,结构简单。但精度低,电流功耗大,工作温度高,易中毒的不利影响等。

  这种传感器是在白金电阻的表面制备耐高温的催化剂层,在一定的温度下,可燃性气体在其表面催化燃烧,燃烧是白金电阻温度升高,电阻变化,变化值是可燃性气体浓度的函数。催化燃烧式气体传感器选择性地检测可燃性气体。
优点:催化燃烧式气体传感器计量准确,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。
 
2.红外式气体传感器
 
红外式气体传感器的工作原理是利用被测气体的红外吸收光谱特征或热效应而实现气体浓度测量的,常用的类型有DIR色散红外线式和 NDIR非色散红外线式,常用光谱范围1~25μm。
  大部分的气体在中红外区都有特征吸收峰,检测特征吸收峰位置的吸收情况,就可以确定某气体的浓度。
  这种传感器过去都是大型的分析仪器,但是近些年,随着以FTIR/MEMS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。
 
3. 电化学式气体传感器
 
电化学式气体传感器的特点是线性和重复性较好,体积小,功耗小,分辨率一般可以达到0.1ppm,寿命较长。不足是易受干扰,灵敏度受温度变化影响较大。原理是利用被检测气体的电化学活性,将其电化学还原或者氧化,以此来检测气体的浓度和成分。常见的电化学传感器类型分为原电池型、恒定电位电解池型等。目前,电化学传感器是检测有毒、有害气体最成熟和最常见的传感器。
 它相当一部分的可燃性的、有毒有害气体都有电化学活性,可以被电化学氧化或者还原。利用这些反应,可以分辨气体成份、检测气体浓度。电化学气体传感器分很多子类:
  (1)原电池型气体传感器(也称:加伏尼电池型气体传感器,也有称燃料电池型气体传感器,也有称自发电池型气体传感器),他们的原理行同我们用的干电池,只是,电池的碳锰电极被气体电极替代了。以氧气传感器为例,氧在阴极被还原,电子通过电流表流到阳极,在那里铅金属被氧化。电流的大小与氧气的浓度直接相关。这种传感器可以有效地检测氧气、二氧化硫、氯气等。
  (2)恒定电位电解池型气体传感器,这种传感器用于检测还原性气体非常有效,它的原理与原电池型传感器不一样,它的电化学反应是在电流强制下发生的,是一种真正的库仑分析的传感器。这种传感器已经成功地用于:一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气、肼、等气体的检测之中,是目前有毒有害气体检测的主流传感器。
  (3)浓差电池型气体传感器,具有电化学活性的气体在电化学电池的两侧,会自发形成浓差电动势,电动势的大小与气体的浓度有关,这种传感器的成功实例就是汽车用氧气传感器、固体电解质型二氧化碳传感器。
  (4)极限电流型气体传感器,有一种测量氧气浓度的传感器利用电化池中的极限电流与载流子浓度相关的原理制备氧(气)浓度传感器,用于汽车的氧气检测,和钢水中氧浓度检测。
 
4. 半导体式气体传感器 
  它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。比如,酒精传感器,就是利用二氧化锡在高温下遇到酒精气体时,电阻会急剧减小的原理制备的。
  半导体式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。尤其是,这种传感器成本低廉,适宜于民用气体检测的需求。
  缺点:稳定性较差,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。
半导体式气体传感器的优点具有反应速度快,结构简单、检测灵敏度高等。缺点是测量线性范围较小,受背景气体干扰较大,易受环境温度影响等,半导体式气体传感器是由金属半导体氧化物或者金属氧化物材料制成的检测元件,与气体相互作用时产生表面吸附和反应,引起载流子运动为特征的电导率或 伏安特性或表面电位变化而进行气体浓度测量的。

5.热导池式气体传感器
  每一种气体,都有自己特定的热导率,当两个和多个气体的热导率差别较大时,可以利用热导元件,分辨其中一个组分的含量。这种传感器已经传感器地用于氢气的检测、二氧化碳的检测、高浓度甲烷的检测。
  这种气体传感器可应用范围较窄,限制因素较多。
  这是一种老式产品,全世界各地都有制造商。产品质量全世界大同小异。
6、磁性氧气传感器
  这是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! 
  
7、其他
  近年来,随着新技术的不断涌现,气体传感器技术也在不断发生着相应的革命。气体传感器的种类也在随着增添新丁。但是,有些传感器是否应该列在气体传感器名下颇有争议,比如:激光原理,尽管也是用于气体的检测,尽管体积一样小巧,但是,由于不能真正实现免维护化,因此,这种装备,无论体积有多小,都应该列在“检测仪器”的名下。



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