有害气体检测传感器技术研究现状及进展

杨希军

(武警第二机动总队某支队，福建 福州 350000)

0 引言

在一些工业领域，会使用含有不同化学成分的气体，或在工作场地有气体溢出。有些气体有毒有害，有些气体甚至易燃易爆。如果因为保存运输不当，这些有毒有害气体被释放在环境中，就会形成环境污染，甚至造成重大事故直接危害社会公众，造成严重的社会问题。因此，为了随时监控环境中有毒有害气体的存在状态，就需要在不同的环境中使用各类传感器来对大气或特定区域的气体进行实时检测[1]。传感器使用的环境条件恶劣，加之传感器自身为具有各类功能的机器、设备，因长期使用形成材质老化、变质等，或在传感器的表面生成附着物影响传感器的功能或降低使用效果。因此，要求气体传感器能够适应恶劣的检测环境，提升使用效率。

1 有害气体传感器概述

1.1 考察检测

有害气体传感器会把空气中含有的有害气体转变成电信号，会对有害气体的含量进行显示及报警，然后通过电子线路对信号进行处理、放大以供检测仪器使用。可以发现，传感器是有害气体的检测报警设备最重要的支撑型部件，其质量对气体检测设备的整体质量及功能的好坏起到决定作用[2]。因此，考察检测在不同的使用条件下经过长期运转的气体传感器，在检测中均要求有害气体传感器(尤其是固定的传感器)设备性能要符合相应的标准规定。

1.2 主要应用

有害气体传感器其应用场景主要有以下类型：

一是泄漏检测。检测设备管道内存在的有害气体及液体(蒸气)的泄漏现象，以及检测设备管道在运行过程中的泄漏情况；

二是检修检测。检测设备检修或更换之后以及动火之前的残存有害气体及液体(蒸气)含量；

三是应急检测。生产现场为了卫生安全在发生事故以及任何异常现象时，要全面检测有害气体及液体(蒸气)含量；

四是进入检测。检测工作人员将要进行的含有害物质的隔离操作间、危险环境的下水沟及电缆沟、危险设备内部操作等工作前，要检测环境中的有害气体及液体(蒸气)含量；

五是巡回检测。检测卫生安全检查工作中的有害气体及液体(蒸气)的含量[3]。

要开展危险化学品的安全管控，优化安全制度来有效减少事故隐患。然而，实际的生产中总会出现意外情况，无法达到百分百的安全。有必要对存储危险化学品场所等事故隐患区域设置检测报警系统，用以对有害气体及液体(蒸气)及时发出报警，这对于预防及控制事故有着明显的作用。

2 有害气体检测传感器技术国内外研究现状

2.1 国外研究现状

国外在农业生产及工业污染等的治理工作上制定了相关标准，这也促进了研究有害气体的电化学传感器技术。首次利用剥离高定向热解石墨获得相对独立的高品质石墨烯，并分析了石墨烯具备的电学性能，为石墨烯材料对敏感性气体的检测打下良好基础。一些欧美发达国家现已将最新研究成果运用于优化传感器阵列中，而国外的有害气体电化学的传感器技术明显体现在有害气体电化学的传感器阵列技术，这项技术最早在科技相对先进的一些西方发达国家和地区兴起。这项研究在有害气体电化学的传感器阵列信号及模式的识别与处理中开展了较为成功的创新，在20世纪90年代就研制出了商品化设备，有效应用于检测不同的有害气体。同时利用研究新材料，使传感器性能得以提高，有效提升了传感器技术的创新，目前在不同领域已被广泛地推广应用。

2.2 国内研究现状

我国在检测有害气体的研究中通过使用声表面波传感器组成阵列，尝试对气味进行识别；利用二氧化锡厚膜气体型传感器阵列融合 BP 神经网络形成的电子鼻系统，开展H2、CO的混合气体的检测，达到了对混合气体成分的定量研究；将独立分量研究ICA结合BP 神经网络开展模式识别，识别准确率高达95%；利用低压化学气相沉积的形式获得单层石墨烯，用电化学电镀法获得便捷、高效的石墨烯基气敏传感器。将其当作有害气体的电化学传感器的重要部件，可有效促进检测有害气体的电化学传感器的进一步发展。

