常见气体传感器的类型和工作原理

文章来源：芯学知

原文作者：芯启未来

本文简单介绍了10种常见的气体感知方式。

在万物互联的社会，气体感知技术已成为各领域发展的 “隐形卫士”。消费场景中，守护家居空气质量；汽车领域，助力尾气优化与安全监测；工业生产时，保障流程稳定、预防灾害；医疗场景下，精准检测呼吸气体辅助诊断；环境监测中，实时捕捉污染物守护生态。从日常生活到宏观生产，气体感知技术以敏锐 “嗅觉”，推动各行业向智能化、安全化迈进。下面介绍10种常见的气体感知方式。

PID光离子化气体传感器

PID（Photoionization Detector，光离子化检测器）的核心原理是利用紫外光（UV）照射气体分子，使其电离并产生可检测的电流信号。PID传感器的典型结构由紫外光源（UV灯）、电离室、电极系统、采样系统和信号处理电路组成。PID适用于检测电离能低于紫外光能量的挥发性气体和蒸气，主要为挥发性有机化合物（VOCs）、氨气（NH₃）、硫化氢（H₂S）、氰化氢（HCN）、磷化氢（PH₃）等。PID在工业安全，化工泄漏、加油站油气挥发监测以及应急响应，危险化学品事故现场气体检测发挥重要作用。

图1PID气体传感器原理

热导式气体传感器

利用不同气体热导率差异，传感器由检测元件（如铂丝）和参比元件组成惠斯通电桥。当目标气体进入检测气室时，其热导率与空气不同，导致检测元件温度变化，电桥失衡，输出与气体浓度成正比的电压信号。可实现检测高浓度H₂、CO₂，或混合气体中某一组分（如天然气中的CH₄）。

图2 热导式气体传感器及电路示意图

非色散红外（NDIR）气体传感器

基于气体对特定红外波长的选择性吸收（如CO₂在4.26μm处的吸收峰）。传感器由红外光源、滤光片、气室和探测器组成。目标气体吸收特定波长的红外光，探测器接收到的光强减弱，通过朗伯-比尔定律计算气体浓度。可检测CO₂、CO、CH₄等温室气体或有毒气体。

图3NDIR传感器结构和光路

光纤气体传感器

光和气体在纤芯内部或表面附近相互作用，改变了光的强度和相位，产生热量、声波或新的光波长等，通过探测这些变化可以得到气体的种类和含量。对于在工作波段吸收较强的气体，可以直接探测其光谱损耗或色散，或者可基于光热、光声效应测量气体吸收泵浦光后引起的探测光的相位变化。对于吸收较弱或没有吸收但具有拉曼活性的气体，可以探测其拉曼光谱、受激拉曼增益或色散。传感光纤可以是空芯光子带隙光纤、空芯反谐振光纤或微纳芯光纤。

图4 光纤气体传感器物理过程和光纤

声表面波（SAW）气体传感器

在压电基片（如石英、LiNbO₃）上制作叉指换能器（IDT），激发声表面波。基片表面涂覆敏感膜（如聚合物或金属氧化物），当目标气体吸附时，膜层质量或电导率变化，导致声表面波传播速度或频率偏移，通过测量频率变化检测气体浓度。 典型应用在检测VOCs、NH₃、H₂S等低浓度气体。

图5SAW气体传感器结构示意图

光声光谱（PAS）气体传感器

气体吸收特定波长激光后，分子通过非辐射跃迁释放热量，引起局部气体膨胀产生声波。高灵敏度麦克风检测声波信号，声强与气体浓度成正比。PAS传感器主要由光源、光声池、探测器、信号处理电路等部分构成，光声池是光声信号产生的场所，通常为一个封闭的腔体，内部充满待测气体。光声池的设计和结构会影响光声信号的强度和质量，如腔体的形状、尺寸、材料等。典型应用为痕量气体检测（如CO、CO2和CH₄）、工业过程监测。

图6 光声光谱气体传感器结构和原理

激光式气体传感器

激光式气体传感器分为可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）和光腔衰荡光谱（CRDS）。TDLAS基于朗伯-比尔定律，使用半导体激光器扫描目标气体的特征吸收峰（如CH₄在1.65μm处），通过测量激光强度衰减计算浓度，具有高分辨率和抗干扰能力。CRDS激光在高反射率光学腔（反射率> 99.99%）内多次反射，气体吸收导致光强呈指数衰减，通过测量衰荡时间（光强衰减至初始值的1/e所需时间）测定气体浓度，灵敏度可达ppb级。

图7 可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）原理及结构

图8 光腔衰荡光谱（CRDS）光学腔结构

金属氧化物式气体传感器

基于金属氧化物半导体（如SnO₂、ZnO）表面的氧化还原反应。当目标气体（如还原性气体CO、H₂）吸附到加热的金属氧化物表面时，发生电子转移，导致材料电导率变化。例如，SnO₂在高温下吸附CO后，CO被氧化为CO₂，释放电子，使n型半导体电导率增加。 典型应用为检测CO、CH₄、酒精、甲醛等可燃或有毒气体。

图9 金属氧化物气体传感器结构

催化燃烧式气体传感器

可燃气体在催化剂（如铂、钯）表面催化燃烧，释放热量使温度传感器（如铂电阻）电阻值升高。通过测量电阻变化检测气体浓度。传感器通常采用惠斯通电桥结构，参比元件用于温度补偿。典型应用为检测甲烷、丙烷、氢气等可燃气体，广泛用于工业安全和燃气泄漏监测。

图10 催化燃烧传感器结构

电化学式气体传感器

常用的电化学式气体传感器主要是恒定电位电解型气体传感器和原电池型气体传感器。恒定电位电解池型原理为通过施加恒定电压驱动气体在电极上反应（如CO在工作电极氧化），产生的电流与气体浓度成正比，适用于检测还原性气体（如CO、H₂S）。原电池型原理是气体在电极上发生自发氧化还原反应，产生与浓度成正比的电流。例如，氧气传感器中，O₂在阴极还原，铅在阳极氧化，电流大小直接反映O₂浓度。典型应用为检测O₂、Cl₂、SO₂等氧化性气体。

图11 电化学气体传感器示意图

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