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摘 要 简要介绍了基于一个便携式气体测试仪的6种不同传感器技术、操作原理，探讨了每类传感器技术存在的问题及传感器今后发展趋势。
关键词 便携式气体测试仪；传感器技术；操作原理
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）15-0017-02
近年来，手持便携式气体测试仪由于其重量轻，体积小，功耗低，便于携带，可随时随地对气体进行检测等优点已被广泛应用于各个行业领域。传感器是便携式气体测试仪的核心部件，它的精度、可靠性、响应和恢复时间、抗干扰能力等性能直接决定了气体测试仪的使用范围[1]。本文简要介绍了基于便携式气体测试仪的6种不同传感器技术、操作原理以及其使用的局限性，并对每类传感器技术存在的问题及今后发展趋势进行了探讨。
1 基于便携式气体测试仪的6种不同传感器
通常情况下，一个便携式气体测试仪，制造商通常配置1～6个不同的传感器。不同的传感器由于操作原理不同，导致了其可以检测的对象及适用的环境存在差距。在实际应用中，需要根据检测的环境，浓度，功耗、成本等具体要求进行选择。
1.1 光离子探测器
自20世纪60年代开始，PID技术已经被工业卫生专家，安全和环保专业人士，以及其他领域的人士用来评估工作场所的气体危害因素。PID技术是使用一种包含单一气体元素的紫外灯，一旦有气体存在，经紫外光照射，气体被电离，成为带正电的离子，并在负电极检测出电流，由于电流的大小与被检测带电粒子的浓度成正比，通过处理经过电子电路的电流，就可以显示气体的浓度值[2]。然而，并不是所有的气体都能被电离，每中气体都有其自身的电离能，只有当气体的电离能小于灯发出的能量，化合物才能被电离，反之，则无法检测。由于高电子势能的紫外灯成本高且现场使用寿命短，大多数制造商通常使用9.6至10.6 电子伏特（ev）电离能的紫外灯，并没有检测紫外灯的能量是否大于被测试的气体。而一氧化碳（14.1ev），氰化氢（13.91ev），二氯甲烷（11.35ev），二甲苯（11.4ev），乙烷（11.65ev）等电离能比较高的气体，用一般低紫外灯根本检测不到。传感器的平均寿命为1-3年，更换成本为$ 200.00～$ 900.00。
1.2 固态金属氧化物半导体（MOS）或者宽范围的碳氢化合物（BRH）
自20世纪60年代，MOS传感器已被用来评估工作场所的气体危害因素。它是由铁﹑锌和锡等金属氧化物的混合物组成，一旦检测气体或者蒸气分子进入传感器表面与其接触，导电率迅速增长，从而实现对气体的检测[3]。使用这种传感器的仪器可以在高温下操作，利用不同类型的MOS传感器，探测器可以探测到浓度在PPM（万分之一）的各种各样的气体和蒸气，甚至被用来探测气体的可燃范围。但是这种传感器不具有对许多单一气体或蒸汽的高度选择性。传感器的平均寿命是3-5年，更换成本在$100以下。
1.3 电化学传感器（有毒气体）
自1970年以来，电化学传感器已被广泛应用于有限空间使用的便携式气体检测仪器[4]。该传感器利用电化学原理，在传感器工作电极的表面发生氧化/还原反应，产生的电流与被测气体的浓度成正比，通过测量电流的大小来确定气体的浓度。电化学传感器可以用来检测一氧化碳，硫化氢，二氧化硫，氨气等30多种有毒气体，广泛应用于测量范围不广的特定物质。这种传感器的优点是它能够在低电量的情况下产生信号和相对较高的特异性信号，主要限制性是在有限空间中未知有毒气体、可燃气体的不可测量性及气体的交叉干扰。传感器的平均寿命是1-3年，更换成本在$145～$300。
1.4 催化燃烧，慧通斯电桥，Pellistor传感器等
自1940年起，该传感器就已经广泛应用于矿山，工业领域。该传感器包括了一对缠绕的铂丝，其中一个铂丝涂有一层催化剂，使气体分子在传感器表面燃烧，从而使传感器的温度升高。温度传感器温度的变化使铂丝“慧通斯”电桥抵抗不平衡，从而产生了一个与气体或蒸汽浓度成比例的信号。这些传感器最初是用来检测100PPM～1000PPM范围的可燃气体和蒸汽，其特点是反应非常快，限制性是对于非甲烷易燃气体需要一个“修正系数”，且使用5次修正系数后的实际气体浓度是可燃气体浓度的50%-70%[5]。一些腐蚀性气体，能够使传感器催化剂的活性降低，从而使传感器和待测气体不发生反应。传感器的平均寿命是1-2年，更换成本在$175～$285。