3 有害气体检测传感器技术现状

3.1 有害气体检测传感器的种类及特征

气体检测装置中传感器作为重要元件，根据检测原理的不同可区分为不同类型，如：金属氧化物半导体式、电化学式、催化燃烧式、红外式、热导式等。传感器作为一类以有毒有害气体为对象，对其专门开展检测的仪器工具，其优势为检测精准度高，灵敏性强且可靠，可用于对石油、化工、医药等不同领域所含有毒气体浓度及成分的检测，确保环境及人员作业安全[4]。传感器基于自身作业原理而言通常分为三个主要类别：第一类为借助物理化学综合性开展有害气体的传感器，典型的有半导体式、催化燃烧式；第二类为借助利用物理特性开展有害气体的传感器：典型的有热导式、光干涉式、红外式等；第三类则为借助化学特性开展有害气体的传感器，典型的有定电位电解式、固定电解质式等。当代各领域应用传感器开展有害有毒气体的智能检测时，均是将传感器与各类智能算法或技术加以结合，开展各类有害气体的成分、浓度、含量等开展智能化监测，及时掌握空气内的有害气体情况，作出提前预警提示后，及时采取措施消除安全隐患，为环境与人员安全提供全面保障。依照有害气体的检测实际，传感器重点检测的有害气体涵盖甲烷、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢等作为主要监测对象[5]。

(1)金属氧化物半导体式传感器

这种类型的传感器是根据被测气体在特定温度产生的吸附作用，使半导体改变导电性能，其改变的大小由气体的成分及浓度决定。利用检测电阻的变化检测气体。半导体式气体传感器在灵敏度、响应时长、设备寿命长及成本方面具有优势，且对环境湿度没有太高要求，广泛应用于检测气体的微量泄漏。但其存在对温度要求高、选择气体性能差、环境条件要求高、输出不稳定、功率大等不足之处。此类半导体传感器能全面且灵敏地将浓度是10-9mol/mol的有害气体检测出来，一般用于包括甲烷、一氧化碳、硫化氢、酒精、氨气、氮氧化物等不同气体的成分与浓度监测，应用领域主要以汽车制造及环境监测为主。这里要引起关注的是，金属氧化物半导体多要在高温环境中作业，所以完成检测气体分离后传感器自身电阻恢复要耗费的时限周期较长，容易对环境形成不利影响。

(2)电化学式传感器

这一类型的传感器作为微燃料的电池器件，是使气体通过电化学原理(即氧化或还原反应)在工作电极让化学试剂与电极间利用化学反应产生电流，且电流强弱会随气体浓度的大小发生变化，检测电流值即可换算出气体浓度值。电化学传感器主要有原电池型、浓差电池型、恒定电位电解池型、极限电流型等传感器。电化学传感器在灵敏度、选择性及稳定性等方面具有很高的性能，但其响应时间及寿命方面不具优势，这种传感器可同时检测多种有毒气体，包括一氧化碳、氨气、硫化氢等。

电化学为媒介的传感器主要用在具有电化学活性的有害气体检测，对照催化燃烧式传感器而言，待测有害气体经过电化学传感器时会形成较为平稳的扩散势垒，因此检测功率相对不高。运用此类传感器时要注意，部分气体因自身无电化学活性，所以其经过传感器时极易与仪器内的少数成分形成交叉反应，继而导致检测滞后，使测算数据的准确性受到一定影响。另外，电化学传感器对湿度及温度波动极为敏感，加之自身易受酸碱金属或气体的腐蚀，所以使用此类传感器时，要及时清理检测环境，并明确结论数据的偏差。

