氣體傳感器的分類、發展及應用

       隨著石油化學工業(ye) 的發展，易燃、易爆、有毒氣體(ti) 的種類和應用範圍都得到了增加。這些氣體(ti) 在生產(chan) 、運輸、使用過程中一旦發生泄漏，將會(hui) 引發中毒、火災甚至爆炸事故，嚴(yan) 重危害人民的生命和財產(chan) 安全。由於(yu) 氣體(ti) 本身存在的擴散性，發生泄漏之後，在外部風力和內(nei) 部濃度梯度的作用下，氣體(ti) 會(hui) 沿地表麵擴散，在事故現場形成燃燒爆炸或毒害危險區，擴大危害區域。例如，1995年7月，四川省成都市化工總廠液氯車間發生氯氣泄漏，當場造成3人死亡，6人受傷(shang) ，僅(jin) 約一小時左右，市區範圍數十平方公裏範圍內(nei) 都能聞到刺激性的氯氣味。因此，這類事故具有突發性強、擴散迅速、救援難度大、危害範圍廣等特點。一旦發生氣體(ti) 泄漏事故，必須盡快采取相應措施進行處置，才能將事故損失降低到最低水平。及時可靠地探測空氣中某些氣體(ti) 的含量，及時采取有效措施進行補救，采取正確的處置方法，減少泄漏引發的事故，是避免造成重大財產(chan) 和人員傷(shang) 亡的必要條件。這就對氣體(ti) 的檢測和監測設備提出了較高的要求。作為(wei) 一種重要的氣體(ti) 探測器，氣體(ti) 傳(chuan) 感器近年來得到了很大的發展。氣體(ti) 傳(chuan) 感器的發展使得其應用越來越廣泛。本文介紹了氣體(ti) 傳(chuan) 感器的發展情況及在氣體(ti) 泄漏事故處置中的應用前景。 
1、氣體(ti) 傳(chuan) 感器
    國外從(cong) 30年代開始研究開發氣體(ti) 傳(chuan) 感器。過去氣體(ti) 傳(chuan) 感器主要用於(yu) 煤氣、液化石油氣、天然氣及礦井中的瓦斯氣體(ti) 的檢測與(yu) 報警，目前需要檢測的氣體(ti) 種類由原來的還原性氣體(ti) （H2,C4H10,CH4）等擴展到毒性氣體(ti) （CO,NO2,H2S,NO,NH3,PH3）等。　　
    氣體(ti) 傳(chuan) 感器種類繁多。按所用氣敏材料及氣敏特性不同，可分為(wei) 半導體(ti) 式、固體(ti) 電解質式、電化學式、接觸燃燒式、高分子式等。
    1.1 半導體(ti) 氣體(ti) 傳(chuan) 感器
    這種傳(chuan) 感器主要使用半導體(ti) 氣敏材料。自從(cong) 1962年半導體(ti) 金屬氧化物氣體(ti) 傳(chuan) 感器問世以來，由於(yu) 具有靈敏度高、響應快等優(you) 點，得到了廣泛的應用，目前已成為(wei) 世界上產(chan) 量最大、使用最廣的傳(chuan) 感器之一。按照檢測氣敏特征量方式不同分為(wei) 電阻式和非電阻式兩(liang) 種。
    電阻式半導體(ti) 氣體(ti) 傳(chuan) 感器是通過檢測氣敏元件隨氣體(ti) 含量的變化情況而工作的。主要使用金屬氧化物陶瓷氣敏材料。隨著近年來複合金屬氧化物、混合金屬氧化物等新型材料的研究和開發，大大提高了這種氣體(ti) 傳(chuan) 感器的特性和應用範圍。例如：WO3氣體(ti) 傳(chuan) 感器可檢測NH3的濃度範圍為(wei) 5 ppm～50 ppm,ZnO-CuO氣體(ti) 傳(chuan) 感器對200 ppm的CO非常敏感。
    非電阻式半導體(ti) 氣體(ti) 傳(chuan) 感器是利用氣敏元件的電流或電壓隨氣體(ti) 含量而變化的原理工作的。主要有MOS二極管式和結型二極管式，以及場效應管式氣體(ti) 傳(chuan) 感器。檢測氣體(ti) 大多為(wei) 氫氣、矽烷等可燃氣體(ti) 。
    1.2固體(ti) 電解質氣體(ti) 傳(chuan) 感器
    固體(ti) 電解質氣體(ti) 傳(chuan) 感器使用固體(ti) 電解質氣敏材料做氣敏元件。其原理是氣敏材料在通過氣體(ti) 時產(chan) 生離子，從(cong) 而形成電動勢，測量電動勢從(cong) 而測量氣體(ti) 濃度。由於(yu) 這種傳(chuan) 感器電導率高，靈敏度和選擇性好，得到了廣泛的應用，幾乎打入了石化、環保、礦業(ye) 等各個(ge) 領域，僅(jin) 次於(yu) 金屬氧化物半導體(ti) 氣體(ti) 傳(chuan) 感器。如測量H2S的YST-Au-WO3、測量NH3的NH+4CaCO3等。
