簡(jiǎn)述氣體傳感器在監(jiān)測(cè)石化區(qū)空氣污染中的應(yīng)用

黎 冰

（惠州大亞灣經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，廣東 惠州 516086）

引言

研發(fā)氣體傳感器的目的是監(jiān)測(cè)大氣中是否含有有害物質(zhì)，在經(jīng)濟(jì)水平持續(xù)提高的背景下，人們對(duì)生存環(huán)境和居住環(huán)境的空氣質(zhì)量提出了更高的要求，這使得空氣污染物監(jiān)測(cè)設(shè)備必須更加精準(zhǔn)且高效。

1 氣體傳感器的作用和意義

近年來(lái)，我國(guó)工業(yè)發(fā)展速度不斷加快，國(guó)內(nèi)大氣環(huán)境受到了嚴(yán)重污染，空氣質(zhì)量大大降低，特別是在人口集聚的地區(qū)，居民對(duì)空氣質(zhì)量提出了更加嚴(yán)格的要求，期望可以隨時(shí)了解周圍的空氣質(zhì)量狀況。因此，將氣體傳感器應(yīng)用于對(duì)空氣污染物的監(jiān)測(cè)是非常必要的。氣體傳感器能夠把周圍空氣中含有的有害物質(zhì)與其數(shù)量以數(shù)字形式清楚地顯示出來(lái)。如果氣體傳感器能夠逐漸輕便化，如把氣體傳感器植入手機(jī)里，那么人們就能隨時(shí)了解自身周圍的空氣質(zhì)量狀況。

2 氣體傳感器的特點(diǎn)

2.1 穩(wěn)定性

氣體傳感器是一種化學(xué)傳感器，基于本質(zhì)而言，氣體傳感器是指把某類氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換為響應(yīng)電信號(hào)的一類轉(zhuǎn)換器。探測(cè)頭利用氣體傳感器，圍繞氣體樣品展開處理，一般涵蓋了濾除雜質(zhì)與干擾氣體、干燥或制冷處理、樣品抽吸等多個(gè)步驟，從而為化學(xué)傳感器的檢測(cè)帶來(lái)方便。

大氣傳感器具有穩(wěn)定性這一特點(diǎn)，重點(diǎn)體現(xiàn)在傳感器在運(yùn)行期間幾乎都會(huì)保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)，而傳感器的穩(wěn)定性直接受到其自身的零點(diǎn)漂移與區(qū)間漂移的影響。零點(diǎn)漂移主要是指在無(wú)目標(biāo)這一情況下，測(cè)試過程中氣體傳感器的輸出影響變化；區(qū)間漂移是指氣體傳感器在連續(xù)出現(xiàn)目標(biāo)氣體中輸出信號(hào)降低。當(dāng)傳感器不間斷運(yùn)行時(shí)，零點(diǎn)漂移的穩(wěn)定性通常不超過9%，比如在試驗(yàn)中，讓氣體傳感器處于有害氣體濃度為0.4%～0.7%的環(huán)境中，保證其不間斷運(yùn)行12小時(shí)，接著依次測(cè)量氣體零點(diǎn)顯示值，放在空氣中大概十小時(shí)，再測(cè)定有害氣體的零點(diǎn)顯示值，這樣就能夠測(cè)定其穩(wěn)定性狀況。

2.2 選擇特性

選擇性也叫交叉靈敏度，氣體傳感器的選擇性強(qiáng)弱一般可以通過對(duì)某種濃度干擾氣體形成的傳感器反應(yīng)來(lái)確定。在對(duì)不同氣體進(jìn)行追蹤監(jiān)測(cè)的過程中，這一特性極其重要，由于選擇特性會(huì)使檢測(cè)的重復(fù)性與可靠性在一定程度上下降，所以，理想狀態(tài)的傳感器在選擇性與靈敏性方面必須要非常優(yōu)異。

