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前言
气体传感器主要是用于探测某区域范围内是否有某种特定气体，或对气体浓度加以测量。在煤矿、石油等安全防护工作中，气体传感器一般用于可燃、有毒等各类气体的排放。在电力工业等领域，也常常会用到气体传感器，对烟气中各成分的浓度进行测量。在大气环境监测中，使用气体传感器对环境污染情况进行判断，更为普遍。
1 气体传感器分类
从检测气体的种类看，可以分为可燃气体传感器、有毒气体传感器、有害气体传感器等几种；从仪表使用方式看，可以分成便携、固定式两种；从获取气体样品方式看，可以分成扩散式和吸入式两种类型，其中，扩散式是指直接在被测环境中安装传感器，让被测气体直接和检测元件接触。吸入式是指借助吸气泵等方式，将待测气体引到传感器中，接受检测；依据被测气体是否稀释，又可分成完全吸入式、稀释式等；从气体组分看，可以分成单一式、复合式，其中，单一式，只能检测特定气体，而复合式，需要同时检测多种气体；根据传感器检测原理可以分成热学式、电化学式、光学式等几种[1]。
2 气体传感器工作原理分析
2.1 热学式气体传感器
该种传感器可以分成热导式、热化学式两类。热导式是通过气体的热导率，根据热敏元件电阻的变化情况来测量气体及其浓度，其在工业领域的应用已有很长一段历史，其仪表类型很多，可以分析出的气体类型也很多，如，二氧化碳、二氧化硫、氩气等等。热化学式是基于被测气化学反应的一种热效应，其在气体的氧化反应中应用的最为普遍，催化燃烧式气体传感器是最为典型的应用，其核心部件是涂有燃烧催化剂的通电桥，能够分析空气中的一氧化碳、氢气等气体[2]。
2.2 电化学式气体传感器
该种传感器主要是应用被测气体电化学活性特征，将电化学进行氧化，对气体成分进行分辨，对气体浓度加以检测。比较常见的电化学式气体传感器有原电池型、恒定电位电解池型等。从目前的情况看，该种传感器是进行有毒、有害气体检测最为有效的传感器。其特征是：体积小，能耗低、分辨率高，操作方便、使用寿命长，不易被干扰，灵敏度也很高。氧化锆氧量传感器是电化学式传感器应用用比较晚的一种类型，开始应用于上世纪60年代，其主要是依据浓差电池原理，通过对待分析气体的测量同参比气体因氧气浓度差异而出现的浓差电动势，对待测气体中含氧量进行测量。因其结构简单、可靠性高、稳定性强等优势，具有广阔的发展前景[3]。
2.3 磁学式气体分析传感器
在该种传感器中应用最普遍的就是用氧气的高磁化特性对氧气浓度进行测量，是一种效果很好的氧量测量仪器。磁学式气体分析传感器又可以分成热磁对流式氧量分析传感器与磁力机械式氧量分析传感器两种类型，而前者按照其构成形式的差异性，又可以分成测速与压力平衡热磁式两种。其在化肥生产、火电站燃烧系统等领域中各类废气、有毒气体的排放监测中应用的比较多[4]。
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2.4 光学式气体传感器
虽然，该项传感器技术的起步很晚，但是发展速度非常快，目前，在工业领域得到了广泛应用。工业中应用比较多的类型有红外线气体分析仪、紫外线分析仪、光电比色式分析仪、化学发光式分析仪及光散射式分析仪等。其中，红外线气体分析仪主要是应用了待测气体红外吸收光谱特点及热效应，对气体浓度进行测量。而红外线气体分析仪又可以分成DIR色散与NDIR非色散红外线式两种。紫外线分析仪有两种类型，即不分光紫外线与紫外荧光式分析仪。前者的工作原理和红外线吸收原理相似，都是基于待测气体对紫外线吸收层面，后者属于干法式分析仪的一种，其主要是基于二氧化硫分子在接受紫外线能量的条件下，变为激发态的二氧化硫分子，在回到稳定状态时，出现特征荧光，其出现的荧光强度和二氧化硫的浓度是正比例关系，即荧光越强，二氧化硫浓度越高。采用该种测量方式的优势在于，不会对样品造成破坏，还可以连续自动对大气中的二氧化硫分子进行测量。且测量的灵敏度、稳定性很高、寿命长。光电比色式分析仪主要是利用比尔定律，完成自动光电比色测量，其一般用于二氧化硫、一氧化氮等气体的测量。化学发光式分析仪主要是基于化学氧化反应下的光热产生原理进行测量工作，应用比较多的有臭氧分析仪、化学光式NOX分析仪两种[5]。光散射式分析仪是基于光束、气体中颗粒的反应而发生散射，对气体的浊度等进行测量，该种分析仪器环境排放监测中应用比较多。
2.5半导体式气体传感器
该种传感器的工作原理是，由金属半导体氧化物等材料制作的检测元件和气体发生反应，造成电位的变化，对气体浓度进行测量。按照其作用机理来划分，可以分成表面控制型、体积控制型几种。其中，表面电位型也就是表面电位的变化，导致电导率变化，进行气体浓度的测量，而体积控制型，也就是半导体和气体发生化学反应，使体积改变，引起电导率变化的原理。可以对可燃气体、有毒气体进行检测，结构简单、灵敏度高，实用性强。但也有其不足之处，测量线性范围小，极易受到环境的干扰等。
3 结语
总之，社会在不断地发展过程中，传感器技术也逐渐发展起来，出现了各种各样的传感器，不管是哪种气体传感器都有其自身的优势和不足，在实际应用的过程中，相关人员应该根据实际应用场景况选择适合的传感器，检测中空气中所含有的气体成分和浓度，并技术采用有效措施进行补救，减少安全事故的发生，保障广大人民群众的健康安全。
参考文献：
[1]陈长伦,等.电化学式气体传感器研究进展[J].传感器世界,2017,12(04):121-125.
[2]吴玉锋,等.气体传感器研究进展与发展方向[J].计算机测量与控制,2018，11(10):731-734.
[3]雷菊华,方志兵.气体传感器的分类与工作原理浅探[J].山东工业技术,2018,10(08):127-135.
[4]余稀 ,等.光学式气体传感器的种类及应用[J].电子元件与材料,2017,9(06):321-335.
[5]杨英 ,等.新型三维敏感气体传感器的结构设计与性能分析
[J]. 西南交通大学,2017,12(05):128-152.
论文作者:任春阳
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第9期
论文发表时间:2019/11/22
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