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摘要：當(dāng)前，我國(guó)大氣污染十分嚴(yán)重，特別是在京津冀和東北局部地區(qū)，受化學(xué)工業(yè)廢氣的影響，空氣污染，已經(jīng)嚴(yán)重影響到了人們的日常生活。所以需要加大對(duì)大氣環(huán)境污染物監(jiān)測(cè)的力度。本文主要介紹氣體傳感器的一些性能和分類，以及在化工空氣污染監(jiān)測(cè)當(dāng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：氣體傳感器；分類；性能；空氣污染

所謂氣體傳感器是指用于探測(cè)在一定區(qū)域范圍內(nèi)是否存在特定氣體和/或能連續(xù)測(cè)量氣體成分濃度的儀表。在煤礦、石油、化工、市政、醫(yī)療、交通運(yùn)輸、家庭等需要防護(hù)的方面，一般情況下，氣體傳感器經(jīng)常用于探測(cè)易燃，可燃，以及有毒氣體，或者探測(cè)氧氣消耗量等。在一些電力企業(yè)和制造也當(dāng)中，氣體傳感器也經(jīng)常用與定量檢測(cè)煙氣中各種成分的濃度，判斷有害的氣體排放量和燃燒情況等。在大氣污染物監(jiān)測(cè)方面，氣體傳感器用來監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境污染的狀況，是很普遍的一種檢測(cè)方式。

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)這一概念是傳感技術(shù)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物。檢測(cè)系統(tǒng)是傳感器與測(cè)量?jī)x表、變換裝置等的有機(jī)組合。在工程實(shí)際中，需要有傳感器與多臺(tái)測(cè)量?jī)x表有機(jī)地組合起來，構(gòu)成一個(gè)整體，才能完成信號(hào)的檢測(cè)，這樣便形成了檢測(cè)系統(tǒng)。在空氣污染檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中，氣體傳感器的應(yīng)用通過現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集，然后通過串口進(jìn)行通信，再傳送到單片機(jī)當(dāng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。檢測(cè)系統(tǒng)主要可以分為串行LCD的顯示板，模和數(shù)的轉(zhuǎn)換，通信模塊和報(bào)警模塊。在這幾個(gè)模塊當(dāng)中，通信模塊，報(bào)警模塊，摸數(shù)的轉(zhuǎn)換模塊是主要的功能模塊，是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的主要組成部分。

2氣體采樣方式

氣體檢測(cè)系統(tǒng)的核心就是氣體傳感器，一般情況下，安裝在探頭內(nèi)部。本質(zhì)上來說，氣體傳感器其實(shí)是一種把某種污染物氣體的體積數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的一種轉(zhuǎn)換器。探測(cè)頭可以通過氣體傳感器調(diào)理氣體樣本，一般情況下包括干擾氣體和濾除雜質(zhì)，樣品抽吸，制冷湖綜合干燥處理，甚至可以化學(xué)處理樣品，以便傳感器的測(cè)量速度更快。氣體采樣的方法可以直接影響到氣體傳感器響應(yīng)的時(shí)間。當(dāng)前，氣體采樣的方式主要就是通過比較簡(jiǎn)單的擴(kuò)散法，或者是把氣體吸入到檢測(cè)器當(dāng)中。氣體都有自然的向四周擴(kuò)散的特性，簡(jiǎn)單擴(kuò)散法，就是利用了這種特性。在目標(biāo)氣體通過探頭內(nèi)傳感器的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)和氣體的體積分?jǐn)?shù)相比信號(hào)。由于擴(kuò)散的過程會(huì)慢慢的變慢，因此擴(kuò)散法就需要將探頭位置和測(cè)量點(diǎn)非常接近。擴(kuò)散法的優(yōu)點(diǎn)就是把氣體的樣本直接引入到傳感器當(dāng)中而不需要化學(xué)和物理的轉(zhuǎn)換。吸入式的探頭在一般情況下要用在排氣管道或者采樣位置靠近處理的儀器。這種技術(shù)能夠提供給氣體傳感器一種速度可以控制的穩(wěn)定的氣流，因此在氣流的速度和大小變化的時(shí)候，非常適合使用這種方法。把測(cè)量點(diǎn)氣體的樣本引入到測(cè)量探頭，需要有一段距離，距離長(zhǎng)短是按照傳感器設(shè)計(jì)，但是，假如采樣線過長(zhǎng)會(huì)延長(zhǎng)測(cè)量滯后的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間是采樣線的長(zhǎng)度與泄漏氣體的位置到傳感器，流動(dòng)速度地函數(shù)。對(duì)某種汽化物或者目標(biāo)氣體來說，大多數(shù)的氣體和生物溶劑和汽化物的樣品量有可能因?yàn)槲降淖饔?，可能?huì)在采樣的管壁上凝結(jié)，而減少。一般情況下，由于鍋爐排出的煙氣當(dāng)中污染物含量比較大，使用的是擴(kuò)散法進(jìn)行氣體采樣，而在空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站當(dāng)中，對(duì)二氧化硫的監(jiān)測(cè)所使用的是吸入式的采樣方法。

