【摘要】检测有毒有害气体已经成为各行各业保护工作人员生命和健康、保护国家和个人财产不受损害、保护生产和生活环境不受污染的有力手段，并成为石油化工、煤矿生产、市政设施、环境保护等方面的一项日常工作。对应各种有毒有害气体主要的危害性质和特殊的物理、化学性质，我们针对性的选择不同原理的传感器技术已实现对它们检测的同时，还需要兼顾到各种各样的因素，如成本、精度要求等。目前在实际中广泛用的现场气体检测技术大都使用催化燃烧式、电化学、半导体、光离子化等小巧实用的气体传感器。本文将对各种传感器技术作出分析说明。

　　【关键词】比色管；半导体传感器；电化学传感器；催化燃烧传感器；离子化检测器1.比色管比色管是以化学显色反应为基础的测量方式，其优点在于它对外界设备依赖少，且能实时实现单点测量的手段。它可以对宽范围的的有毒物质进行初步确认，也可以针对特定的目标气体进行测量。

　　比色管有一个充满硅胶、活性铝或其他介质的短玻璃管构成。其中的介质上涂敷有能与特定目标气体反应变色的化学物质。使用时打碎玻璃管密封的两端，将检测管连接到一个手动泵或电动泵上，按照使用说明以一定的流量和时间完成一个检测间隔。抽气采样时，进入采样管的目标气体会同管内介质反应产生一个由进气口至抽气端不断延伸的色带，此色带在完成一个检测间隔停止抽气后不再延伸，颜色带的长度同目标气体浓度呈正比，通过比色管上的刻度值即可判断目标气体浓度。

　　举例一氧化碳（CO）比色管。吸入的CO气体将比色管内五氧化二碘中的碘还原为碘单质，产生褐色色带。

　　CO+I2O5+H2S2O7→I2+CO2比色管的最大优点在与它们可以对很多污染物提供实时的检测，只需要通过更换比色管即可完成相对应的目标气体的检测。同时可以通过特定的顺序并基于基本的化学反应原理对未知的化合物进行初步的判定。

　　比色管的缺点在于不同化合物的交叉干扰，并且它也难以提供一个随时间变化的连续测量结果，只能用于“点测”。并且受制于现场环境（温湿度）和操作水平的影响，比色管相对难以提供一个较为准确的检测结果，由此差生的误差在20%～50%之间。

　　2.半导体传感器半导体传感器是由金属半导体氧化物（MOS）制作而成的气体传感器，它利用与目标气体互相作用时表面产生的吸附或反应，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化。它既可以用来检测百分比浓度的可燃性气体，也可以用来检测ppm级别的有毒气体。比如SnO2构成的半导体传感器，在正常清洁空气中的电导很低，一旦遇到还原性的气体，如一氧化碳或可燃性气体，其电导就会增加。通过控制传感元件的温度可实现一定程度上对目标气体检测的选择。

　　半导体传感器的原理决定了它是一种宽范围的检测技术，同种半导体传感器对不同的气体都会有良好的响应，也包括其他检测技术很难检测的卤代烃。这种非选择性的特性在一些环境中非常适用，它能够对环境中是否存在非正常气体成分做出明确的判断，即“有”或者“没有”。

　　半导体传感器的主要缺点是难以解释读数，主要原因是半导体传感器受湿度影响大。随着湿度的增加，半导体传感器的电导、输出增加；而湿度降低时，半导体传感器的电导、输出降低，极端低湿度环境甚至会导致其对存在的目标气体的零响应。另一个主要问题是，半导体传感器对目标气体的理想线性范围较窄，在理性的目标气体浓度范围内检测结果可以非常准确；而一旦超过这个线性范围，其读数无法反映实际目标气体浓度，无法提供准确的测量。同时，如前面提到的，可以通过温度以实现对不同目标气体的选择，温度也是影响到半导体传感器准确性的重要因素。

　　半导体传感器原件有多种，按照材料成分划分，可划分为金属氧化物半导体和有机类半导体；从作用机理来划分，可分为表面控制型和体积控制型，每一类又可分为不同材质和不同形式。

　　（1）表面控制型敏感元件利用气体吸附于半导体传感器表面而导致电导率变化的原件，称为表面控制型敏感元件其典型的的敏感元件多为测定可燃气体。SnO2是最常见的气体敏感材料，在SnO2中添加Pb增感剂，成为实用性的SnO2系列气体敏感元件，主要用来测量一氧化碳、氢气、醇类、硫化氢和NOx等气体，通常工作温度为200～400℃。

　　（2）表面电位型气体敏感元件利用半导体吸附气体后产生表面电位或界面点位变化的气体敏感元件，称为表面电位型气体敏感元件。这类半导体传感器对H2、H2S、NH3等气体反应灵敏；Au/TiO2气敏二极管则对硅烷具有较高的灵敏度和选择性。