(3)催化燃烧式传感器

催化燃烧式气体传感器是利用气敏材料在通电过程中，因催化剂的作用使可燃气体燃烧提升气敏材料的温度来改变电阻。通常将耐高温催化剂涂层涂于铂电阻的表面，在特定温度下，可燃气体通过铂电阻表面的催化剂燃烧，温度提升后电阻值随可燃气体的浓度产生变化。此类型气体传感器在精度、响应时间及寿命方面有着很高的性能，但在可燃气体中缺乏选择性优势，同时极易“传感器中毒”(有机物蒸汽使得传感器失灵)，存在爆炸风险。此类传感器可以灵活开展基于爆炸下限范围内的各类可燃气体浓度的检测，主要用于工业行业生产的可燃气体预警及防范系统。此类传感器检测的原理是自身的电阻信号对照气体浓度二者间形成正向的线性描述关系，因此检测结果可揭示出气体浓度的准确值。同样要注意的是，此类敏感度极高，当检测时出现有害气体上限值时，传感器极易因过热而导致无法再行使用，因此要定期保养、维护好催化燃烧式传感器。

(4)红外式传感器

这类传感器原理为光谱吸收法，利用气体只吸收红外区某一波段波长的特性来检测其吸收峰值时的强度，来判断气体的种类及浓度。其在抗中毒和灵敏度方面具很强的性能，但在结构及成本方面缺少优势。可检测多数碳氢化合物，包括甲烷、氨气、乙炔、二氧化碳等，可准确判断气体种类以浓度。

红外传感器突破了其他类型传感器过热损坏的弊端，同时其可在低氧环境下完成检测，加之因待测有害气体未与传感器实现直接接触，因此也可用于具腐蚀性及反应性气体的有害检测。需要关注的是此类传感器不适用于对氧气、氢气、氮气等单质气体检测，因为这些气体均为同类原子组成。此种同原子气体分子内的电子呈现均衡式分布，而传感器因应用红外线的能量密度相对不高，因此无法通过照射使此类气体均衡分布的电子有所改变与分离，也难以形成能量波动，继而无法完成检测。

(5)热导式传感器

可燃气体的浓度超出其爆炸临界点时，则无法采用催化燃烧式传感器，此时热导式传感器则可完成检测高浓度的可燃气体的任务。热导式传感器能按可燃气体的热导率与空气热导率的不同来检测气体浓度，其在结构上类似于传统的催化燃烧式传感器，不同的是其中的惠斯通电桥添加了补偿微珠。若待测气体热导率比参考的空气热导率高，测量微珠会损耗更多热量，电阻随之产生变化，利用输出电压来进行气体浓度检测。在热导率检测原理的基础上，要以空气作为参考，热导式检测器适合检测热导率高于空气的低分子质量气体，包括氢气、甲烷及氦气等。而对热导率类似于空气的二氧化碳、氧气、氮气等，要以氢气、氦气等作为参考。热导式传感器具有在使用过程中不需要催化的优势，无需供应氧气，在石化炼油厂、工业气体排放或泄漏等检测高浓度的可燃气体时更为适用。但需注意这类传感器容易受空气湿度影响，在检测时要维持稳定的环境温度及湿度，并定期进行人工的传感器校准。

3.2 未来有害气体检测传感器技术发展

伴随着世界工业产业的规模日益扩大，气体原料及生产的气体种类及数量方面不断增多，气体污染也在逐渐扩大范围，人类的生活环境已遭到严重污染，甚至危及到人类的生存。据世界卫生组织在2016年开展的全球疾病的披露与负担评估，到现在为止，空气污染是威胁人类健康的最大环境风险之一，可直接对人体造成不良影响甚至诱发疾病，每年九分之一的死亡原因与空气污染相关，仅有十分之一的人群生活环境的空气质量符合世界卫生组织的标准。目前，气体传感器已在工业、环保、医疗、化工等领域普及，且逐步向民用领域推广，特别在环保和健康等方面，迎来跨跃式发展。

