目前，氣體傳感器的應(yīng)用日趨廣泛，在物聯(lián)網(wǎng)等泛在應(yīng)用的推動(dòng)下，其技術(shù)發(fā)展方向開(kāi)始向小型化、集成化、模塊化、智能化方向發(fā)展。其中工業(yè)領(lǐng)域就是氣體傳感器一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，用以使人員和設(shè)備免受危險(xiǎn)氣體導(dǎo)致的直接和間接威脅。無(wú)論是使用便攜式氣體報(bào)警器還是固定式氣體檢測(cè)儀，對(duì)于確保設(shè)備在其使用年限內(nèi)安全運(yùn)轉(zhuǎn)有可能造成的巨大成本問(wèn)題，用戶必然有著深切體會(huì)。而在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較多的是電化學(xué)氣體傳感器。下面小編就簡(jiǎn)單介紹一下電化學(xué)氣體傳感器的相關(guān)知識(shí)。

　　電化學(xué)氣體傳感器的工作原理

　　小小的傳感器中，是被水性凝膠電解質(zhì)（一般是硫酸：H2SO4）浸濕的電極，當(dāng)所探測(cè)的氣體（比如一氧化碳：CO，或者硫化氫：H2S）進(jìn)入傳感器內(nèi)與電解質(zhì)發(fā)生氧化或者濃度變化時(shí)，工作電極在催化劑作用下產(chǎn)生微弱電流。電流經(jīng)過(guò)與傳感器相連接的放大器放大，從而顯示目標(biāo)區(qū)域的氣體濃度。

　　電化學(xué)傳感器典型結(jié)構(gòu)圖

　　大多數(shù)電化學(xué)氣體傳感器應(yīng)用于擴(kuò)散模式，在這種模式下，周圍環(huán)境中的氣體樣本通過(guò)傳感器正面的小孔進(jìn)入傳感器（通過(guò)氣體分子自然流動(dòng)）。而有些設(shè)備通過(guò)一個(gè)抽氣泵將空氣/氣體樣本抽進(jìn)傳感器內(nèi)。在氣孔部位安裝有聚四氟乙烯薄膜來(lái)阻擋水或油進(jìn)入傳感器內(nèi)。傳感器的測(cè)量范圍和靈敏度可以通過(guò)在設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)整進(jìn)氣孔尺寸隨之變化。大一些的進(jìn)氣孔可以提高設(shè)備的靈敏度和分辨率，而小一些的進(jìn)氣孔雖然降低了靈敏度和分辨率，但是可增大測(cè)量范圍。

　　氧氣傳感器的工作原理與之前所描述的電化學(xué)氧氣傳感器工作原理類似，但是，氧氣傳感器的使用年限是可預(yù)測(cè)的，所以，更換周期也可以進(jìn)行預(yù)設(shè)——一般為2~3年。與有毒氣體傳感器不同，氧氣傳感器長(zhǎng)期持續(xù)暴露在目標(biāo)氣體中。在通常的耗氧監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，傳感器工作環(huán)境的氧氣濃度為20.9%，這就會(huì)在鉛陽(yáng)極上引起化學(xué)反應(yīng)，從而造成陽(yáng)極的逐漸消耗。所以，傳感器通過(guò)與氧氣反應(yīng)持續(xù)產(chǎn)生電流的能力取決于電解質(zhì)中鉛的含量。

　　通過(guò)增加“溫度補(bǔ)償”這一關(guān)鍵機(jī)制，氣體探測(cè)設(shè)備制造商確保了傳感器的性能。氣體靈敏度（以及零基線信號(hào)）常常隨著溫度有所變化，所以當(dāng)溫度升降時(shí)，氣體靈敏度呈非線性變化。

　　在研發(fā)氣體探測(cè)設(shè)備的過(guò)程中，人們用了大量時(shí)間將相同的氣體傳感器放置于不同溫度和不同濃度氣體中（溫度在-30℃~+50℃之間）。所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后生成了一個(gè)為氣體探測(cè)器所用的溫度補(bǔ)償算法，以確保傳感器讀數(shù)在整個(gè)操作量程內(nèi)保持一致。

　　“常規(guī)”使用年限

　　檢測(cè)一氧化碳或硫化氫等普通氣體的電化學(xué)傳感器的使用年限通常為2~3年。而一些特殊氣體，如氟化氫氣體的傳感器的使用年限僅僅只有12~18個(gè)月。具體使用視環(huán)境會(huì)有相應(yīng)的延長(zhǎng)和縮短。

　　在理想情況下，即溫度和濕度分別保持在20℃和60%RH左右，同時(shí)沒(méi)有污染物的侵入時(shí)，已知有的電化學(xué)傳感器工作超過(guò)11年！周期性地暴露在目標(biāo)氣體環(huán)境中并不會(huì)限制傳感器的使用年限，優(yōu)質(zhì)的傳感器通常都裝備充足的催化劑和結(jié)實(shí)耐用的導(dǎo)體，這些材料并不會(huì)因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)而輕易消耗殆盡。

