1、传感器的基本概念

 在实际应用中zui先被大规模应用的气体传感器是半导体传感器，其次是催化燃烧传感器和电化学传感器。20世纪初*只半导体传感器诞生于英国，并一直在欧洲发展和应用，直到20世纪50年代半导体气体传感技术才流传到日本，并有日本人把这项技术推进到了。而欧洲人在发现了半导体传感器的种种不足后开始研究催化传感器和电化学传感器。气体传感器的理论直到70年代才传入到我们国家，80年代我国才开始研制气体传感器，整个生产技术主要继承于德国 。

1. 什么是传感器？

能够采集信息并把采集到的信息转化为人们更易识别的信号（如电信号、声信号、光信号、数字信号等）,凡是具有这种功能的部件或装置，统称为传感器。

1. 什么是气体传感器？

能够采集气体的某些信息（如：浓度、种类）并把采集到的信息转化为人们更易识别的信号（如电信号、声信号、光信号、数字信号等）,凡是具有这种功能的部件或装置，就是气体传感器。

1. 气体传感器的分类

气体传感器大致可以分为两大类即：物理类气体传感器和化学类气体传感器。

所谓的物理类气体传感器就是在传感器的工作过程中利用气体的物理性质，没有化学反应发生的气体传感器；反之则称为化学类的气体传感器。

化学类的气体传感器虽然可靠性稍差，但由于它具有体积小巧、使用方便、探测迅速灵敏、价格低廉等突出优点而成为气体探测领域用量zui大、zui广泛的品种。

2、化学类气体传感器

化学类气体传感器是一类可靠性不高的传感器，但是因为它体积小巧、探测迅速、使用方便、价格低廉，因而它仍然得到了的应用。

常见的化学类气体传感器主要包括：半导体式气体传感器、接触燃烧（催化燃烧）式气体传感器、电化学式气体传感器，式气体传感器等

1) 半导体式气体传感器

其敏感体主要是由半导体材料制成的，其中应用的半导体材料不是常见的硅、锗半导体，而是金属氧化物半导体，在气体传感器领域中应用zui多的金属氧化物是SnO2，ZnO，Fe2O3，WO3等。

半导体式气体传感器的基本工作原理：就是在一定条件（温度）下，在被测气体到达半

• 导体表面并与吸附在半导体表面的氧发生化学反应的过程中伴随电荷转移，进一步引起半导体电阻的变化，通过测量半导体电阻的变化就可以实现对气体的检测。它的优点主要是在低浓度气体中输出变化大、灵敏度高，使用寿命长，选择性相对比较好。
• 它缺点是线形度不好，所以只适合定性测量不适合定量测量。它在较高浓度下几乎饱和，所以只能在浓度很底的情况下测量。另外他对毒性气体的测量能力较差，所以现在的应用范围基本局限在对可燃气体的测量。

1. 接触燃烧式（催化燃烧）气体传感器

主要是由接触燃烧催化载体和感温元件制成的。其基本工作原理为：在一定的条件下（温度），被测可燃性气体到达传感器表面与吸附氧发生剧烈的燃烧反应，放出大量的热，导致感温线圈电阻发生变化，通过检测感温线圈电阻的变化实现对气体的检测，由于环境温度的变化也会引起感温线圈电阻的变化，因此，元件通常配对使用，其中一只为补偿元件（白元件）对气体无反应，另一只为检测元件（黑元件）可与气体发生反应，白元件用以抵消（补偿）环境因素带来的影响。

接触燃烧气体传感器的性能：

1. 灵敏度：(Ve-V0)>12mv/25%LEL  指在可燃性气体浓度为25%LEL时，惠斯通电桥的电压输出与其在空气中输出的差。接触燃烧时气体传感器在灵敏度方面zui大的特点即：在爆炸下*同一只传感器对所有的气体具有相同的灵敏度

（2）响应、恢复时间  传感器接触被测气体后电桥输出变化达到稳定值所需要的时间即响应时间。接触燃烧式气体传感器的响应时间一般会小于10s；传感器脱离被测气体后电桥输出电压值达到在空气当中的稳定值所需要的时间即恢复时间。接触燃烧式气体传感器的恢复时间一般小于30s。

（3）选择性 与半导体气体传感器相同，在*未知的气体环境中（即*不知道环境中有哪几种气体）接触燃烧式传感器不能告诉人们探测到的是什么气体，即该类气体传感器不具有本质的选择性；在已知的气体环境里（即人们知道要探测环境里存在哪些气体）可实现相对的选择性探测。其相对选择性要明显好于半导体气体传感器。尤其是对水蒸汽、乙醇蒸汽、烟雾的抗干扰能力非常好。

（4）稳定性  环境温度、湿度的变化会影响传感器的热平衡、另外干扰气体的影响、传感器载体材料、催化剂本身物理性质（颗粒）的变化等都会引起传感器特性的变化。（10%以内）

（5）线性  100%LEL以下灵敏度与浓度呈线性关系，由于热传导和吸附效应，在浓度较高时曲线会出现向下弯曲现象。

（6）初始稳定特性  和半导体气体传感器一样，催化燃烧时气体传感器在出厂之前要经过一定时间的老化以使其性能稳定。老化后的传感器在经过一段时间的冷置存放后，使用时要经过1小时左右的预热稳定时间。

