气体传感器在监测化工空气污染中的应用

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摘要：当前，我国大气污染十分严重，特别是在京津冀和东北局部地区，受化学工业废气的影响，空气污染，已经严重影响到了人们的日常生活。所以需要加大对大气环境污染物监测的力度。本文主要介绍气体传感器的一些性能和分类，以及在化工空气污染监测当中的应用。

关键词：气体传感器；分类；性能；空气污染

所谓气体传感器是指用于探测在一定区域范围内是否存在特定气体和/或能连续测量气体成分浓度的仪表。在煤矿、石油、化工、市政、医疗、交通运输、家庭等需要防护的方面，一般情况下，气体传感器经常用于探测易燃，可燃，以及有毒气体，或者探测氧气消耗量等。在一些电力企业和制造也当中，气体传感器也经常用与定量检测烟气中各种成分的浓度，判断有害的气体排放量和燃烧情况等。在大气污染物监测方面，气体传感器用来监测大气环境污染的状况，是很普遍的一种检测方式。

1气体传感器检测系统的构成

传感器检测系统这一概念是传感技术发展到一定阶段的产物。检测系统是传感器与测量仪表、变换装置等的有机组合。在工程实际中，需要有传感器与多台测量仪表有机地组合起来，构成一个整体，才能完成信号的检测，这样便形成了检测系统。在空气污染检测系统当中，气体传感器的应用通过现场的数据采集，然后通过串口进行通信，再传送到单片机当中进行数据的处理。检测系统主要可以分为串行LCD的显示板，模和数的转换，通信模块和报警模块。在这几个模块当中，通信模块，报警模块，摸数的转换模块是主要的功能模块，是整个检测系统的主要组成部分。

2气体采样方式

气体检测系统的核心就是气体传感器，一般情况下，安装在探头内部。本质上来说，气体传感器其实是一种把某种污染物气体的体积数据转化成电信号的一种转换器。探测头可以通过气体传感器调理气体样本，一般情况下包括干扰气体和滤除杂质，样品抽吸，制冷湖综合干燥处理，甚至可以化学处理样品，以便传感器的测量速度更快。气体采样的方法可以直接影响到气体传感器响应的时间。当前，气体采样的方式主要就是通过比较简单的扩散法，或者是把气体吸入到检测器当中。气体都有自然的向四周扩散的特性，简单扩散法，就是利用了这种特性。在目标气体通过探头内传感器的时候，会产生一个和气体的体积分数相比信号。由于扩散的过程会慢慢的变慢，因此扩散法就需要将探头位置和测量点非常接近。扩散法的优点就是把气体的样本直接引入到传感器当中而不需要化学和物理的转换。吸入式的探头在一般情况下要用在排气管道或者采样位置靠近处理的仪器。这种技术能够提供给气体传感器一种速度可以控制的稳定的气流，因此在气流的速度和大小变化的时候，非常适合使用这种方法。把测量点气体的样本引入到测量探头，需要有一段距离，距离长短是按照传感器设计，但是，假如采样线过长会延长测量滞后的时间，这个时间是采样线的长度与泄漏气体的位置到传感器，流动速度地函数。对某种汽化物或者目标气体来说，大多数的气体和生物溶剂和汽化物的样品量有可能因为吸附的作用，可能会在采样的管壁上凝结，而减少。一般情况下，由于锅炉排出的烟气当中污染物含量比较大，使用的是扩散法进行气体采样，而在空气自动监测站当中，对二氧化硫的监测所使用的是吸入式的采样方法。

3气体传感器在监测化工空气污染中的特性

气体传感器作为化学传感器一种。不论是特性分析，测量技术，工作原理，还是从制造工艺和所用的材料，从应用领域到检测对象，都能够独立构成一种分类的标准，形成一个个十分庞杂复杂的分类的体系，接下来了解一下气体传感器的主要特性：

3.1选择特性

选择性也称之为交叉灵敏度。能够通过检测因为某种浓度干扰气体，形成的传感器反应来确定。该响应和有一定浓度目标气体形成的传感器反应等价。在追踪多种气体应用当中，这种特性非常重要，因为选择特性会降低检测可靠性和重复性，理想的传感器应该具有高选择性和高灵敏度。丁烷是经常使用的液体燃料。丁烷如果使用不当，造成危害严重的事故。我们在SnO2气敏材料当中加入Si和Au。可以得到一种具有选择性的丁烷元件。根据实验得出，加热的功率在0.5W以下的时候，这种元件对于丁烷没有选择性，但是在0.6W到0.8W的时候，对丁烷的气体选择性就比较好。这时，氢气，一氧化碳，汽油，二氧化硫等气体都没有检测形成干扰。

3.2稳定特性

稳定性指的是气体传感器，在工作的时间当中基本都响应的特性，取决于区间漂移和零点漂移。区间漂移指的是气体传感器在连续置在目标气体当中，输出的方应变化，一般表现为气体传感器工作时间当中输出信号的降低。零点漂移指的是在无目标气体的时候，工作时间当中，气体传感器的输出响应变化。在理想的情况下，传感器连续工作的条件之下，每年的零点漂移会小于10%。比如在实验当中，把气体传感器置于0.3%CH4到0.8%CH4的环境当中，让传感器连续运行12个小时，然后测试1.50%CH4和零点显示的值；之后，放置于空气当中连续运行12个小时，再次测试1.50%CH4和零点显示的值可以有效的实现对气体传感器稳定性的检验。