　　傳感器也有所謂的“庫(kù)存期”或者“存貯周期”，這些時(shí)間可能會(huì)讓用戶，服務(wù)公司和制造商都感到困惑和沮喪。電化學(xué)傳感器在生產(chǎn)后通常都有六個(gè)月的存貯周期（假定存貯條件為理想的20℃）。在超出這一周期后，傳感器輸出的信號(hào)就有可能變得不穩(wěn)。這個(gè)周期中的一小部分時(shí)間不可避免地要用于生產(chǎn)和運(yùn)輸環(huán)節(jié)。所以，對(duì)傳感器備件的采購(gòu)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)劃就變得至關(guān)重要，其目標(biāo)是盡量縮短備件在倉(cāng)庫(kù)中的存貯時(shí)間。

　　影響傳感器壽命的因素

　　極端溫度可以影響傳感器壽命。通常，制造商所宣稱的設(shè)備操作溫度范圍通常在-30℃到+50℃之間變化。然而，高質(zhì)量的傳感器能夠在短時(shí)間內(nèi)承受突破此范圍的溫度。比如，傳感器（如H2S或CO）在短時(shí)間（1~2小時(shí)）暴露于60℃到65℃是沒(méi)有問(wèn)題的。但是，如果極端情況重復(fù)發(fā)生則會(huì)造成電解質(zhì)揮發(fā)，也有可能造成零基線讀數(shù)移動(dòng)和反應(yīng)遲緩等情況。

　　溫度過(guò)低時(shí)，傳感器的靈敏度會(huì)降低。也許傳感器可以在-40℃的低溫工作，但是對(duì)氣體的靈敏度會(huì)大幅度下降（靈敏度甚至可能降低高達(dá)80%），而且反應(yīng)時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)許多，另外，當(dāng)溫度降到-35℃以下時(shí)，電解質(zhì)還有結(jié)冰的危險(xiǎn)。

　　當(dāng)氣體濃度過(guò)高時(shí)，也有可能造成傳感器性能下降。通常，電化傳感器在測(cè)試時(shí)，極限氣體濃度是其設(shè)計(jì)濃度的十倍。使用高質(zhì)量催化劑的傳感器應(yīng)該可以承受這樣的情況，并不會(huì)對(duì)其化學(xué)特性或長(zhǎng)期性能造成損壞。而使用低質(zhì)量催化劑的傳感器則有可能造成損壞。

　　潮濕是對(duì)傳感器影響最大的因素。電化傳感器的理想工作環(huán)境應(yīng)當(dāng)是20℃，60%RH（相對(duì)濕度）。當(dāng)環(huán)境濕度超過(guò)60%RH時(shí)，電解質(zhì)會(huì)因?yàn)槲账侄♂?。在極端情況下，電解質(zhì)體積會(huì)增加2~3倍，很有可能造成電解質(zhì)從傳感器設(shè)備體通過(guò)接口滲漏。而當(dāng)濕度低于60%RH時(shí)，電解質(zhì)則有可能脫水。隨著電解質(zhì)脫水，設(shè)備反應(yīng)時(shí)間也會(huì)顯著延長(zhǎng)。

　　通過(guò)對(duì)傳感器進(jìn)行稱重，可以迅速簡(jiǎn)便地判斷出電解質(zhì)的稀釋和脫水情況。與出廠重量相比，當(dāng)傳感器重量有±250mg以上的變化時(shí)，則說(shuō)明傳感器的性能很有可能受到了影響。通過(guò)將傳感器置于相反的極端濕度環(huán)境中，電解質(zhì)原來(lái)的稀釋或脫水情況都是可逆的。在5~25天的時(shí)間里，傳感器的重量和電解質(zhì)濃度都可以恢復(fù)到初始狀態(tài)，性能也一并得到恢復(fù)。

　　要提醒大家注意的是，傳感器的靈敏度可能會(huì)隨著周圍環(huán)境的情況而變化。一個(gè)原本反應(yīng)不靈敏、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的傳感器可能會(huì)隨著環(huán)境濕度的變化而有所改善。這種情況在四季氣候變化鮮明的國(guó)家則更為突出。氫硫化物傳感器的性能尤其與周邊環(huán)境聯(lián)系更為緊密。一臺(tái)固定式探測(cè)器中的傳感器的靈敏度和反應(yīng)時(shí)間很有可能在按照當(dāng)?shù)氐臏囟葷穸日{(diào)試穩(wěn)定后的兩三周內(nèi)發(fā)生改變。當(dāng)傳感器在安裝前存放在非常干燥的環(huán)境中時(shí)（比如帶空調(diào)的辦公室），這種情況尤為普遍。

　　在特殊情況下，干擾氣體可能會(huì)因?yàn)楸淮呋瘎┪栈蛘吲c催化劑發(fā)生反應(yīng)生成副產(chǎn)品抑制催化劑，進(jìn)而破壞傳感器電極。

　　強(qiáng)烈的震動(dòng)和機(jī)械沖擊也可能會(huì)損傷將鉑電極、連接條（某些傳感器中是金屬線）和接口連接在一起的焊點(diǎn)，從而損壞傳感器，但是這種情況對(duì)架構(gòu)牢固的傳感器來(lái)說(shuō)并不多見(jiàn)。