1.3接觸燃燒式氣體(ti) 傳(chuan) 感器
    可分為(wei) 直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式兩(liang) 種。其工作原理是：氣敏材料在通電狀態下，可燃性氣體(ti) 氧化燃燒或在催化劑作用下氧化燃燒，產(chan) 生的熱量使電熱絲(si) 升溫，從(cong) 而使其電阻值發生變化，測量電阻變化從(cong) 而測量氣體(ti) 濃度。這種傳(chuan) 感器隻能測量可燃氣體(ti) ，對不燃性氣體(ti) 不敏感。例如，在Pt絲(si) 上塗敷活性催化劑Rh和Pd等製成的傳(chuan) 感器，具有廣譜特性，即可
    檢測各種可燃氣體(ti) 。接觸燃燒式氣體(ti) 傳(chuan) 感器在環境溫度下非常穩定，並能對爆炸下限的絕大多數可燃性氣體(ti) 進行檢測，普遍應用於(yu) 石油化工廠、造船廠、礦井隧道、浴室、廚房等處的可燃性氣體(ti) 的監測和報警

     1.4 高分子氣體(ti) 傳(chuan) 感器
     利用高分子氣敏材料的氣體(ti) 傳(chuan) 感器近年來得到了很大的發展。高分子氣敏材料在遇到特定氣體(ti) 時，其電阻、介電常數、材料表麵聲波傳(chuan) 播速度和頻率、材料重量等物理性能發生變化。主要有酞菁聚合物、LB膜、苯菁基乙炔、聚乙烯醇-磷酸、聚異丁烯、氨基十一烷基矽烷等。高分子氣敏材料由於(yu) 具有易操作性、工藝簡單、常溫選擇性好、價(jia) 格低廉、易與(yu) 微結構傳(chuan) 感器和聲表麵波器件相結合，在毒性氣體(ti) 和食品鮮度等方麵的檢測中具有重要作用。根據所用材料的氣敏特性，這類傳(chuan) 感器可分為(wei) ：通過測量氣敏材料的電阻來測量氣體(ti) 濃度的高分子電阻式氣體(ti) 傳(chuan) 感器；根據氣敏材料吸收氣體(ti) 時形成濃差電池，測量電動勢來確定氣體(ti) 濃度的濃差電池式氣體(ti) 傳(chuan) 感器；根據高分子氣敏材料吸收氣體(ti) 後聲波在材料表麵傳(chuan) 播速度或頻率發生變化的原理製成的聲表麵波氣體(ti) 傳(chuan) 感器；以及根據高分子氣敏材料吸收氣體(ti) 後重量變化而製成的石英振子式氣體(ti) 傳(chuan) 感器等。高分子氣體(ti) 傳(chuan) 感器具有對特定氣體(ti) 分子靈敏度高，選擇性好，且結構簡單，能在常溫下使用，可以補充其它氣體(ti) 傳(chuan) 感器的不足。
2、氣體(ti) 傳(chuan) 感器的發展方向
    目前，國內(nei) 外對新的氣敏材料和氣體(ti) 傳(chuan) 感器的研究非常活躍，其主要研究和發展方向主要集中在以下幾點：
    首先，開發新的氣敏材料。主要措施是在傳(chuan) 統的半導體(ti) 氣敏材料SnO,SnO2,Fe2O3中摻雜一些元素，目前有很多這方麵的研究報道；其次是研製和開發複合型和混合型半導體(ti) 氣敏材料和高分子氣敏材料，使這些材料對不同氣體(ti) 具有高靈敏度、高選擇性、高穩定性。
    另外，開發新的氣體(ti) 傳(chuan) 感器，應用新材料、新工藝和新技術，對氣體(ti) 傳(chuan) 感器的機理做進一步研究，使傳(chuan) 感器更加微型化和多功能化，並具有性能穩定、使用方便、價(jia) 格低廉等特點。
    同時，進一步采用計算機技術實現氣體(ti) 傳(chuan) 感器的智能化。氣體(ti) 傳(chuan) 感器和計算機技術相結合，出現了智能氣體(ti) 傳(chuan) 感器——電子鼻。國內(nei) 外已成功開發了鑒別和檢測食品、香料等的電子鼻。研製開發新型仿生氣體(ti) 傳(chuan) 感器-仿生電子鼻是未來氣體(ti) 傳(chuan) 感器發展的主要方向。
3、氣體(ti) 傳(chuan) 感器在氣體(ti) 泄漏事故處置中的應用