（7）功耗  同半导体气体传感器一样，接触燃烧式气体传感器工作时需要消耗一定的能量以保持工作温度。目前常见的接触燃烧式气体传感器的功耗在250mw-450mw。

（8）寿命  由于工作温度要高于半导体气体传感器，以及载体催化剂本身的缺陷，其使用寿命要比半导体的寿命要短（5年左右）。 

（9）适用领域  适用于工业、领域爆炸下限一下可燃气体的定性、半定量、定量检测。

• 它的优点是输出与气体浓度几乎成正比，到100 % LEL时几乎为线性 ，可做定量测量；精密度高，有*的再现性；并且其一般都有补偿元件，所以受周围的温湿度影响较小。
• 它的缺点是抗震性不好；对毒性气体反应较差，几乎无法应用到毒性气体的测量；选择性也比较差。
  

1. 型气体传感器

基本原理：在一定的条件下，被测气体到达半导体表面并与半导体表面的吸附氧以及半导体材料本身的晶格氧发生氧化还原反应，反应过程中的自由电荷浓度的变化，导致半导体电阻的变化，反应过程中释放的热量导致感温元件电阻的变化，两电阻是并联的关系，通过测量二者的总变化就可以实现对气体的检测。为了减少环境因素的影响，它和催化元件一样需要配对使用。

• 它的优点是在低浓度范围输出的变化大、灵敏度高；使用寿命长，长期稳定性、耐久性出色；对气体有一定的选择性。
• 它的缺点是抗震性不好；线形度也不理想。

4）电化学式气体传感器

zui常见的电化学气体传感器有两种形式即：定电位电解式和伽伐尼电池式。

定电位电解式学气体传感的基本原理：在一定的条件下（给定电位下）被测气体通过透气膜到达传感器工作电极的表面被氧化，产生电子转移引起工作电极电位的变化，同时氧气在对电极被还原，引起对电极电位的变化，通过检测两电极之间电流的变化可实现对气体的检测。工作时参比电极提供恒电位，以保持工作电极稳定工作

主要性能：

1. 灵敏度  定义为：传感器在检测回路中的给定条件下单位浓度的被测气体所输出的电流。 该类传感器在低浓度毒性气体探测领域具有良好的灵敏度。100nA/ppmCO
2. 响应、恢复特性  该类传感器有较长的响应恢复时间 。一般情况下响应时间≤ 30秒，恢复时间≤90秒。 
3. 选择性  通过电位选择及采取其它措施，该类传感器能够实现一定的选择性。
4. 稳定性 易受环境温湿度的影响。
5. 线性   气体浓度和输出信号呈线性关系
6. 初始稳定特性  调试前须8小时左右的老化时间。
7. 寿命  与其它种类的气体传感器相比具有较短的寿命（1-2年）
8. 适用领域  适用于工业、领域的毒性气体的定性、半定量、定量检测。

伽伐尼电池式：一般用于O2的检测，O2通过透气膜到达电池正极被还原，负极Pb被氧化，引起两电极的电位发生变化，通过测量两电极之间电流的变化来实现对O2浓度的检

主要性能：

1. 灵敏度  定义为：传感器在检测回路中的给定条件下单位浓度的被测气体所输出的电流。 该类传感器对氧气具有良好的灵敏度。≥100uA/21%氧气（100Ω负载）
2. 响应恢复特性  该类传感器又较长的响应恢复时间、恢复时间 。一般情况下响应时间≤  30秒，恢复时间≤ 90秒。 
3. 选择性  通过氧电极材料、电解液的选择及采取其它措施，该类传感器能够实现良好的选择性。
4. 稳定性 易受环境温湿度的影响。
5. 线性   气体浓度和输出信号呈线性关系
6. 初始稳定特性  调试前须至少8小时左右的老化时间。
7. 寿命 由于其本身是一个消耗性的电池 ，因此与其它种类的气体传感器相比具有更短的寿命（≤1年）
8. 适用领域  适用于工业、环保等领域气体浓度的定性、半定量、定量检测

• 它的优点是具有*的灵敏度；良好的线形度，不仅可定量测量并且在一定浓度内可做分析仪器使用；气体选择性极为出色，检测毒性气体；且其本身工作不消耗电能。
• 它的缺点是价格较为昂贵；宜受环境温湿度的影响。

3、物理类的传感器

3.1热传导型气体传感器

基本原理：不同的气体在相同的条件下具有不同的热传导率，在一定的条件下，被测气体浓度或组分的变化导致元件工作环境热传导率发生变化，从而引起元件表面温度的变化，进一步导致感温元件电阻变化，通过测量感温电阻的变化实现对气体浓度的检测。工作时为了抵消环境温度的变化，通常配对使用。

3.2红外线气体分析仪

基本原理：对2-10μm波长范围的红外光，不同异核气体分子由于旋转和振动对不同波长的红外光有特异吸收，当红外光透过被测气体时，检测红外光谱的缺失及光强度的变化可以实现对气体的检测。

我公司仪器采用的是进口的传感器，性能稳定。