　　含過(guò)濾功能的氣體傳感器

　　在有些傳感器上安裝有化學(xué)過(guò)濾器，以盡可能消除干擾氣體，尤其是硫化物氣體帶來(lái)的影響。這些過(guò)濾器的使用年限有限，通常用ppm/小時(shí)來(lái)定義其對(duì)干擾氣體的耐受水平。因?yàn)闅怏w濃度有高低之分，所以ppm/小時(shí)這個(gè)度量單位也許會(huì)不太精確。在目標(biāo)氣體暴露時(shí)間減半的情況下，一個(gè)標(biāo)稱1000ppm/小時(shí)的過(guò)濾器也不一定能把使用時(shí)間延長(zhǎng)兩倍。

　　當(dāng)過(guò)濾器飽和時(shí)，傳感器與干擾氣體產(chǎn)生交叉反應(yīng)的程度隨之加重（比如探測(cè)硫化氫氣體，H2S，或者二氧化硫，SO2的傳感器）。當(dāng)交叉反應(yīng)發(fā)生時(shí)，用戶當(dāng)然無(wú)法判斷他們所使用的傳感器到底是在與SO2還是H2S發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

　　有機(jī)過(guò)濾器（碳基）雖然非常高效，但是不可再生，而且在環(huán)境濕度超過(guò)50%RH時(shí)，過(guò)濾器會(huì)因?yàn)闅饪锥氯柡汀Ｋ?，化學(xué)過(guò)濾器的功效會(huì)在高濕度環(huán)境下下降。

　　對(duì)氣體傳感器更換工作進(jìn)行計(jì)劃

　　儀器操作人員渴望通過(guò)預(yù)測(cè)傳感器使用年限對(duì)傳感器更換工作進(jìn)行提前計(jì)劃，這樣服務(wù)工程師在現(xiàn)場(chǎng)維修的時(shí)候就可以帶來(lái)新的傳感器，避免了設(shè)備停機(jī)或重復(fù)派人的問(wèn)題。反言之，如果用戶能夠有把握將例行傳感器更換周期延長(zhǎng)，那么他們也自然可以降低更換傳感器的成本。

　　電化學(xué)氣體傳感器使用年限的預(yù)測(cè)是一門非常不精確的科學(xué)，設(shè)備的使用年限、壽命會(huì)受到本文中所提及的種種因素影響，每種具體應(yīng)用中的情況各有不同。在實(shí)際操作中，用戶要么根據(jù)制造商的建議按照固定時(shí)間周期對(duì)傳感器進(jìn)行更換，或者根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行更換（比如每?jī)扇旮鼡Q一次），抑或是發(fā)現(xiàn)傳感器對(duì)測(cè)試氣體沒(méi)有足夠反應(yīng)的時(shí)候進(jìn)行更換。在定期更換模式下，用戶得到保證——傳感器總是“嶄新的”，但恰恰是因?yàn)檫@樣的一再保證，用戶卻多掏了保險(xiǎn)費(fèi)，因?yàn)楸桓鼡Q下來(lái)的傳感器事實(shí)上還能正常工作相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間。只有在表現(xiàn)出靈敏度明顯下降（或者反應(yīng)時(shí)間過(guò)分延長(zhǎng)）時(shí)，傳感器才有可能在服務(wù)周期之間發(fā)生故障（一般僅為六個(gè)月）并進(jìn)行更換。

　　如何發(fā)現(xiàn)傳感器故障？

　　在過(guò)去的幾十年里，人們?cè)跉怏w傳感器上應(yīng)用了若干種的專利和技術(shù)，雖然這些技術(shù)都宣稱可以發(fā)現(xiàn)電化學(xué)傳感器發(fā)生故障的情況，但是大多數(shù)的技術(shù)僅僅是推斷傳感器在某種電極刺激下工作，而且可能僅提供了一種虛假的安全感。展示傳感器處于工作狀態(tài)的唯一可靠方法就是使用測(cè)試氣體并測(cè)量傳感器的反應(yīng)——即快速測(cè)試或者全面校準(zhǔn)。

　　事實(shí)上，電化學(xué)傳感器并不具備自動(dòng)防故障功能。在干凈的空氣中，它們輸出零信號(hào)電流，在它們報(bào)廢前，即便暴露在目標(biāo)氣體中，仍然輸出零電流。所以，我們無(wú)法保證一部氣體探測(cè)儀器對(duì)所發(fā)生的故障進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。

　　但是，氣體探測(cè)儀器可以對(duì)那些有可能影響傳感器性能的事件進(jìn)行報(bào)告：智能氣體探測(cè)器和變送器能夠檢測(cè)周圍環(huán)境并在溫度超出傳感器上下閥值的時(shí)候發(fā)出報(bào)警。變送器也能夠?qū)⑿枰獪y(cè)量氣體的濃度與傳感器最大允許值進(jìn)行比較，一旦超出就發(fā)出警告。在這些例子中，用戶應(yīng)當(dāng)采取的正確措施就是使用測(cè)試氣體對(duì)傳感器進(jìn)行快速測(cè)試來(lái)驗(yàn)證傳感器是否能正確反應(yīng)。