3氣體傳感器在監(jiān)測(cè)化工空氣污染中的特性

氣體傳感器作為化學(xué)傳感器一種。不論是特性分析，測(cè)量技術(shù)，工作原理，還是從制造工藝和所用的材料，從應(yīng)用領(lǐng)域到檢測(cè)對(duì)象，都能夠獨(dú)立構(gòu)成一種分類的標(biāo)準(zhǔn)，形成一個(gè)個(gè)十分龐雜復(fù)雜的分類的體系，接下來了解一下氣體傳感器的主要特性：

3.1選擇特性

選擇性也稱之為交叉靈敏度。能夠通過檢測(cè)因?yàn)槟撤N濃度干擾氣體，形成的傳感器反應(yīng)來確定。該響應(yīng)和有一定濃度目標(biāo)氣體形成的傳感器反應(yīng)等價(jià)。在追蹤多種氣體應(yīng)用當(dāng)中，這種特性非常重要，因?yàn)檫x擇特性會(huì)降低檢測(cè)可靠性和重復(fù)性，理想的傳感器應(yīng)該具有高選擇性和高靈敏度。丁烷是經(jīng)常使用的液體燃料。丁烷如果使用不當(dāng)，造成危害嚴(yán)重的事故。我們?cè)赟nO2氣敏材料當(dāng)中加入Si和Au?？梢缘玫揭环N具有選擇性的丁烷元件。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出，加熱的功率在0.5W以下的時(shí)候，這種元件對(duì)于丁烷沒有選擇性，但是在0.6W到0.8W的時(shí)候，對(duì)丁烷的氣體選擇性就比較好。這時(shí)，氫氣，一氧化碳，汽油，二氧化硫等氣體都沒有檢測(cè)形成干擾。

3.2穩(wěn)定特性

穩(wěn)定性指的是氣體傳感器，在工作的時(shí)間當(dāng)中基本都響應(yīng)的特性，取決于區(qū)間漂移和零點(diǎn)漂移。區(qū)間漂移指的是氣體傳感器在連續(xù)置在目標(biāo)氣體當(dāng)中，輸出的方應(yīng)變化，一般表現(xiàn)為氣體傳感器工作時(shí)間當(dāng)中輸出信號(hào)的降低。零點(diǎn)漂移指的是在無目標(biāo)氣體的時(shí)候，工作時(shí)間當(dāng)中，氣體傳感器的輸出響應(yīng)變化。在理想的情況下，傳感器連續(xù)工作的條件之下，每年的零點(diǎn)漂移會(huì)小于10%。比如在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，把氣體傳感器置于0.3%CH4到0.8%CH4的環(huán)境當(dāng)中，讓傳感器連續(xù)運(yùn)行12個(gè)小時(shí)，然后測(cè)試1.50%CH4和零點(diǎn)顯示的值；之后，放置于空氣當(dāng)中連續(xù)運(yùn)行12個(gè)小時(shí)，再次測(cè)試1.50%CH4和零點(diǎn)顯示的值可以有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體傳感器穩(wěn)定性的檢驗(yàn)。

