简述气体传感器在监测石化区空气污染中的应用

黎 冰

（惠州大亚湾经济技术开发区环境监测站，广东 惠州 516086）

引言

研发气体传感器的目的是监测大气中是否含有有害物质，在经济水平持续提高的背景下，人们对生存环境和居住环境的空气质量提出了更高的要求，这使得空气污染物监测设备必须更加精准且高效。

1 气体传感器的作用和意义

近年来，我国工业发展速度不断加快，国内大气环境受到了严重污染，空气质量大大降低，特别是在人口集聚的地区，居民对空气质量提出了更加严格的要求，期望可以随时了解周围的空气质量状况。因此，将气体传感器应用于对空气污染物的监测是非常必要的。气体传感器能够把周围空气中含有的有害物质与其数量以数字形式清楚地显示出来。如果气体传感器能够逐渐轻便化，如把气体传感器植入手机里，那么人们就能随时了解自身周围的空气质量状况。

2 气体传感器的特点

2.1 稳定性

气体传感器是一种化学传感器，基于本质而言，气体传感器是指把某类气体体积分数转换为响应电信号的一类转换器。探测头利用气体传感器，围绕气体样品展开处理，一般涵盖了滤除杂质与干扰气体、干燥或制冷处理、样品抽吸等多个步骤，从而为化学传感器的检测带来方便。

大气传感器具有稳定性这一特点，重点体现在传感器在运行期间几乎都会保持较为稳定的状态，而传感器的稳定性直接受到其自身的零点漂移与区间漂移的影响。零点漂移主要是指在无目标这一情况下，测试过程中气体传感器的输出影响变化；区间漂移是指气体传感器在连续出现目标气体中输出信号降低。当传感器不间断运行时，零点漂移的稳定性通常不超过9%，比如在试验中，让气体传感器处于有害气体浓度为0.4%～0.7%的环境中，保证其不间断运行12小时，接着依次测量气体零点显示值，放在空气中大概十小时，再测定有害气体的零点显示值，这样就能够测定其稳定性状况。

2.2 选择特性

选择性也叫交叉灵敏度，气体传感器的选择性强弱一般可以通过对某种浓度干扰气体形成的传感器反应来确定。在对不同气体进行追踪监测的过程中，这一特性极其重要，由于选择特性会使检测的重复性与可靠性在一定程度上下降，所以，理想状态的传感器在选择性与灵敏性方面必须要非常优异。

丁烷是利用频率较高的一种液体燃料，如果其被不合理利用，则容易引起难以想象的事故。将Si、Au添加到SnO2气敏 材料里，能够获取选择性较好的丁烷元件。依照有关实验可知，当加热功率处于0.5瓦的条件下，该元件对丁烷未体现出一定的选择性；但在0.6瓦与0.8瓦的条件下，则表现出较为不错的选择性，此时，无论是CO，还是SO2等气体均未给检测工作带来任何影响。

2.3 抗腐蚀性

气体传感器具有抗腐蚀性的特点，但传感器的监测探头会因有害气体而遭到腐蚀，因此，气体传感器在遇到这种情况时，必须保证自身监测误差最小化。如果有很多气体泄漏出来，传感器探头能够承受的气体体积分数在10～20倍之间，这就要求在正常运行条件下，传感器的漂移校正值应当尽量降低。传统传感器的制造材料主要包括三种，即SnO、SnO2、Fe2O3，以这些材料制造而成的器材往往不具有较好的抗腐蚀性，但很多新材料陆续涌现，如复合金属等，这些材料具有较为优异的抗腐蚀性。

3 气体传感器的分类

气体传感器依照各项检测标准能够划分为多个类型，依照被测气体的类型，可以划分为可燃气体传感器、有毒气体传感器以及有害气体传感器等；依照气体传感器的仪表运用方法，可以划分为两大类，即便携式传感器和固定式传感器；此外，依照气体样品的采集手段，可划分为扩散式传感器和吸入式传感器。同时，还可以根据传感器的检测原理来展开具体的分类，如热学式传感器、电化学式传感器、半导体气体传感器等。

目前，使用频率较高的传感器有两种，一种是热学式传感器，另一种是半导体式气体传感器，其中后者通常被应用于浓度较大的可燃性气体或PPM等级较大的有毒有害气体的检测过程中。这种传感器具有灵敏度强、反应迅速等优点，也存在一些不足之处，如可测范围不大、极易遭到环境因素干扰等。目前，在化工区的污染气体检测中常用的传感器主要是电化学式传感器，这种传感器极易受到影响，尤其是气温的改变会给其检测精度带来较为明显的影响，但因为这种传感器本身较为灵敏且稳定，故而在硫酸、锅炉燃烧等气体的检测过程中得到了大量运用[1]。

