文章來源：芯學(xué)知

原文作者：芯啟未來

本文簡單介紹了10種常見的氣體感知方式。

在萬物互聯(lián)的社會，氣體感知技術(shù)已成為各領(lǐng)域發(fā)展的 “隱形衛(wèi)士”。消費(fèi)場景中，守護(hù)家居空氣質(zhì)量；汽車領(lǐng)域，助力尾氣優(yōu)化與安全監(jiān)測；工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，保障流程穩(wěn)定、預(yù)防災(zāi)害；醫(yī)療場景下，精準(zhǔn)檢測呼吸氣體輔助診斷；環(huán)境監(jiān)測中，實(shí)時(shí)捕捉污染物守護(hù)生態(tài)。從日常生活到宏觀生產(chǎn)，氣體感知技術(shù)以敏銳 “嗅覺”，推動各行業(yè)向智能化、安全化邁進(jìn)。下面介紹10種常見的氣體感知方式。

PID光離子化氣體傳感器

PID（Photoionization Detector，光離子化檢測器）的核心原理是利用紫外光（UV）照射氣體分子，使其電離并產(chǎn)生可檢測的電流信號。PID傳感器的典型結(jié)構(gòu)由紫外光源（UV燈）、電離室、電極系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)和信號處理電路組成。PID適用于檢測電離能低于紫外光能量的揮發(fā)性氣體和蒸氣，主要為揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）、氨氣（NH?）、硫化氫（H?S）、氰化氫（HCN）、磷化氫（PH?）等。PID在工業(yè)安全，化工泄漏、加油站油氣揮發(fā)監(jiān)測以及應(yīng)急響應(yīng)，危險(xiǎn)化學(xué)品事故現(xiàn)場氣體檢測發(fā)揮重要作用。

圖1PID氣體傳感器原理

熱導(dǎo)式氣體傳感器

利用不同氣體熱導(dǎo)率差異，傳感器由檢測元件（如鉑絲）和參比元件組成惠斯通電橋。當(dāng)目標(biāo)氣體進(jìn)入檢測氣室時(shí)，其熱導(dǎo)率與空氣不同，導(dǎo)致檢測元件溫度變化，電橋失衡，輸出與氣體濃度成正比的電壓信號?？蓪?shí)現(xiàn)檢測高濃度H?、CO?，或混合氣體中某一組分（如天然氣中的CH?）。

圖2 熱導(dǎo)式氣體傳感器及電路示意圖

非色散紅外（NDIR）氣體傳感器

基于氣體對特定紅外波長的選擇性吸收（如CO?在4.26μm處的吸收峰）。傳感器由紅外光源、濾光片、氣室和探測器組成。目標(biāo)氣體吸收特定波長的紅外光，探測器接收到的光強(qiáng)減弱，通過朗伯-比爾定律計(jì)算氣體濃度。可檢測CO?、CO、CH?等溫室氣體或有毒氣體。

圖3NDIR傳感器結(jié)構(gòu)和光路

光纖氣體傳感器

光和氣體在纖芯內(nèi)部或表面附近相互作用，改變了光的強(qiáng)度和相位，產(chǎn)生熱量、聲波或新的光波長等，通過探測這些變化可以得到氣體的種類和含量。對于在工作波段吸收較強(qiáng)的氣體，可以直接探測其光譜損耗或色散，或者可基于光熱、光聲效應(yīng)測量氣體吸收泵浦光后引起的探測光的相位變化。對于吸收較弱或沒有吸收但具有拉曼活性的氣體，可以探測其拉曼光譜、受激拉曼增益或色散。傳感光纖可以是空芯光子帶隙光纖、空芯反諧振光纖或微納芯光纖。

圖4 光纖氣體傳感器物理過程和光纖

聲表面波（SAW）氣體傳感器

在壓電基片（如石英、LiNbO?）上制作叉指換能器（IDT），激發(fā)聲表面波。基片表面涂覆敏感膜（如聚合物或金屬氧化物），當(dāng)目標(biāo)氣體吸附時(shí)，膜層質(zhì)量或電導(dǎo)率變化，導(dǎo)致聲表面波傳播速度或頻率偏移，通過測量頻率變化檢測氣體濃度。 典型應(yīng)用在檢測VOCs、NH?、H?S等低濃度氣體。

