热学式气体传感器

热学式气体传感器主要有热导式和热化学式两大类。热导式是利用气体的热导率，通过对其中热敏元件电阻的变化来测量一种或几种气体组分浓度的，其在工业界的应用已有几十年的历史，其仪表类型较多，能分析的气体也较广泛(如H2、CO2、SO2、NH3、Ar 等)。热化学式是基于被分析气体化学反应的热效应，其中广泛应用的是气体的氧化反应(即燃烧)，其典型为催化燃烧式气体传感器，其关键部件为涂有燃烧催化 剂的惠斯通电桥，主要用于检测可燃气体，如煤气发生站、制气厂用来分析空气中的CO、H2 、C2H2等可燃气体，采煤矿井用于分析坑道中的CH4含量，石油开采船只分析现场漏泄的甲烷含量，燃料及化工原料保管仓库或原料车间分析空气中的石油蒸 气、酒精乙醚蒸气等。美国RAE Systems公司生产的FGM-3100催化燃烧式可燃气体检测仪，其采样方式为扩散式，检测精度达±2%满量程，响应时间<15s。催化燃烧式气体传 感器的主要优点是对所有可燃气体的响应有广谱性，对环境温度、湿度影响不敏感，输出信号近线性，且其结构简单，成本低。但其主要不足是精度低，工作温度高 (内部温度可达700～800℃)，电流功耗大，易受硫化物、卤素化合物等中毒的不利影响等。
电化学式气体传感器

原电池型气体传感器（也称：加伏尼电池型气体传感器，也有称燃料电池型气体传感器，也有称自发电池型气体传感器），他们的原理行同我们用的干电池，只是，电池的碳锰电极被气体电极替代了。以氧气传感器为例，氧在阴极被还原，电子通过电流表流到阳极，在那里铅金属被氧化。电流的大小与氧气的浓度直接相关。这种传感器可以有效地检测氧气、二氧化硫、氯气等。2、恒定电位电解池型气体传感器，这种传感器用于检测还原性气体非常有效，它的原理与原电池型传感器不一样，它的电化学反应是在电流强制下发生的，是一种真正的库仑分析的传感器。这种传感器已经成功地用于：一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气、肼、等气体的检测之中，是目前有毒有害气体检测的主流传感器。3、浓差电池型气体传感器，具有电化学活性的气体在电化学电池的两侧，会自发形成浓差电动势，电动势的大小与气体的浓度有关，这种传感器的成功实例就是汽车用氧气传感器、固体电解质型二氧化碳传感器。4、极限电流型气体传感器，有一种测量氧气浓度的传感器利用电化池中的极限电流与载流子浓度相关的原理制备氧（气）浓度传感器，用于汽车的氧气检测，和钢水中氧浓度检测。主要优点：体积小，功耗小，线性和重复性较好，分辨率一般可以达到0.1ppm，寿命较长。主要不足：易受干扰，灵敏度受温度变化影响较大。 
磁学式气体分析传感器

在磁学式气体分析传感器中，最常见的是利用氧气的高磁化特性来测量氧气浓度的磁性氧量分析传感器，其氧量的测量范围最宽，是一种十分有效的氧量测量仪 表。常用的有热磁对流式氧量分析传感器(按构成方式不同，又可细分为测速热磁式、压力平衡热磁式)和磁力机械式氧量分析传感器。其典型应用场合有化肥生 产、深冷空气分离、火电站燃烧系统、天然气制乙炔等工业生产中氧的控制和连锁，废气、尾气、烟气等排放的环保监测等。
光学式气体传感器

光学式气体传感技术是起步较晚，但发展最快的技术之一。工业中常用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、光散射式分析仪等。红外线式的工作原理是利用被测气体的红外吸收光谱特征或热效应而实现气体浓度测量的，常用光谱范围1～25μm，常用的类型有DIR色散红外线式和NDIR非色散红外线式。日本岛津所生产的SOA-307/307Dx二氧化硫连续分析仪，测量方法是采用单光源双光柱非色散红外线吸收法，即通过向被测 气体辐射宽带红外线并用波长选择检测器来选择指定频带，以此来测量SO2特定波长红外线辐射的吸收，其测量范围为最小0～100ppm，最大可达0～1vol%。