4 气体传感器检测系统的构成及采样方式

4.1 气体传感器检测系统的构成

传感器检测系统的概念是随着传感器技术不断发展而形成的，检测系统就是传感器和检测仪表、转换装置等部分的有机结合。在实际中，必须把传感器和多部检测仪表相互组合在一起，形成整体，这样才可以保证信号检测的顺利实施。在空气污染检测系统中，气体传感器的运用主要是对目标区域中的数据进行采集获取，并利用串口完成通讯，而后再传输至单片机中展开信号处理。检测系统一般包括多个部分，如模与数的转换、通信模块以及报警模块等，在多种模块中，通信模块与报警模块都属于非常关键的功能模块，是系统不可或缺的关键构成部分[2]。

4.2 气体采样方式

气体检测系统的关键是气体传感器，通常情况下，传感器设置在探头中。基于本质而言，气体传感器是指将某类污染气体的体积数据转换为电信号的设备，探测头能够依靠气体传感器，围绕气体样品展开调整与处理，通常包括干扰气体与滤除杂质、样品抽吸等多个过程，从而大大提升传感器的检测效率。

采集气体的方式会对气体传感器的响应时长带来较大影响。目前，采集气体的方式主要有两种，一种是扩散法，另一种是吸入法。气体本身存在往周围扩散的性质，而扩散法便充分运用该性质，当目标气体经过探头中的传感器时，会生成一种与气体体积分数对应的信号。因为整个扩散速度会不断缓慢下来，所以扩散法便必须把探头位置与检测点相互间的距离尽量缩短。扩散法的优点是可以将气体样品直接放进传感器内而不必进行物化的变换。

吸入式的探头在正常情况下应当安装设置在排气管道或与采样位置靠近的仪器上。该方法可以为传感器提供合理的速度，使气流获得平稳把控，所以在气流的速率与数量改变的情况下，该方法是特别适用的。将检测点气体的样品放进探头中，而这个过程通常存在一定的距离，距离大小是根据传感器确定的，如果采样线太长则会使检测滞后的时长增加。对于某类目标气体而言，大部分的气体与生物溶剂等的样本量可能会由于吸附性的存在而凝结于采样管壁上，进而导致样本量不足。由于锅炉排放到外面的烟气里含有很多有毒有害气体，所以适合采取扩散法来展开样本采集，而对于二氧化硫这类气体的采集，更加适合采取的方法显然是吸入式采样法。

5 气体传感器的主要类型及其应用

以检测气体的类型来划分，可将气体传感器划分为可燃气体传感器和有毒气体传感器。其中，在可燃气体传感器中，使用频率较大的有热导、红外、半导体式及催化燃烧式；而在有毒气体传感器中，常用的有金属半导体、火焰离子化式及电化学传感器等。

5.1 半导体传感器

半导体传感器主要组成材料为金属半导体氧化物，它利用与目标气体相互作用时，表面产生的吸附作用或反应作用，引起伏安特性、表面电位或电导率的变化。其不仅能够用于测定可燃性气体，也能用于有毒有害气体的测量。比如二氧化硅材料制作的半导体传感器，在正常大气环境下，其电导率特别小，但遇到还原性气体，则会使电导率明显上升。

半导体传感器也有一定缺点，如解释读数难度较大等，这是由于湿度会给其带来较为明显的干扰。随着湿度提高，传感器的输出及电导率都会相应提升；湿度下降，则其输出与电导率会相应下降。湿度非常低的极端环境条件，可能会导致传感器无法正常发挥响应功能。

5.2 电化学传感器

一般来说，电化学传感器主要由以下部分构成：能渗入气体却无法渗入液体的隔膜、工作电极、酸性电解液槽、参比电极等。大多数情况下，有害气体的检测均存在一定的电化学特性，可以在电化学的作用下引起还原或氧化反应。依照相关反应，工作人员可以对气体的组成进行判断，并测定气体的浓度。总之，电化学传感器在环境监测中已经得到了广泛应用。

5.3 催化燃烧传感器

在可燃气体的检测过程中，往往会使用催化燃烧传感器，它就像是一个比较小的热量计。该传感器的核心构件是带有催化剂的惠斯通电桥。在催化剂的作用下，目标气体无焰燃烧，所生成的温度高低和目标气体浓度之间呈现正比相关性，温度会给电桥里的温感电阻大小带来影响，接着围绕惠斯通电桥的测量桥与参比桥展开具体的检测，便能够获取目标气体的浓度大小。