　　（3）体积控制型敏感元件利用半导体物质与气体反应时体积发生变化，进而呈现电导率变化的原件被称为体积控制敏感型敏感元件。

　　3.电化学传感器典型的有毒有害气体电化学传感器一般由下面几个部分构成：可以渗透过气体但不能渗透过液体的扩散式隔膜；酸性电解液槽（一般为硫酸或磷酸）；工作电极；对电极；参比电极（两电极设计的传感器无参比电极）；有些传感器还包含一个可以过滤干扰组分的薄膜。

　　大部分厂检测有毒有害气体都有电化学活性，可以被电化学氧化或还原。利用这些反应，可以分辨气体成分、检测气体浓度。常见电化学气体传感器分为两类：

　　（1）原电池型气体传感器也叫伽伐尼电池型气体传感器、燃料电池型气体传感器、自发电池型气体传感器，其原理和一般常用的干电池是一样的，只是干电池中的碳锰电极被气体检测电极替代了。这类传感器以氧气传感器为代表，这是一种由阳极、电解液和空气阴极构成的自供电、限制扩散和金属-空气电池类型。氧气在阴极被还原，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。反应式如下：

　　O2+H2O+4e→4OH- 　　2Pb→2Pb2+4e2Pb2+4OH-→2PbO+2H2O+4eO2+2Pb→2PbO（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，与原电池性传感器不同，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。这种传感器技术成功运用在一氧化碳、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。

　　工作电极可以催化一些特殊的反应。随传感器不同，待测物质将在电极上发生不同的化学反应，并相对于电极产生正或负的电位差。双电极系统意味着工作电极的电位要时刻保持恒定。三电极设计是目前常见的电化学传感器的形式，它包括了工作电极、参比电极和对电极。由于使用了一个另外的恒压电路，工作电极和参比电极间的电压保持恒定，参比电极上也没有电流通过。对电极仍然自由极化（电解反应），此时电位的变化就同目标气体浓度的变化直接有关。传感器产生的电流直接同气体的浓度成正比，并且有很宽的线性测量范围。以一氧化碳为例：

　　CO在工作电极上的氧化：

　　CO+H2O→CO2+2H++2e对电极通过将空气中的氧气还原以进行平衡：

　　O2+2H++2e→H2O简化上式：

　　CO+O2→CO2电化学传感器性能比较稳定、寿命较长、耗电很小、分辨率甚至可以达到0.1ppm（某些气体）。它的温度适应性比较宽，多数传感器可达到-40～50℃。但是它的灵敏度受温度变化的影响也比较大，主要是零点随着温度变化会产生少许的波动。另一个缺点是不同气体间的干扰，虽然在设计上，制造厂家会尽可能的排除或减少其他气体的干扰。但这种“排除”手段的效果是有限的，因此也无法完全做到传感器对除目标气体外的气体零响应。

　　4.催化燃烧传感器检测可燃气体的传感器一般采用催化燃烧原理，他可以比作是一个小型化的热量计。催化燃烧传感器的关键部件是一个图有特殊催化物的的惠斯通电桥结构。目标气体在催化物上进行无焰燃烧，反应过程的产生的温度强度与目标气体浓度呈正比，温度直接改变惠斯通电桥中温感电阻的阻值，通过对惠斯通电桥参比桥和测量桥的测量即可得知目标气体的浓度。

　　5.离子化检测器目前市场上可见的便携离子化检测方案均是基于光离子化检测技术器（PID：Photo Ion-ization Detector）。所有的元素和化合物都可以被离子化，也就是可以被外部能量“击碎”成带有电荷的“小碎片”。不同化合物的组成物质不同，因此不同化合物所需的击碎能量也有不同，这个使之被“击碎”形成离子状态的能量称之为其对应的“电离电位”（IP），它以电子伏特（eV）为计量单位。IP实际上表达的是化合物的化合键的强度。通过外加的能量，将目标气体分子中的一个电子脱离分子主体，形成带电离子。离子化检测器使用收集盘将离子收集形成的电流同待测目标气体的浓度呈正比。

　　如上所述离子化检测是非特效的，只有在确定检测气体的种类和成分，才能将其运用于定量检测。光离子化检测其使用一个高能量紫外灯提供离子化目标气体的能量。光离子化过程如下：

　　RH+hv→RH++e量子hv代表等于或大于RH（目标分子）的能量。一般讲，分子越小，结合能越大，IP也就越高。

　　现代气体传感器技术已经为我们提供了众多方便、快速获得所处环境目标气体浓度的有效手段，在对环境和传感器技术有充分了解的前提下，寻找合适的检测技术是我们需要根据大量的应用案例和经验进行分析的重要课题。

　　作者简介：骆熙（1981―），男，湖北黄石人，研究方向：有毒有害气体检测技术。