常用的紫外线分析仪有不分光紫外线分析仪和紫外荧光式分析仪，前者与红外线吸收原理类似，也是基于实测气体对紫外线选择性地吸收，其吸收特性也遵守比 尔定律，所使用的紫外波长范围是200～400nm。后者如紫外荧光式SO2分析仪，是一种干法式分析仪，工作原理是基于SO2分子接受紫外线能量成为激 发态的SO2分子，在返回稳态时产生特征荧光，其发出的荧光强度与SO2浓度成正比。紫外荧光式可做到不破坏样品而连续自动测量大气中的SO2含量。其灵 敏度可达测量范围的0～2×10 -7 ，稳定性可做到在24h的漂移为满刻度的±2%，重复性达±2%满刻度，且共存的背景气体对测量的影响较小，具有寿命长，维修工作量小的显着优点。光电比色式是基于比尔定律实现自动光电比色测量的，其适用的分析对象有SO2、NO、碳氢化合物、卤素化合物等。化学发光式分析仪是利用化学氧化反应伴有的光热生成原理而工作，常用的化学发光式分析仪有臭氧分析仪(利用O3-C2H4产生化学发光反应所放出的光子来测定臭氧)和化学发光式NO X 分析仪(利用O3的强氧化作用，使NO与O3发生化学发光反应来实现测量)。

光散射式分析仪是利用光束与气体中的颗粒相互作用产生散射(前散射、边散射、后散射)来进行气体浊度或不透明度测量的，是环境排放监测中最常用的分析仪表之一。

   半导体式气体传感器半导体式气体传感器是根据由金属氧化物或金属半导体氧化物材料制成的检测元件，与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起载流子运动为特征的电导率或 伏安特性或表面电位变化而进行气体浓度测量的。从作用机理上可分为表面控制型(采用气体吸附于半导体表面而产生电导率变化的敏感元件)、表面电位型(采用 半导体吸附气体后产生表面电位或界面电位变化的气体敏感元件)、体积控制型(基于半导体与气体发生反应时体积发生变化，从而产生电导率变化的工作原理) 等。可以检测百分比浓度的可燃气体，也可检测ppm级的有毒有害气体。具有结构简单、检测灵敏度高、反应速度快等诸多实用性优点，但其主要不足是测量线性 范围较小，受背景气体干扰较大，易受环境温度影响等。 气相色谱式分析仪气相色谱式分析仪是基于色谱分离技术和检测技术，分离并测定气样中各组分浓度，因此是全分析仪表。在发电厂锅炉试验中，已有应用。工作时，从进样装置 定期采取一定容积的气样，在流量一定的纯净载气(即流动相)携带下，流经色谱柱，色谱柱中装有称为固定相的固体或液体，利用固定相对气样各组分的吸收或溶 解能力的不同，使各组分在两相中反复进行分配，从而使各组分分离，并按时间先后流出色谱柱进入检测器进行定量测定。根据检测原理，又细分为浓度型检测器和 质量型检测器两种。 浓度型检测器测量的是气体中某组分浓度瞬间的变化，即检测器的响应值和组分的浓度成正比。 质量型检测器测量的是气体中某组分进入检测器的速度变化，即检测器的响应值和单位时间进入检测器某组分的量成正比。最常用的检测器有TCD热导检测 器、FLD氢火焰离子化检测器、HCD电子捕获检测器、FPD火焰光度检测器等。其中TCD检测器、HCD检测器属于浓度型，FLD检测器、FPD检测器 属于质量型。TCD检测器是应用最早且最广的通用性检测器，具有灵敏度适宜，通用性强，稳定性好、结构简单的特点。FLD检测器对大多数有机化合物具有很 高的灵敏度，一般比TCD灵敏度约高3～4个数量级，能检测至ppb级的痕量物质，且响应速度快。HCD检测器是一种具有选择性的高灵敏度检测器，对电负 性物质具有非常高的灵敏度，其灵敏度比FID还要高出2～3个数量级。FPD广泛用于SO2 、H2 S等的分析。 总之，气相色谱仪的主要优点是灵敏度高，适合于微量和痕量分析，能分析复杂的多相分气体。缺点是定期取样不能实现连续进样分析，系统较为复杂，多用于试验室分析用，不太适合工业现场气体监测。目前已有采用计算机控制仪表系统的操作和进行数据运算的气相色谱仪，并可进行组分越限报警，还具有自动检查仪表故障等功能。