便攜式氣體測(cè)試儀的傳感器選擇研究

金鑫+陳存廣+王帥宇+李明輝

摘 要 簡(jiǎn)要介紹了基于一個(gè)便攜式氣體測(cè)試儀的6種不同傳感器技術(shù)、操作原理，探討了每類傳感器技術(shù)存在的問(wèn)題及傳感器今后發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 便攜式氣體測(cè)試儀；傳感器技術(shù)；操作原理

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）15-0017-02

近年來(lái)，手持便攜式氣體測(cè)試儀由于其重量輕，體積小，功耗低，便于攜帶，可隨時(shí)隨地對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。傳感器是便攜式氣體測(cè)試儀的核心部件，它的精度、可靠性、響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間、抗干擾能力等性能直接決定了氣體測(cè)試儀的使用范圍[1]。本文簡(jiǎn)要介紹了基于便攜式氣體測(cè)試儀的6種不同傳感器技術(shù)、操作原理以及其使用的局限性，并對(duì)每類傳感器技術(shù)存在的問(wèn)題及今后發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。

1 基于便攜式氣體測(cè)試儀的6種不同傳感器

通常情況下，一個(gè)便攜式氣體測(cè)試儀，制造商通常配置1～6個(gè)不同的傳感器。不同的傳感器由于操作原理不同，導(dǎo)致了其可以檢測(cè)的對(duì)象及適用的環(huán)境存在差距。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)檢測(cè)的環(huán)境，濃度，功耗、成本等具體要求進(jìn)行選擇。

1.1 光離子探測(cè)器

自20世紀(jì)60年代開(kāi)始，PID技術(shù)已經(jīng)被工業(yè)衛(wèi)生專家，安全和環(huán)保專業(yè)人士，以及其他領(lǐng)域的人士用來(lái)評(píng)估工作場(chǎng)所的氣體危害因素。PID技術(shù)是使用一種包含單一氣體元素的紫外燈，一旦有氣體存在，經(jīng)紫外光照射，氣體被電離，成為帶正電的離子，并在負(fù)電極檢測(cè)出電流，由于電流的大小與被檢測(cè)帶電粒子的濃度成正比，通過(guò)處理經(jīng)過(guò)電子電路的電流，就可以顯示氣體的濃度值[2]。然而，并不是所有的氣體都能被電離，每中氣體都有其自身的電離能，只有當(dāng)氣體的電離能小于燈發(fā)出的能量，化合物才能被電離，反之，則無(wú)法檢測(cè)。由于高電子勢(shì)能的紫外燈成本高且現(xiàn)場(chǎng)使用壽命短，大多數(shù)制造商通常使用9.6至10.6 電子伏特（ev）電離能的紫外燈，并沒(méi)有檢測(cè)紫外燈的能量是否大于被測(cè)試的氣體。而一氧化碳（14.1ev），氰化氫（13.91ev），二氯甲烷（11.35ev），二甲苯（11.4ev），乙烷（11.65ev）等電離能比較高的氣體，用一般低紫外燈根本檢測(cè)不到。傳感器的平均壽命為1-3年，更換成本為$ 200.00～$ 900.00。

1.2 固態(tài)金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）或者寬范圍的碳?xì)浠衔铮˙RH）

自20世紀(jì)60年代，MOS傳感器已被用來(lái)評(píng)估工作場(chǎng)所的氣體危害因素。它是由鐵﹑鋅和錫等金屬氧化物的混合物組成，一旦檢測(cè)氣體或者蒸氣分子進(jìn)入傳感器表面與其接觸，導(dǎo)電率迅速增長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)[3]。使用這種傳感器的儀器可以在高溫下操作，利用不同類型的MOS傳感器，探測(cè)器可以探測(cè)到濃度在PPM（萬(wàn)分之一）的各種各樣的氣體和蒸氣，甚至被用來(lái)探測(cè)氣體的可燃范圍。但是這種傳感器不具有對(duì)許多單一氣體或蒸汽的高度選擇性。傳感器的平均壽命是3-5年，更換成本在$100以下。

1.3 電化學(xué)傳感器（有毒氣體）

自1970年以來(lái)，電化學(xué)傳感器已被廣泛應(yīng)用于有限空間使用的便攜式氣體檢測(cè)儀器[4]。該傳感器利用電化學(xué)原理，在傳感器工作電極的表面發(fā)生氧化/還原反應(yīng)，產(chǎn)生的電流與被測(cè)氣體的濃度成正比，通過(guò)測(cè)量電流的大小來(lái)確定氣體的濃度。電化學(xué)傳感器可以用來(lái)檢測(cè)一氧化碳，硫化氫，二氧化硫，氨氣等30多種有毒氣體，廣泛應(yīng)用于測(cè)量范圍不廣的特定物質(zhì)。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是它能夠在低電量的情況下產(chǎn)生信號(hào)和相對(duì)較高的特異性信號(hào)，主要限制性是在有限空間中未知有毒氣體、可燃?xì)怏w的不可測(cè)量性及氣體的交叉干擾。傳感器的平均壽命是1-3年，更換成本在$145～$300。