1.5 电化学氧气传感器
自1970年初，分压式氧气传感器应用于大气检测。该传感器受天气情况和高度的影响很大[6]。市科技在20世纪70年代末引进的“毛细管扩散势垒”氧气传感器，解决了压力对传感器的影响。优点是没有任何已知的交叉干扰影响，限制性是高湿度的空气（100华氏度/99.9%RH）中，水蒸汽浓度的升高使得氧气浓度降低，将导致氧气浓度读数只有19.5%的体积比。目前，氧气传感器的现场使用寿命长达2年。
1.6 非色散红外传感器（NDIR）
1970年非色散红外传感器首次被认可应用在检测某些车辆尾气排放的装置中，现已经与许多小型化，低功耗的设备装置技术一起应用在手持便携式气体探测器上。该传感器的原理是当一束某种波长的红外光束与气体分子键发生共鸣时，红外光能量被分子吸收，少量光线穿过待测气体到达探测元件[7]。这些能量的损失转化为板上电子数的变化进而显示出气体的浓度。NDIR基本探测能可靠探测几百PPM的二氧化碳且能探测多数浓度在最低爆炸范围以下的碳氢化合物。由于NDIR技术探测甲烷气体不像接触反应燃烧探测器那样需要氧气，所以探测装置已被用于垃圾填埋场的气体分析仪器[8]。然而，气体的种类必须是指定的，必须选取适当的红外线频率方可探测气体或蒸发态分子。另外，甲烷NDIR探测器对碳原子数为1到3的碳氢化合物有良好的响应，但是对二氧化碳和氢并无响应。当使用这种探测器时发生电源泄露是很重大的。该传感器的使用寿命比电化学传感器要长得多，价格比较贵。 2 结论
综上所述的多种传感器技术中，只有NDIR，氧气，电化学毒气传感器对特定的气体有特定的反应。PID、MOS和热线/接触反应原件是非特异性的，因此对许多其他化合物有灵敏反应。目前，新型生物传感器和化学传感器的研究和开发已成为重点和热点。随着纳米技术、智能材料、光导、光纤、超导等新技术的应用和集成微光、机、电系统技术的迅速发展，传感器功能将得到进一步增强和完善，性能进一步提高，更加灵敏、可靠。
目前，常见的手持便携式气体测试仪分为单气体和多气体，多气体又分为双气体，四气体和6气体。其中单气体测试仪可以配置上述传感器的任何一种。多气体测试仪在配置传感器时受到一定的局限性，需要考虑传感器的兼容性，避免因传感器的交叉干扰影响测试仪的使用效果。一般情况下，多气体测试仪不配置测量目标气体性质相近的传感器，例如，不能配置一个测量甲烷泄露的MOS传感器和一个测量氢气的催化燃烧传感器。另外，便携式多气体测试仪采用电池供电，配置传感器时必须考虑传感器的功耗，目前技术下除电化学传感器功耗比较小外，其他类型传感器功耗相对较大，因此，一个便携式多气体测试仪上配置两个以下高功耗传感器。随着传感器技术的进步，特别是MEMS技术出现以后，使得传感器功耗会越来越低，选择性会越来越好，配置传感器时的局限性也会越来越低。便携式气体测试仪的性能也会越来越好，可以广泛应用到更多
领域。
参考文献
[1]SOLDANO C，MAHMOOD1 A，DUJARDIN E.Production，properties and potential of graphene [J].Carbon，2010，48（8）：2127-2150.
[2]王雪文，张志勇.传感器原理及应用[M].北京航空航天大学出版社，2004.
[3]徐科军，马修水，李晓林，等.传感器与检测技术[M].北京：电子工业出版社，2009：155-156.
[4]Gary w，Hunter R，Stetter w，等.智能传感器系统[J].化学传感器，2012，01（02）：79-81.
[5]孙友文，刘文清，汪世美，等.NDIR多组分气体分析的干扰修正方法研究[J].光谱学与光谱分析，2011，31（10）：2719-2724.
[6]MAO S，CUI S，Lu G，et al. Tuning gas - sensing properties of reduced graphene oxide using tin oxide nanocrys-tals[J].J Mater Chem，2012，22 ：11009-11013.
[7]张根生.红外线气体分析仪测量原理、误差分析及故障处理[C].第三届中国在线分析仪器应用及发展国际论坛暨展览会论文，2010：172-181.