人类越来越重视环境健康的重要性。为此，在人类嗅觉原理上延伸出的机器嗅觉技术，迎来了重要的发展机遇。机器嗅觉是模拟生物嗅觉原理的新型仿生检测技术，机器嗅觉系统一般由敏感的交叉化学传感器阵列及相应的计算机模式识别算法共同组成，可用于对气味的检测、分析及鉴别。而气体传感器作为机器嗅觉的主要部分，通过检测物质的气味特征，气体传感器将不同气体的体积分数转变成对应的电信号，可精准地获得物质数据及相应的信息。

由于工业气体大部分具有毒性或易燃易爆，若泄漏会危害人体健康，且有爆炸风险。因此，利用气体传感器能及时检测气体的泄漏情况，确保安全，紧急避免危险事故发生。所以，需利用机器嗅觉技术提前感知外部环境中的空气质量，开展必要的改善和治理，应用领域非常广阔。如：用合适的气体传感器进行酸雨气体、温室效应气体、甲醛等有毒气体及PM2.5等的检测。

现阶段机器嗅觉技术的市场面临着重大变革，主要依靠消费类应用的提升来驱动发展，催生出不同的气体传感器开展实际应用，对于未来的传感器发展有良好的技术支撑作用。首先，智能技术的不断发展，促进气体传感器迈向智能化。气体传感器的发展将通过运用微机械及微电子、计算机、信号处理、传感、故障诊断、智能化等多学科综合的先进技术来实现。研发可同时检测多种气体的自动信息化的智能型气体传感器将是后续传感器的发展方向。其次，研发新材料的运用，可创新气体传感器。新型材料的研制如纳米、石墨烯及薄膜技术等已在气体传感器方面实现应用，气体传感器的各种性能得到全面提升。

3.3 最新研究进展概述

通过对上述气体检测传感器的技术发展的阐述可知，我国相关学者在此方面的研究日渐深入并广泛，通过对相关文献的分析可知，随着物联网的发展及人工智能的持续应用，未来气体传感器在更多领域形成强大需求，有害有毒气体检测传感器相关研究进展将围绕如下方向开展：

(1)移动终端与可穿戴设备。在现阶段移动终端的功能模块中，多数已未完成视觉、听觉、触觉等感知元件的集成化处理，未来借助移动终端为媒介，使其具备气体感知器件，如此则经由移动终端即可完成对所处环境气体成分安全性的检测，这一技术可用于监测室内外气体的有害性、有毒性及污染程度监测，同时可拓展将其应用于香水味道、食物安全等方面的检测。

(2)微型环境监测站。此类监测站以微型气体传感器阵列为基础建立，其可与路灯、移动基站等实现功能集成，主要应用于城镇化社区网格化管理及监测，借助大数据深挖以掌握区域内气体污染物的扩散渠道，同时对污染物类别、浓度浮动趋势等开展检测，为污染源追溯及治理提供基于气体传感器实践的决策依据。

(3)智慧医疗。现阶段气体传感器在医学行业已有一定应用，学者研究显示，人体呼出气体对照自身疾病彼此存在一定的内在关联性。因此借助气体传感器可以实现借助对患者嗅觉的感知检测以精确甄别其呼出气体含量与成分，为疾病诊断提供科学判据。

4 结语

目前人们生活水平以及对环境保护重视程度的持续提高，对于检测各类有毒有害气体、大气污染、工业废气等，以及检测食品及居住环境质量等方面都要求气体传感器要具有更高的性能。成功研制出各种新材料并开展应用为实现集成、智能的有害气体检测传感器发展提供了便利条件。气体传感器结合微机械及微电子、计算机、传感、信号处理、故障诊断、智能化等各项技术应用而快速发展，最终生产出全自动的智能化气体传感器，实现同时开展对各种不同气体的智能化检测工作。