丁烷是利用頻率較高的一種液體燃料，如果其被不合理利用，則容易引起難以想象的事故。將Si、Au添加到SnO2氣敏 材料里，能夠獲取選擇性較好的丁烷元件。依照有關(guān)實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)加熱功率處于0.5瓦的條件下，該元件對(duì)丁烷未體現(xiàn)出一定的選擇性；但在0.6瓦與0.8瓦的條件下，則表現(xiàn)出較為不錯(cuò)的選擇性，此時(shí)，無(wú)論是CO，還是SO2等氣體均未給檢測(cè)工作帶來(lái)任何影響。

2.3 抗腐蝕性

氣體傳感器具有抗腐蝕性的特點(diǎn)，但傳感器的監(jiān)測(cè)探頭會(huì)因有害氣體而遭到腐蝕，因此，氣體傳感器在遇到這種情況時(shí)，必須保證自身監(jiān)測(cè)誤差最小化。如果有很多氣體泄漏出來(lái)，傳感器探頭能夠承受的氣體體積分?jǐn)?shù)在10～20倍之間，這就要求在正常運(yùn)行條件下，傳感器的漂移校正值應(yīng)當(dāng)盡量降低。傳統(tǒng)傳感器的制造材料主要包括三種，即SnO、SnO2、Fe2O3，以這些材料制造而成的器材往往不具有較好的抗腐蝕性，但很多新材料陸續(xù)涌現(xiàn)，如復(fù)合金屬等，這些材料具有較為優(yōu)異的抗腐蝕性。

3 氣體傳感器的分類

氣體傳感器依照各項(xiàng)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)能夠劃分為多個(gè)類型，依照被測(cè)氣體的類型，可以劃分為可燃?xì)怏w傳感器、有毒氣體傳感器以及有害氣體傳感器等；依照氣體傳感器的儀表運(yùn)用方法，可以劃分為兩大類，即便攜式傳感器和固定式傳感器；此外，依照氣體樣品的采集手段，可劃分為擴(kuò)散式傳感器和吸入式傳感器。同時(shí)，還可以根據(jù)傳感器的檢測(cè)原理來(lái)展開具體的分類，如熱學(xué)式傳感器、電化學(xué)式傳感器、半導(dǎo)體氣體傳感器等。

目前，使用頻率較高的傳感器有兩種，一種是熱學(xué)式傳感器，另一種是半導(dǎo)體式氣體傳感器，其中后者通常被應(yīng)用于濃度較大的可燃性氣體或PPM等級(jí)較大的有毒有害氣體的檢測(cè)過程中。這種傳感器具有靈敏度強(qiáng)、反應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，也存在一些不足之處，如可測(cè)范圍不大、極易遭到環(huán)境因素干擾等。目前，在化工區(qū)的污染氣體檢測(cè)中常用的傳感器主要是電化學(xué)式傳感器，這種傳感器極易受到影響，尤其是氣溫的改變會(huì)給其檢測(cè)精度帶來(lái)較為明顯的影響，但因?yàn)檫@種傳感器本身較為靈敏且穩(wěn)定，故而在硫酸、鍋爐燃燒等氣體的檢測(cè)過程中得到了大量運(yùn)用[1]。

4 氣體傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成及采樣方式

4.1 氣體傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的概念是隨著傳感器技術(shù)不斷發(fā)展而形成的，檢測(cè)系統(tǒng)就是傳感器和檢測(cè)儀表、轉(zhuǎn)換裝置等部分的有機(jī)結(jié)合。在實(shí)際中，必須把傳感器和多部檢測(cè)儀表相互組合在一起，形成整體，這樣才可以保證信號(hào)檢測(cè)的順利實(shí)施。在空氣污染檢測(cè)系統(tǒng)中，氣體傳感器的運(yùn)用主要是對(duì)目標(biāo)區(qū)域中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集獲取，并利用串口完成通訊，而后再傳輸至單片機(jī)中展開信號(hào)處理。檢測(cè)系統(tǒng)一般包括多個(gè)部分，如模與數(shù)的轉(zhuǎn)換、通信模塊以及報(bào)警模塊等，在多種模塊中，通信模塊與報(bào)警模塊都屬于非常關(guān)鍵的功能模塊，是系統(tǒng)不可或缺的關(guān)鍵構(gòu)成部分[2]。