气体传感器在含硫氧化物等有害气体的监测中起到了不可忽视的作用。目前，锅炉排气筒废气检测所采取的便是该类电传感器，其测量速度最大为15 mg/m3，完全符合国内二氧化硫的排放规定。而含硫的氧化物会导致酸雨的出现，不过含硫氧化物在空气中的浓度往往相对较低，因而必须要使用灵敏性更为优异的气体传感器来进行检测。例如，针对有毒有害气体的检测传感器采用表面声波设备，可以明显加强检测的灵敏性，不过这种方式会进一步增加检测工作的成本；而将纳米颗粒技术融合到气体传感器中，能够有效扩大反应面积，进而明显加快检测效率。相较于普通的传感器，这种传感器在运行期间的温度会明显降低，有利于防止能源的不必要损耗[3]。

6 气体传感器的发展趋势

大气环境中的有毒物质，不仅在工业原料中存在，在工业制造的每个流程中也存在，如果有害气体扩散到人们的居住区域，会给周围民众的健康带来难以想象的危害。因此，在石油化工厂生产制造的整个过程中，相关单位均应重视采用气体传感器来对周围气体展开实时动态监测。

6.1 气敏材料的优化改进

气敏材料的研究进展明显推动了气体传感器的发展，换言之，气敏材料的研究成果是支撑起气体传感器技术发展与创新的重要基础。近几年来，有关气敏材料的研究越来越丰富，其中关于半导体、高分子材料的研究尤为丰富，且收获了很大成果。对半导体气敏元件的探究及其核心技术指标的改进，一般通过融合可优化气体传感器灵敏度与响应时间参数来达成。工艺水平的优化也给气体传感器多项性能指标的改进带来了可能。目前，引入了催化技术的CH4传感器、半导体PN型气体传感器，明显优化了传感器技术的所有指标。现在来看，压电晶体、光纤材料在气体传感器的生产制造中已得到了广泛运用。

6.2 气体传感器结构智能化

随着半导体技术的不断创新与发展，气体传感器的结构也逐步趋向于多元件、多功能化，如多种传感器和信号采集、处理电路的有效组合，使其能够通过小体积芯片完成封装。另外，在计算机技术水平不断提升的背景下，智能气体传感器也具有很多新的功能，如分辨气体类型、浓度等功能。

机器嗅觉技术在气体传感器中也得到了有效运用，机器嗅觉是依靠不同气体测量单元的相互组合来实现的，可以针对气体成分进行准确测定。机器嗅觉技术诞生于20世纪60年代，而在80年代，美国首次把不同气体传感器构合在一起，组成一个阵列，有效检测出了气体的类型与成分，自此机器嗅觉技术进入快速发展阶段，不少综合性气体传感器在越来越多的领域中得到了有效运用。

截止目前，美、德等发达国家均自主研究、开发出机器嗅觉产品，美国IST公司研发的多参数气体检测装置，目前已实现只依靠一部设备测量出大约100种气体组分。根据相关资料，国内的机器嗅觉技术还在试验发展阶段。

6.3 新型传感器工艺

近年来，在微电子、微机械的迅猛发展过程中，MEMS技术获得了不少研究成果，而关于新型微结构气体传感器的探究还较为浅显，研究人员目前着重围绕硅基微结构气体传感器进行探究。

硅基微结构气体传感器的衬底由硅材料制作而成，而敏感层则采用非硅材料制成，主要包括金属氧化物半导体等。MEMS技术主要是把传感器和集成电路相互组合在一起，使其变得更加轻便，并提升其检测精度、降低功耗量。特别是生产制造能够彻底自动化，明显加快生产速度，有效减少生产成本。MEMS是传感器工艺技术今后发展的一个重要方向，大部分传感器均可以依靠MEMS技术制成，而近年来纳米技术的迅速发展也为气体传感器的优化与创新带来有力的技术支撑，为气体传感器的发展创设了更大的空间[4]。

7 结语

综上，气体传感器在气体监测系统中占据着重要位置，是不可或缺的重要组成部分，基于本质而言，气体传感器是把监测获得的气体成分转换为与之对照的电信号的一种设备。气体传感器具有多种多样的类型，因而对于各类气体的监测必须选择合适的传感器。在对石油化工空气污染物进行监测的过程中，使用频率较高的气体传感器有两种，一种是电化学式传感器，另一种是半导体式传感器。我们必须将气体传感器合理、有效地运用于对石化区空气污染物的监测中，防止有毒有害气体浓度超标而引发危险情况。