圖5SAW氣體傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

光聲光譜（PAS）氣體傳感器

氣體吸收特定波長激光后，分子通過非輻射躍遷釋放熱量，引起局部氣體膨脹產(chǎn)生聲波。高靈敏度麥克風(fēng)檢測聲波信號，聲強(qiáng)與氣體濃度成正比。PAS傳感器主要由光源、光聲池、探測器、信號處理電路等部分構(gòu)成，光聲池是光聲信號產(chǎn)生的場所，通常為一個(gè)封閉的腔體，內(nèi)部充滿待測氣體。光聲池的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)會影響光聲信號的強(qiáng)度和質(zhì)量，如腔體的形狀、尺寸、材料等。典型應(yīng)用為痕量氣體檢測（如CO、CO2和CH?）、工業(yè)過程監(jiān)測。

圖6 光聲光譜氣體傳感器結(jié)構(gòu)和原理

激光式氣體傳感器

激光式氣體傳感器分為可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）和光腔衰蕩光譜（CRDS）。TDLAS基于朗伯-比爾定律，使用半導(dǎo)體激光器掃描目標(biāo)氣體的特征吸收峰（如CH?在1.65μm處），通過測量激光強(qiáng)度衰減計(jì)算濃度，具有高分辨率和抗干擾能力。CRDS激光在高反射率光學(xué)腔（反射率> 99.99%）內(nèi)多次反射，氣體吸收導(dǎo)致光強(qiáng)呈指數(shù)衰減，通過測量衰蕩時(shí)間（光強(qiáng)衰減至初始值的1/e所需時(shí)間）測定氣體濃度，靈敏度可達(dá)ppb級。

圖7 可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）原理及結(jié)構(gòu)

圖8 光腔衰蕩光譜（CRDS）光學(xué)腔結(jié)構(gòu)

金屬氧化物式氣體傳感器

基于金屬氧化物半導(dǎo)體（如SnO?、ZnO）表面的氧化還原反應(yīng)。當(dāng)目標(biāo)氣體（如還原性氣體CO、H?）吸附到加熱的金屬氧化物表面時(shí)，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致材料電導(dǎo)率變化。例如，SnO?在高溫下吸附CO后，CO被氧化為CO?，釋放電子，使n型半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。 典型應(yīng)用為檢測CO、CH?、酒精、甲醛等可燃或有毒氣體。

圖9 金屬氧化物氣體傳感器結(jié)構(gòu)

催化燃燒式氣體傳感器

可燃?xì)怏w在催化劑（如鉑、鈀）表面催化燃燒，釋放熱量使溫度傳感器（如鉑電阻）電阻值升高。通過測量電阻變化檢測氣體濃度。傳感器通常采用惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，參比元件用于溫度補(bǔ)償。典型應(yīng)用為檢測甲烷、丙烷、氫氣等可燃?xì)怏w，廣泛用于工業(yè)安全和燃?xì)庑孤┍O(jiān)測。

圖10 催化燃燒傳感器結(jié)構(gòu)

電化學(xué)式氣體傳感器

常用的電化學(xué)式氣體傳感器主要是恒定電位電解型氣體傳感器和原電池型氣體傳感器。恒定電位電解池型原理為通過施加恒定電壓驅(qū)動氣體在電極上反應(yīng)（如CO在工作電極氧化），產(chǎn)生的電流與氣體濃度成正比，適用于檢測還原性氣體（如CO、H?S）。原電池型原理是氣體在電極上發(fā)生自發(fā)氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與濃度成正比的電流。例如，氧氣傳感器中，O?在陰極還原，鉛在陽極氧化，電流大小直接反映O?濃度。典型應(yīng)用為檢測O?、Cl?、SO?等氧化性氣體。

圖11 電化學(xué)氣體傳感器示意圖

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