1.4 催化燃燒，慧通斯電橋，Pellistor傳感器等

自1940年起，該傳感器就已經(jīng)廣泛應(yīng)用于礦山，工業(yè)領(lǐng)域。該傳感器包括了一對(duì)纏繞的鉑絲，其中一個(gè)鉑絲涂有一層催化劑，使氣體分子在傳感器表面燃燒，從而使傳感器的溫度升高。溫度傳感器溫度的變化使鉑絲“慧通斯”電橋抵抗不平衡，從而產(chǎn)生了一個(gè)與氣體或蒸汽濃度成比例的信號(hào)。這些傳感器最初是用來(lái)檢測(cè)100PPM～1000PPM范圍的可燃?xì)怏w和蒸汽，其特點(diǎn)是反應(yīng)非?？欤拗菩允菍?duì)于非甲烷易燃?xì)怏w需要一個(gè)“修正系數(shù)”，且使用5次修正系數(shù)后的實(shí)際氣體濃度是可燃?xì)怏w濃度的50%-70%[5]。一些腐蝕性氣體，能夠使傳感器催化劑的活性降低，從而使傳感器和待測(cè)氣體不發(fā)生反應(yīng)。傳感器的平均壽命是1-2年，更換成本在$175～$285。

1.5 電化學(xué)氧氣傳感器

自1970年初，分壓式氧氣傳感器應(yīng)用于大氣檢測(cè)。該傳感器受天氣情況和高度的影響很大[6]。市科技在20世紀(jì)70年代末引進(jìn)的“毛細(xì)管擴(kuò)散勢(shì)壘”氧氣傳感器，解決了壓力對(duì)傳感器的影響。優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有任何已知的交叉干擾影響，限制性是高濕度的空氣（100華氏度/99.9%RH）中，水蒸汽濃度的升高使得氧氣濃度降低，將導(dǎo)致氧氣濃度讀數(shù)只有19.5%的體積比。目前，氧氣傳感器的現(xiàn)場(chǎng)使用壽命長(zhǎng)達(dá)2年。

1.6 非色散紅外傳感器（NDIR）

1970年非色散紅外傳感器首次被認(rèn)可應(yīng)用在檢測(cè)某些車輛尾氣排放的裝置中，現(xiàn)已經(jīng)與許多小型化，低功耗的設(shè)備裝置技術(shù)一起應(yīng)用在手持便攜式氣體探測(cè)器上。該傳感器的原理是當(dāng)一束某種波長(zhǎng)的紅外光束與氣體分子鍵發(fā)生共鳴時(shí)，紅外光能量被分子吸收，少量光線穿過(guò)待測(cè)氣體到達(dá)探測(cè)元件[7]。這些能量的損失轉(zhuǎn)化為板上電子數(shù)的變化進(jìn)而顯示出氣體的濃度。NDIR基本探測(cè)能可靠探測(cè)幾百PPM的二氧化碳且能探測(cè)多數(shù)濃度在最低爆炸范圍以下的碳?xì)浠衔?。由于NDIR技術(shù)探測(cè)甲烷氣體不像接觸反應(yīng)燃燒探測(cè)器那樣需要氧氣，所以探測(cè)裝置已被用于垃圾填埋場(chǎng)的氣體分析儀器[8]。然而，氣體的種類必須是指定的，必須選取適當(dāng)?shù)募t外線頻率方可探測(cè)氣體或蒸發(fā)態(tài)分子。另外，甲烷NDIR探測(cè)器對(duì)碳原子數(shù)為1到3的碳?xì)浠衔镉辛己玫捻憫?yīng)，但是對(duì)二氧化碳和氫并無(wú)響應(yīng)。當(dāng)使用這種探測(cè)器時(shí)發(fā)生電源泄露是很重大的。該傳感器的使用壽命比電化學(xué)傳感器要長(zhǎng)得多，價(jià)格比較貴。endprint

2 結(jié)論

綜上所述的多種傳感器技術(shù)中，只有NDIR，氧氣，電化學(xué)毒氣傳感器對(duì)特定的氣體有特定的反應(yīng)。PID、MOS和熱線/接觸反應(yīng)原件是非特異性的，因此對(duì)許多其他化合物有靈敏反應(yīng)。目前，新型生物傳感器和化學(xué)傳感器的研究和開(kāi)發(fā)已成為重點(diǎn)和熱點(diǎn)。隨著納米技術(shù)、智能材料、光導(dǎo)、光纖、超導(dǎo)等新技術(shù)的應(yīng)用和集成微光、機(jī)、電系統(tǒng)技術(shù)的迅速發(fā)展，傳感器功能將得到進(jìn)一步增強(qiáng)和完善，性能進(jìn)一步提高，更加靈敏、可靠。

目前，常見(jiàn)的手持便攜式氣體測(cè)試儀分為單氣體和多氣體，多氣體又分為雙氣體，四氣體和6氣體。其中單氣體測(cè)試儀可以配置上述傳感器的任何一種。多氣體測(cè)試儀在配置傳感器時(shí)受到一定的局限性，需要考慮傳感器的兼容性，避免因傳感器的交叉干擾影響測(cè)試儀的使用效果。一般情況下，多氣體測(cè)試儀不配置測(cè)量目標(biāo)氣體性質(zhì)相近的傳感器，例如，不能配置一個(gè)測(cè)量甲烷泄露的MOS傳感器和一個(gè)測(cè)量氫氣的催化燃燒傳感器。另外，便攜式多氣體測(cè)試儀采用電池供電，配置傳感器時(shí)必須考慮傳感器的功耗，目前技術(shù)下除電化學(xué)傳感器功耗比較小外，其他類型傳感器功耗相對(duì)較大，因此，一個(gè)便攜式多氣體測(cè)試儀上配置兩個(gè)以下高功耗傳感器。隨著傳感器技術(shù)的進(jìn)步，特別是MEMS技術(shù)出現(xiàn)以后，使得傳感器功耗會(huì)越來(lái)越低，選擇性會(huì)越來(lái)越好，配置傳感器時(shí)的局限性也會(huì)越來(lái)越低。便攜式氣體測(cè)試儀的性能也會(huì)越來(lái)越好，可以廣泛應(yīng)用到更多

領(lǐng)域。

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