3.3抗腐蝕特性

抗腐蝕性指的是氣體傳感器暴露在高體積分?jǐn)?shù)的目標(biāo)氣體當(dāng)中的能力。在大量氣體泄漏的時(shí)候，探頭要可以承受期望氣體的體積分?jǐn)?shù)大約10～20倍。在返回到正常工作的條件下時(shí)，傳感器零點(diǎn)和漂移的校正值要盡可能的小。例如傳統(tǒng)元件的材料是SnO2，F(xiàn)e2O3和SnO三大類，抗腐蝕性能不是很好。現(xiàn)在已經(jīng)研究出了一些新型材料，比如復(fù)合金屬，混合金屬，以及單一金屬的氧化物材料。這些新型的材料可以大大提高氣體傳感器的抗腐蝕性能，延長(zhǎng)使用壽命。

3.4靈敏特性

靈敏度指的是氣體傳感器輸出的變化量和被測(cè)輸入的變化量的比值，主要是依賴氣體傳感器的結(jié)構(gòu)采用的技術(shù)。一般情況下，大多數(shù)的氣體傳感器，設(shè)計(jì)原理一般都采用電化學(xué)，生物化學(xué)，光學(xué)和物理。首先，需要考慮選擇一種敏感技術(shù)，對(duì)需要檢測(cè)氣體的最低爆炸限或者閥限制的百分比檢測(cè)需要有較高的靈敏性。比如在氣體傳感器的半導(dǎo)體內(nèi)加入Pt，Ir，Pd等貴金屬可以有效提升元件的響應(yīng)時(shí)間和靈敏度?？梢越档捅粰z測(cè)的氣體活化能，因此可以加快反應(yīng)的速度提高其靈敏度。

4氣體傳感器在監(jiān)測(cè)化工空氣污染中的應(yīng)用

氣體傳感器的分類，從檢測(cè)的氣體的種類，可以分成可燃?xì)怏w傳感器，經(jīng)常采用熱導(dǎo)，紅外，半導(dǎo)體式和催化燃燒式；有毒氣體傳感器，一般采用電化學(xué)，金屬半導(dǎo)體，光離子化，火焰離子化式。以下是幾種常見的氣體傳感器及其在監(jiān)測(cè)工作當(dāng)中的應(yīng)用。

4.1半導(dǎo)體傳感器

半導(dǎo)體傳感器是由金屬半導(dǎo)體氧化物（MOS）制作而成的氣體傳感器，它利用與目標(biāo)氣體互相作用時(shí)表面產(chǎn)生的吸附或反應(yīng)，引起伏安特性，表面電位或者電導(dǎo)率的變化。既可以對(duì)可燃性的氣體進(jìn)行檢測(cè)，也可以對(duì)有毒有害的氣體進(jìn)行檢測(cè)。例如SnO2組成的半導(dǎo)體傳感器，正?？諝馇鍧嵁?dāng)中的電導(dǎo)非常低，如過遇到了還原性氣體，比如可燃性的氣體或者一氧化碳，電導(dǎo)就會(huì)出現(xiàn)增長(zhǎng)。半導(dǎo)體傳感器主要的缺點(diǎn)是解釋讀數(shù)比較困難，原因是因?yàn)闈穸葘?duì)半導(dǎo)體傳感器的影響比較大。濕度增加，傳感器的輸出，電導(dǎo)就會(huì)增加;濕度降低的時(shí)候，半導(dǎo)體傳感器輸出，電導(dǎo)降低，極端的低濕度的環(huán)境甚至有可能會(huì)致使其對(duì)目標(biāo)氣體零響應(yīng)。

4.2電化學(xué)傳感器

典型的電化學(xué)傳感器一般由下面幾個(gè)部分組成：可以滲透過氣體但不能夠滲透液體的隔膜；工作電極，酸性的電解液槽；參比電極；對(duì)電極;有一些傳感器包含一個(gè)能夠過濾掉干擾組分的隔膜。大部分的檢測(cè)有害氣體，都有電化學(xué)活性，能夠被電化學(xué)還原或者氧化。根據(jù)這一些反應(yīng)，能夠分辨出氣體的成分，檢測(cè)出氣體的濃度，是環(huán)境監(jiān)測(cè)中比較常用的一種氣體傳感器。