4.2 氣體采樣方式

氣體檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵是氣體傳感器，通常情況下，傳感器設(shè)置在探頭中?；诒举|(zhì)而言，氣體傳感器是指將某類污染氣體的體積數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的設(shè)備，探測(cè)頭能夠依靠氣體傳感器，圍繞氣體樣品展開調(diào)整與處理，通常包括干擾氣體與濾除雜質(zhì)、樣品抽吸等多個(gè)過程，從而大大提升傳感器的檢測(cè)效率。

采集氣體的方式會(huì)對(duì)氣體傳感器的響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)帶來(lái)較大影響。目前，采集氣體的方式主要有兩種，一種是擴(kuò)散法，另一種是吸入法。氣體本身存在往周圍擴(kuò)散的性質(zhì)，而擴(kuò)散法便充分運(yùn)用該性質(zhì)，當(dāng)目標(biāo)氣體經(jīng)過探頭中的傳感器時(shí)，會(huì)生成一種與氣體體積分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)的信號(hào)。因?yàn)檎麄€(gè)擴(kuò)散速度會(huì)不斷緩慢下來(lái)，所以擴(kuò)散法便必須把探頭位置與檢測(cè)點(diǎn)相互間的距離盡量縮短。擴(kuò)散法的優(yōu)點(diǎn)是可以將氣體樣品直接放進(jìn)傳感器內(nèi)而不必進(jìn)行物化的變換。

吸入式的探頭在正常情況下應(yīng)當(dāng)安裝設(shè)置在排氣管道或與采樣位置靠近的儀器上。該方法可以為傳感器提供合理的速度，使氣流獲得平穩(wěn)把控，所以在氣流的速率與數(shù)量改變的情況下，該方法是特別適用的。將檢測(cè)點(diǎn)氣體的樣品放進(jìn)探頭中，而這個(gè)過程通常存在一定的距離，距離大小是根據(jù)傳感器確定的，如果采樣線太長(zhǎng)則會(huì)使檢測(cè)滯后的時(shí)長(zhǎng)增加。對(duì)于某類目標(biāo)氣體而言，大部分的氣體與生物溶劑等的樣本量可能會(huì)由于吸附性的存在而凝結(jié)于采樣管壁上，進(jìn)而導(dǎo)致樣本量不足。由于鍋爐排放到外面的煙氣里含有很多有毒有害氣體，所以適合采取擴(kuò)散法來(lái)展開樣本采集，而對(duì)于二氧化硫這類氣體的采集，更加適合采取的方法顯然是吸入式采樣法。

5 氣體傳感器的主要類型及其應(yīng)用

以檢測(cè)氣體的類型來(lái)劃分，可將氣體傳感器劃分為可燃?xì)怏w傳感器和有毒氣體傳感器。其中，在可燃?xì)怏w傳感器中，使用頻率較大的有熱導(dǎo)、紅外、半導(dǎo)體式及催化燃燒式；而在有毒氣體傳感器中，常用的有金屬半導(dǎo)體、火焰離子化式及電化學(xué)傳感器等。

5.1 半導(dǎo)體傳感器

半導(dǎo)體傳感器主要組成材料為金屬半導(dǎo)體氧化物，它利用與目標(biāo)氣體相互作用時(shí)，表面產(chǎn)生的吸附作用或反應(yīng)作用，引起伏安特性、表面電位或電導(dǎo)率的變化。其不僅能夠用于測(cè)定可燃性氣體，也能用于有毒有害氣體的測(cè)量。比如二氧化硅材料制作的半導(dǎo)體傳感器，在正常大氣環(huán)境下，其電導(dǎo)率特別小，但遇到還原性氣體，則會(huì)使電導(dǎo)率明顯上升。

半導(dǎo)體傳感器也有一定缺點(diǎn)，如解釋讀數(shù)難度較大等，這是由于濕度會(huì)給其帶來(lái)較為明顯的干擾。隨著濕度提高，傳感器的輸出及電導(dǎo)率都會(huì)相應(yīng)提升；濕度下降，則其輸出與電導(dǎo)率會(huì)相應(yīng)下降。濕度非常低的極端環(huán)境條件，可能會(huì)導(dǎo)致傳感器無(wú)法正常發(fā)揮響應(yīng)功能。