3.3抗腐蚀特性

抗腐蚀性指的是气体传感器暴露在高体积分数的目标气体当中的能力。在大量气体泄漏的时候，探头要可以承受期望气体的体积分数大约10～20倍。在返回到正常工作的条件下时，传感器零点和漂移的校正值要尽可能的小。例如传统元件的材料是SnO2，Fe2O3和SnO三大类，抗腐蚀性能不是很好。现在已经研究出了一些新型材料，比如复合金属，混合金属，以及单一金属的氧化物材料。这些新型的材料可以大大提高气体传感器的抗腐蚀性能，延长使用寿命。

3.4灵敏特性

灵敏度指的是气体传感器输出的变化量和被测输入的变化量的比值，主要是依赖气体传感器的结构采用的技术。一般情况下，大多数的气体传感器，设计原理一般都采用电化学，生物化学，光学和物理。首先，需要考虑选择一种敏感技术，对需要检测气体的最低爆炸限或者阀限制的百分比检测需要有较高的灵敏性。比如在气体传感器的半导体内加入Pt，Ir，Pd等贵金属可以有效提升元件的响应时间和灵敏度。可以降低被检测的气体活化能，因此可以加快反应的速度提高其灵敏度。

4气体传感器在监测化工空气污染中的应用

气体传感器的分类，从检测的气体的种类，可以分成可燃气体传感器，经常采用热导，红外，半导体式和催化燃烧式；有毒气体传感器，一般采用电化学，金属半导体，光离子化，火焰离子化式。以下是几种常见的气体传感器及其在监测工作当中的应用。

4.1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，引起伏安特性，表面电位或者电导率的变化。既可以对可燃性的气体进行检测，也可以对有毒有害的气体进行检测。例如SnO2组成的半导体传感器，正常空气清洁当中的电导非常低，如过遇到了还原性气体，比如可燃性的气体或者一氧化碳，电导就会出现增长。半导体传感器主要的缺点是解释读数比较困难，原因是因为湿度对半导体传感器的影响比较大。湿度增加，传感器的输出，电导就会增加;湿度降低的时候，半导体传感器输出，电导降低，极端的低湿度的环境甚至有可能会致使其对目标气体零响应。

4.2电化学传感器

典型的电化学传感器一般由下面几个部分组成：可以渗透过气体但不能够渗透液体的隔膜；工作电极，酸性的电解液槽；参比电极；对电极;有一些传感器包含一个能够过滤掉干扰组分的隔膜。大部分的检测有害气体，都有电化学活性，能够被电化学还原或者氧化。根据这一些反应，能够分辨出气体的成分，检测出气体的浓度，是环境监测中比较常用的一种气体传感器。

4.3催化燃烧传感器

对可燃气体进行检测的传感器通常使用催化式燃烧的原理，可以比作为一个小型的热量计。这种传感器关键的部件为一个图有催化物的惠斯通电桥。在催化物上目标气体无焰燃烧，所产生温度的强度和目标气体的浓度是呈正比的，温度会直接对惠斯通电桥当中的温感电阻阻值进行改变，然后测量惠斯通电桥的测量桥和参比桥，就可以得出目标气体浓度。气体传感器能够对大气当中的有害污染物进行检测，比如含硫氧化物，氮氧化合物等。同时也能够对其它非大气当中的空气污染进行检测，比如室内空气的质量等，都可以使用气体传感器。大气污染物中，比如氮氧化合物，大部分含氮的氧化物都是来自于汽车的排放尾气，随着我国汽车工业的快速发展和人们生活消费水平的提高，汽车尾气的排放问题会越来越突出，与我国环境保护国策的矛盾会越来越对立。二氧化硫，氮氧化物也是我市的环境容量中减排的项目。然而二氧化硫排放的主要途径就是工业用煤，当前国家有关部门对企业使用生产用煤有着非常严格的要求，按照有关规定，所有的新锅炉在投入使用前必须要安装脱硫设施，即使旧锅炉，也不可以再使用燃煤，要改用生物质，清洁能源或者木柴。改用生物质，清洁能源或者安装脱硫设施之后，锅炉排放废气当中的二氧化硫的浓度是非常低的，并且国家对二氧化硫排放的标准也更加的严格。目前我们测定锅炉排气筒烟气分析仪就是使用这种电化学传感器，它检测限可以达到15mg/m3，极大的满足了我国二氧化硫的排放标准要求。如今含硫的氧化物是引起酸雨的主要污染物。目前，二氧化硫的监测已经成为了我国环境监测的重点项目。但是含硫氧化物在大气中的含量很低。所以需要灵敏度更高的气体传感器。比如使用表面的声波设备，当前对毒气，以及危险的气体的检测设备中的传感器就使用了这种表面声波设备，能够提高其检测灵敏程度，但是这种方法会增加检测的设备体积和检测的成本。但是在传感器中使用纳米颗粒，当前对于室内环境污染的监测设备当中使用了这种纳米颗粒技术，就可以提高反应的表面积，从而提高检测设备的反应速度，而且和一般的传感器相比，其工作时的温度也大大降低了，从而减少了能源的消耗。

5结语

随着科技的不断发展，薄膜，纳米技术等新技术，新材料的应用，给气体传感器的智能化和集成化，提供了非常好的条件。深入的研究与掌握无机，有机，生物，以及各种材料特性，之间的相互关系。理解各种传感器的作用机理和工作原理。气体传感器必定会在充分利用电子技术，微机械，信号处理的技术，计算机信息技术，故障的诊断技术，传感技术，等很多学科的基础之上迅速发展。研制可以同时进行监测多种污染物的智能，全自动的，数字式的气体传感器是该领域的重要研究方向，对于监测环境质量，保护居住环境等都有着非常重要的意义。

参考文献

[1]雷菊华,曾福.新型气体传感器的研究现状与发展趋势[J].智富时代,2015(04).

[2]周正,李野.气体传感器在监测室内体育场馆空气污染中的应用[J].湖北体育科技,2015(12).

作者：高英华 单位：廉江市环境监测站