4.3催化燃燒傳感器

對(duì)可燃?xì)怏w進(jìn)行檢測(cè)的傳感器通常使用催化式燃燒的原理，可以比作為一個(gè)小型的熱量計(jì)。這種傳感器關(guān)鍵的部件為一個(gè)圖有催化物的惠斯通電橋。在催化物上目標(biāo)氣體無焰燃燒，所產(chǎn)生溫度的強(qiáng)度和目標(biāo)氣體的濃度是呈正比的，溫度會(huì)直接對(duì)惠斯通電橋當(dāng)中的溫感電阻阻值進(jìn)行改變，然后測(cè)量惠斯通電橋的測(cè)量橋和參比橋，就可以得出目標(biāo)氣體濃度。氣體傳感器能夠?qū)Υ髿猱?dāng)中的有害污染物進(jìn)行檢測(cè)，比如含硫氧化物，氮氧化合物等。同時(shí)也能夠?qū)ζ渌谴髿猱?dāng)中的空氣污染進(jìn)行檢測(cè)，比如室內(nèi)空氣的質(zhì)量等，都可以使用氣體傳感器。大氣污染物中，比如氮氧化合物，大部分含氮的氧化物都是來自于汽車的排放尾氣，隨著我國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展和人們生活消費(fèi)水平的提高，汽車尾氣的排放問題會(huì)越來越突出，與我國(guó)環(huán)境保護(hù)國(guó)策的矛盾會(huì)越來越對(duì)立。二氧化硫，氮氧化物也是我市的環(huán)境容量中減排的項(xiàng)目。然而二氧化硫排放的主要途徑就是工業(yè)用煤，當(dāng)前國(guó)家有關(guān)部門對(duì)企業(yè)使用生產(chǎn)用煤有著非常嚴(yán)格的要求，按照有關(guān)規(guī)定，所有的新鍋爐在投入使用前必須要安裝脫硫設(shè)施，即使舊鍋爐，也不可以再使用燃煤，要改用生物質(zhì)，清潔能源或者木柴。改用生物質(zhì)，清潔能源或者安裝脫硫設(shè)施之后，鍋爐排放廢氣當(dāng)中的二氧化硫的濃度是非常低的，并且國(guó)家對(duì)二氧化硫排放的標(biāo)準(zhǔn)也更加的嚴(yán)格。目前我們測(cè)定鍋爐排氣筒煙氣分析儀就是使用這種電化學(xué)傳感器，它檢測(cè)限可以達(dá)到15mg/m3，極大的滿足了我國(guó)二氧化硫的排放標(biāo)準(zhǔn)要求。如今含硫的氧化物是引起酸雨的主要污染物。目前，二氧化硫的監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為了我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)項(xiàng)目。但是含硫氧化物在大氣中的含量很低。所以需要靈敏度更高的氣體傳感器。比如使用表面的聲波設(shè)備，當(dāng)前對(duì)毒氣，以及危險(xiǎn)的氣體的檢測(cè)設(shè)備中的傳感器就使用了這種表面聲波設(shè)備，能夠提高其檢測(cè)靈敏程度，但是這種方法會(huì)增加檢測(cè)的設(shè)備體積和檢測(cè)的成本。但是在傳感器中使用納米顆粒，當(dāng)前對(duì)于室內(nèi)環(huán)境污染的監(jiān)測(cè)設(shè)備當(dāng)中使用了這種納米顆粒技術(shù)，就可以提高反應(yīng)的表面積，從而提高檢測(cè)設(shè)備的反應(yīng)速度，而且和一般的傳感器相比，其工作時(shí)的溫度也大大降低了，從而減少了能源的消耗。

5結(jié)語

隨著科技的不斷發(fā)展，薄膜，納米技術(shù)等新技術(shù)，新材料的應(yīng)用，給氣體傳感器的智能化和集成化，提供了非常好的條件。深入的研究與掌握無機(jī)，有機(jī)，生物，以及各種材料特性，之間的相互關(guān)系。理解各種傳感器的作用機(jī)理和工作原理。氣體傳感器必定會(huì)在充分利用電子技術(shù)，微機(jī)械，信號(hào)處理的技術(shù)，計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，故障的診斷技術(shù)，傳感技術(shù)，等很多學(xué)科的基礎(chǔ)之上迅速發(fā)展。研制可以同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)多種污染物的智能，全自動(dòng)的，數(shù)字式的氣體傳感器是該領(lǐng)域的重要研究方向，對(duì)于監(jiān)測(cè)環(huán)境質(zhì)量，保護(hù)居住環(huán)境等都有著非常重要的意義。

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作者：高英華 單位：廉江市環(huán)境監(jiān)測(cè)站