5.2 電化學(xué)傳感器

一般來(lái)說(shuō)，電化學(xué)傳感器主要由以下部分構(gòu)成：能滲入氣體卻無(wú)法滲入液體的隔膜、工作電極、酸性電解液槽、參比電極等。大多數(shù)情況下，有害氣體的檢測(cè)均存在一定的電化學(xué)特性，可以在電化學(xué)的作用下引起還原或氧化反應(yīng)。依照相關(guān)反應(yīng)，工作人員可以對(duì)氣體的組成進(jìn)行判斷，并測(cè)定氣體的濃度?？傊?，電化學(xué)傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

5.3 催化燃燒傳感器

在可燃?xì)怏w的檢測(cè)過程中，往往會(huì)使用催化燃燒傳感器，它就像是一個(gè)比較小的熱量計(jì)。該傳感器的核心構(gòu)件是帶有催化劑的惠斯通電橋。在催化劑的作用下，目標(biāo)氣體無(wú)焰燃燒，所生成的溫度高低和目標(biāo)氣體濃度之間呈現(xiàn)正比相關(guān)性，溫度會(huì)給電橋里的溫感電阻大小帶來(lái)影響，接著圍繞惠斯通電橋的測(cè)量橋與參比橋展開具體的檢測(cè)，便能夠獲取目標(biāo)氣體的濃度大小。

氣體傳感器在含硫氧化物等有害氣體的監(jiān)測(cè)中起到了不可忽視的作用。目前，鍋爐排氣筒廢氣檢測(cè)所采取的便是該類電傳感器，其測(cè)量速度最大為15 mg/m3，完全符合國(guó)內(nèi)二氧化硫的排放規(guī)定。而含硫的氧化物會(huì)導(dǎo)致酸雨的出現(xiàn)，不過含硫氧化物在空氣中的濃度往往相對(duì)較低，因而必須要使用靈敏性更為優(yōu)異的氣體傳感器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。例如，針對(duì)有毒有害氣體的檢測(cè)傳感器采用表面聲波設(shè)備，可以明顯加強(qiáng)檢測(cè)的靈敏性，不過這種方式會(huì)進(jìn)一步增加檢測(cè)工作的成本；而將納米顆粒技術(shù)融合到氣體傳感器中，能夠有效擴(kuò)大反應(yīng)面積，進(jìn)而明顯加快檢測(cè)效率。相較于普通的傳感器，這種傳感器在運(yùn)行期間的溫度會(huì)明顯降低，有利于防止能源的不必要損耗[3]。

6 氣體傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

大氣環(huán)境中的有毒物質(zhì)，不僅在工業(yè)原料中存在，在工業(yè)制造的每個(gè)流程中也存在，如果有害氣體擴(kuò)散到人們的居住區(qū)域，會(huì)給周圍民眾的健康帶來(lái)難以想象的危害。因此，在石油化工廠生產(chǎn)制造的整個(gè)過程中，相關(guān)單位均應(yīng)重視采用氣體傳感器來(lái)對(duì)周圍氣體展開實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

6.1 氣敏材料的優(yōu)化改進(jìn)

氣敏材料的研究進(jìn)展明顯推動(dòng)了氣體傳感器的發(fā)展，換言之，氣敏材料的研究成果是支撐起氣體傳感器技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新的重要基礎(chǔ)。近幾年來(lái)，有關(guān)氣敏材料的研究越來(lái)越豐富，其中關(guān)于半導(dǎo)體、高分子材料的研究尤為豐富，且收獲了很大成果。對(duì)半導(dǎo)體氣敏元件的探究及其核心技術(shù)指標(biāo)的改進(jìn)，一般通過融合可優(yōu)化氣體傳感器靈敏度與響應(yīng)時(shí)間參數(shù)來(lái)達(dá)成。工藝水平的優(yōu)化也給氣體傳感器多項(xiàng)性能指標(biāo)的改進(jìn)帶來(lái)了可能。目前，引入了催化技術(shù)的CH4傳感器、半導(dǎo)體PN型氣體傳感器，明顯優(yōu)化了傳感器技術(shù)的所有指標(biāo)?，F(xiàn)在來(lái)看，壓電晶體、光纖材料在氣體傳感器的生產(chǎn)制造中已得到了廣泛運(yùn)用。