[8]MASSERA E，FERRARAV L，MIGIE TrA M，et a1.Gas sensors based on grapheme[J].C hemistry Today，2011（29）：39-41.
关键词 便携式气体测试仪；传感器技术；操作原理
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）15-0017-02
近年来，手持便携式气体测试仪由于其重量轻，体积小，功耗低，便于携带，可随时随地对气体进行检测等优点已被广泛应用于各个行业领域。传感器是便携式气体测试仪的核心部件，它的精度、可靠性、响应和恢复时间、抗干扰能力等性能直接决定了气体测试仪的使用范围[1]。本文简要介绍了基于便携式气体测试仪的6种不同传感器技术、操作原理以及其使用的局限性，并对每类传感器技术存在的问题及今后发展趋势进行了探讨。
1 基于便携式气体测试仪的6种不同传感器
通常情况下，一个便携式气体测试仪，制造商通常配置1～6个不同的传感器。不同的传感器由于操作原理不同，导致了其可以检测的对象及适用的环境存在差距。在实际应用中，需要根据检测的环境，浓度，功耗、成本等具体要求进行选择。
1.1 光离子探测器
自20世纪60年代开始，PID技术已经被工业卫生专家，安全和环保专业人士，以及其他领域的人士用来评估工作场所的气体危害因素。PID技术是使用一种包含单一气体元素的紫外灯，一旦有气体存在，经紫外光照射，气体被电离，成为带正电的离子，并在负电极检测出电流，由于电流的大小与被检测带电粒子的浓度成正比，通过处理经过电子电路的电流，就可以显示气体的浓度值[2]。然而，并不是所有的气体都能被电离，每中气体都有其自身的电离能，只有当气体的电离能小于灯发出的能量，化合物才能被电离，反之，则无法检测。由于高电子势能的紫外灯成本高且现场使用寿命短，大多数制造商通常使用9.6至10.6 电子伏特（ev）电离能的紫外灯，并没有检测紫外灯的能量是否大于被测试的气体。而一氧化碳（14.1ev），氰化氢（13.91ev），二氯甲烷（11.35ev），二甲苯（11.4ev），乙烷（11.65ev）等电离能比较高的气体，用一般低紫外灯根本检测不到。传感器的平均寿命为1-3年，更换成本为$ 200.00～$ 900.00。
1.2 固态金属氧化物半导体（MOS）或者宽范围的碳氢化合物（BRH）
自20世纪60年代，MOS传感器已被用来评估工作场所的气体危害因素。它是由铁﹑锌和锡等金属氧化物的混合物组成，一旦检测气体或者蒸气分子进入传感器表面与其接触，导电率迅速增长，从而实现对气体的检测[3]。使用这种传感器的仪器可以在高温下操作，利用不同类型的MOS传感器，探测器可以探测到浓度在PPM（万分之一）的各种各样的气体和蒸气，甚至被用来探测气体的可燃范围。但是这种传感器不具有对许多单一气体或蒸汽的高度选择性。传感器的平均寿命是3-5年，更换成本在$100以下。
1.3 电化学传感器（有毒气体）
自1970年以来，电化学传感器已被广泛应用于有限空间使用的便携式气体检测仪器[4]。该传感器利用电化学原理，在传感器工作电极的表面发生氧化/还原反应，产生的电流与被测气体的浓度成正比，通过测量电流的大小来确定气体的浓度。电化学传感器可以用来检测一氧化碳，硫化氢，二氧化硫，氨气等30多种有毒气体，广泛应用于测量范围不广的特定物质。这种传感器的优点是它能够在低电量的情况下产生信号和相对较高的特异性信号，主要限制性是在有限空间中未知有毒气体、可燃气体的不可测量性及气体的交叉干扰。传感器的平均寿命是1-3年，更换成本在$145～$300。
1.4 催化燃烧，慧通斯电桥，Pellistor传感器等
自1940年起，该传感器就已经广泛应用于矿山，工业领域。该传感器包括了一对缠绕的铂丝，其中一个铂丝涂有一层催化剂，使气体分子在传感器表面燃烧，从而使传感器的温度升高。温度传感器温度的变化使铂丝“慧通斯”电桥抵抗不平衡，从而产生了一个与气体或蒸汽浓度成比例的信号。这些传感器最初是用来检测100PPM～1000PPM范围的可燃气体和蒸汽，其特点是反应非常快，限制性是对于非甲烷易燃气体需要一个“修正系数”，且使用5次修正系数后的实际气体浓度是可燃气体浓度的50%-70%[5]。一些腐蚀性气体，能够使传感器催化剂的活性降低，从而使传感器和待测气体不发生反应。传感器的平均寿命是1-2年，更换成本在$175～$285。
1.5 电化学氧气传感器