3.1用於(yu) 可燃氣體(ti) 監測報警
    目前，氣敏材料的發展使得氣體(ti) 傳(chuan) 感器的靈敏度高、性能穩定、結構簡單、體(ti) 積小、價(jia) 格便宜，並提高了傳(chuan) 感器的選擇性和敏感性。現有的燃氣報警器，多采用氧化錫加貴金屬催化劑氣敏元件，但選擇性差，並且因催化劑中毒而影響報警的準確性。半導體(ti) 氣敏材料對氣體(ti) 的敏感性與(yu) 溫度有關(guan) 。常溫下敏感度較低，隨著溫度的升高，敏感度增加，在一定溫度下達到峰值。由於(yu) 這些氣敏材料在需要在較高溫度下（一般大於(yu) 100℃）達到敏感度最好，這不僅(jin) 要消耗額外的加熱功率，還會(hui) 引發火災。
    氣體(ti) 傳(chuan) 感器的發展解決(jue) 了這一問題。例如，氧化鐵係氣敏陶瓷所製的氣體(ti) 傳(chuan) 感器，不需要添加貴金屬催化劑就可造成靈敏度高、穩定性好、具有一定選擇性的氣體(ti) 傳(chuan) 感器。降低半導體(ti) 氣敏材料的工作溫度，大大提高它們(men) 在常溫下的靈敏度，使其能在常溫下工作。目前，除了常用的單一金屬氧化物陶瓷外，又開發了一些複合金屬氧化物半導體(ti) 氣敏陶瓷和混合金屬氧化物氣敏陶瓷。
    將氣體(ti) 傳(chuan) 感器安裝在易燃、易爆、有毒有害氣體(ti) 的生產(chan) 、儲(chu) 運、使用等場所中，及時檢測氣體(ti) 含量，及早發現泄漏事故。並將氣體(ti) 傳(chuan) 感器與(yu) 保護係統聯動，使保護係統在氣體(ti) 到達爆炸極限前動作，將事故損失控製在最低。同時，氣體(ti) 傳(chuan) 感器的小型化和價(jia) 格的降低，使之進入家庭成為(wei) 可能。

  3.2 在氣體(ti) 檢測及事故處置中的應用
3.2.1檢測氣體(ti) 種類及特性
    在氣體(ti) 泄漏事故發生後，事故處置將圍繞采樣檢測、確定警戒區域、組織危險區域內(nei) 群眾(zhong) 撤離、搶救中毒人員、堵漏、洗消等方麵展開。進行處置的第一個(ge) 方麵應該是盡量減少泄漏對人員的傷(shang) 害，這就要求了解泄漏氣體(ti) 的毒性。氣體(ti) 的毒性指泄漏使物質能夠擾亂(luan) 人們(men) 機體(ti) 的正常反應，因而降低人在事故中製訂對策和減輕傷(shang) 害的能力。美國消防協會(hui) 將物質的毒性分為(wei) 以下幾類：
    NH=0 火災時除一般可燃物危險外，短期接觸沒有其它危險的物質。
　 NH=1 短期接觸可引起刺激，致人輕微傷(shang) 害的物質。
　 NH=2 高濃度或短期接觸可致人暫時失去能力或殘留傷(shang) 害。
　 NH=3 短期接觸可致人嚴(yan) 重的暫時或殘留傷(shang) 害。
　 NH=4 短暫接觸也能致人死亡或嚴(yan) 重傷(shang) 害。
　 注：以上毒性係數N\-H值隻是用來表示人體(ti) 受害的程度，不能用於(yu) 工業(ye) 衛生和環境的評價(jia) 。
    由於(yu) 有毒氣體(ti) 可通過人的呼吸係統進入人體(ti) 造成傷(shang) 害，在處置有毒氣體(ti) 泄漏事故時的安全防護必須迅速完成。這就要求事故處置人員在到達事故現場後，在最短的時間內(nei) 能夠了解氣體(ti) 的種類、毒性等特性。
    將氣體(ti) 傳(chuan) 感器陣列與(yu) 計算機技術相結合，組成智能氣體(ti) 探測係統，能夠做到迅速準確識別氣體(ti) 種類，從(cong) 而測出氣體(ti) 的毒性。智能氣體(ti) 傳(chuan) 感係統由氣敏陣列、信號處理係統和輸出係統組成。采用多個(ge) 具有不同敏感特性的氣敏元件組成陣列，利用神經網絡模式識別技術對混合氣體(ti) 進行氣體(ti) 識別和濃度監測。同時，將常見有毒、有害、易燃氣體(ti) 的種類、性質、毒性輸入計算機，並根據氣體(ti) 的性質編製事故處置預案輸入計算機。當泄漏事故發生後，智能氣體(ti) 探測係統將按下麵程序工作：
    進入現場→吸附氣體(ti) 樣品→氣敏元件產(chan) 生信號→計算機識別信號→計算機輸出氣體(ti) 種類、性質、毒性及處置方案