6.2 氣體傳感器結(jié)構(gòu)智能化

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，氣體傳感器的結(jié)構(gòu)也逐步趨向于多元件、多功能化，如多種傳感器和信號(hào)采集、處理電路的有效組合，使其能夠通過小體積芯片完成封裝。另外，在計(jì)算機(jī)技術(shù)水平不斷提升的背景下，智能氣體傳感器也具有很多新的功能，如分辨氣體類型、濃度等功能。

機(jī)器嗅覺技術(shù)在氣體傳感器中也得到了有效運(yùn)用，機(jī)器嗅覺是依靠不同氣體測(cè)量單元的相互組合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可以針對(duì)氣體成分進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定。機(jī)器嗅覺技術(shù)誕生于20世紀(jì)60年代，而在80年代，美國(guó)首次把不同氣體傳感器構(gòu)合在一起，組成一個(gè)陣列，有效檢測(cè)出了氣體的類型與成分，自此機(jī)器嗅覺技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展階段，不少綜合性氣體傳感器在越來(lái)越多的領(lǐng)域中得到了有效運(yùn)用。

截止目前，美、德等發(fā)達(dá)國(guó)家均自主研究、開發(fā)出機(jī)器嗅覺產(chǎn)品，美國(guó)IST公司研發(fā)的多參數(shù)氣體檢測(cè)裝置，目前已實(shí)現(xiàn)只依靠一部設(shè)備測(cè)量出大約100種氣體組分。根據(jù)相關(guān)資料，國(guó)內(nèi)的機(jī)器嗅覺技術(shù)還在試驗(yàn)發(fā)展階段。

6.3 新型傳感器工藝

近年來(lái)，在微電子、微機(jī)械的迅猛發(fā)展過程中，MEMS技術(shù)獲得了不少研究成果，而關(guān)于新型微結(jié)構(gòu)氣體傳感器的探究還較為淺顯，研究人員目前著重圍繞硅基微結(jié)構(gòu)氣體傳感器進(jìn)行探究。

硅基微結(jié)構(gòu)氣體傳感器的襯底由硅材料制作而成，而敏感層則采用非硅材料制成，主要包括金屬氧化物半導(dǎo)體等。MEMS技術(shù)主要是把傳感器和集成電路相互組合在一起，使其變得更加輕便，并提升其檢測(cè)精度、降低功耗量。特別是生產(chǎn)制造能夠徹底自動(dòng)化，明顯加快生產(chǎn)速度，有效減少生產(chǎn)成本。MEMS是傳感器工藝技術(shù)今后發(fā)展的一個(gè)重要方向，大部分傳感器均可以依靠MEMS技術(shù)制成，而近年來(lái)納米技術(shù)的迅速發(fā)展也為氣體傳感器的優(yōu)化與創(chuàng)新帶來(lái)有力的技術(shù)支撐，為氣體傳感器的發(fā)展創(chuàng)設(shè)了更大的空間[4]。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上，氣體傳感器在氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中占據(jù)著重要位置，是不可或缺的重要組成部分，基于本質(zhì)而言，氣體傳感器是把監(jiān)測(cè)獲得的氣體成分轉(zhuǎn)換為與之對(duì)照的電信號(hào)的一種設(shè)備。氣體傳感器具有多種多樣的類型，因而對(duì)于各類氣體的監(jiān)測(cè)必須選擇合適的傳感器。在對(duì)石油化工空氣污染物進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過程中，使用頻率較高的氣體傳感器有兩種，一種是電化學(xué)式傳感器，另一種是半導(dǎo)體式傳感器。我們必須將氣體傳感器合理、有效地運(yùn)用于對(duì)石化區(qū)空氣污染物的監(jiān)測(cè)中，防止有毒有害氣體濃度超標(biāo)而引發(fā)危險(xiǎn)情況。