自1970年初，分压式氧气传感器应用于大气检测。该传感器受天气情况和高度的影响很大[6]。市科技在20世纪70年代末引进的“毛细管扩散势垒”氧气传感器，解决了压力对传感器的影响。优点是没有任何已知的交叉干扰影响，限制性是高湿度的空气（100华氏度/99.9%RH）中，水蒸汽浓度的升高使得氧气浓度降低，将导致氧气浓度读数只有19.5%的体积比。目前，氧气传感器的现场使用寿命长达2年。
1.6 非色散红外传感器（NDIR）
1970年非色散红外传感器首次被认可应用在检测某些车辆尾气排放的装置中，现已经与许多小型化，低功耗的设备装置技术一起应用在手持便携式气体探测器上。该传感器的原理是当一束某种波长的红外光束与气体分子键发生共鸣时，红外光能量被分子吸收，少量光线穿过待测气体到达探测元件[7]。这些能量的损失转化为板上电子数的变化进而显示出气体的浓度。NDIR基本探测能可靠探测几百PPM的二氧化碳且能探测多数浓度在最低爆炸范围以下的碳氢化合物。由于NDIR技术探测甲烷气体不像接触反应燃烧探测器那样需要氧气，所以探测装置已被用于垃圾填埋场的气体分析仪器[8]。然而，气体的种类必须是指定的，必须选取适当的红外线频率方可探测气体或蒸发态分子。另外，甲烷NDIR探测器对碳原子数为1到3的碳氢化合物有良好的响应，但是对二氧化碳和氢并无响应。当使用这种探测器时发生电源泄露是很重大的。该传感器的使用寿命比电化学传感器要长得多，价格比较贵。 2 结论
综上所述的多种传感器技术中，只有NDIR，氧气，电化学毒气传感器对特定的气体有特定的反应。PID、MOS和热线/接触反应原件是非特异性的，因此对许多其他化合物有灵敏反应。目前，新型生物传感器和化学传感器的研究和开发已成为重点和热点。随着纳米技术、智能材料、光导、光纤、超导等新技术的应用和集成微光、机、电系统技术的迅速发展，传感器功能将得到进一步增强和完善，性能进一步提高，更加灵敏、可靠。
目前，常见的手持便携式气体测试仪分为单气体和多气体，多气体又分为双气体，四气体和6气体。其中单气体测试仪可以配置上述传感器的任何一种。多气体测试仪在配置传感器时受到一定的局限性，需要考虑传感器的兼容性，避免因传感器的交叉干扰影响测试仪的使用效果。一般情况下，多气体测试仪不配置测量目标气体性质相近的传感器，例如，不能配置一个测量甲烷泄露的MOS传感器和一个测量氢气的催化燃烧传感器。另外，便携式多气体测试仪采用电池供电，配置传感器时必须考虑传感器的功耗，目前技术下除电化学传感器功耗比较小外，其他类型传感器功耗相对较大，因此，一个便携式多气体测试仪上配置两个以下高功耗传感器。随着传感器技术的进步，特别是MEMS技术出现以后，使得传感器功耗会越来越低，选择性会越来越好，配置传感器时的局限性也会越来越低。便携式气体测试仪的性能也会越来越好，可以广泛应用到更多
领域。
参考文献
[1]SOLDANO C，MAHMOOD1 A，DUJARDIN E.Production，properties and potential of graphene [J].Carbon，2010，48（8）：2127-2150.
[2]王雪文，张志勇.传感器原理及应用[M].北京航空航天大学出版社，2004.
[3]徐科军，马修水，李晓林，等.传感器与检测技术[M].北京：电子工业出版社，2009：155-156.
[4]Gary w，Hunter R，Stetter w，等.智能传感器系统[J].化学传感器，2012，01（02）：79-81.
[5]孙友文，刘文清，汪世美，等.NDIR多组分气体分析的干扰修正方法研究[J].光谱学与光谱分析，2011，31（10）：2719-2724.
[6]MAO S，CUI S，Lu G，et al. Tuning gas - sensing properties of reduced graphene oxide using tin oxide nanocrys-tals[J].J Mater Chem，2012，22 ：11009-11013.
[7]张根生.红外线气体分析仪测量原理、误差分析及故障处理[C].第三届中国在线分析仪器应用及发展国际论坛暨展览会论文，2010：172-181.
[8]MASSERA E，FERRARAV L，MIGIE TrA M，et a1.Gas sensors based on grapheme[J].C hemistry Today，2011（29）：39-41.