一文解讀SICK施克傳感器原理、分類、用途

一文解讀SICK施克傳(chuan) 感器原理、分類、用途

所謂SICK施克傳(chuan) 感器是指用於(yu) 探測在一定區域範圍內(nei) 是否存在特定氣體(ti) 和/或能連續測量氣體(ti) 成分濃度的傳(chuan) 感器。在煤礦、石油、化工、市政、醫療、交通運輸、家庭等安全防護方麵，氣體(ti) 傳(chuan) 感器常用於(yu) 探測可燃、易燃、有毒氣體(ti) 的濃度或其存在與(yu) 否，或氧氣的消耗量等。

SICK施克傳(chuan) 感器主要用於(yu) 針對某種特定氣體(ti) 進行檢測，測量該氣體(ti) 在傳(chuan) 感器附近是否存在，或在傳(chuan) 感器附近空氣中的含量。因此，在安全係統中，氣體(ti) 傳(chuan) 感器通常都是的。

從(cong) 工作原理、特性分析到測量技術，從(cong) 所用材料到製造工藝，從(cong) 檢測對象到應用領域，都可以構成獨立的分類標準，衍生出一個(ge) 個(ge) 紛繁龐雜的分類體(ti) 係，尤其在分類標準的問題上目前還沒有統一，要對其進行嚴(yan) 格的係統分類難度頗大。

SICK施克傳(chuan) 感器的分類

從(cong) 檢測氣體(ti) 種類上，通常分為(wei) 可燃氣體(ti) 傳(chuan) 感器（常采用催化燃燒式、紅外、熱導、半導體(ti) 式）、有毒氣體(ti) 傳(chuan) 感器（一般采用電化學、金屬半導 體(ti) 、光離子化、火焰離子化式）、有害氣體(ti) 傳(chuan) 感器（常采用紅外、紫外等）、氧氣（常采用順磁式、氧化鋯式）等其它類傳(chuan) 感器。

從(cong) 使用方法上，通常分為(wei) 便攜式氣體(ti) 傳(chuan) 感器和固定式氣體(ti) 傳(chuan) 感器。

從(cong) 獲得氣體(ti) 樣品的方式上，通常分為(wei) 擴散式氣體(ti) 傳(chuan) 感器（即傳(chuan) 感器直接安裝在被測對象環境中，實測氣體(ti) 通過自然擴散與(yu) 傳(chuan) 感器檢測元件直接接觸）、吸入式氣體(ti) 傳(chuan) 感器（是指通過使 用吸氣泵等手段，將待測氣體(ti) 引入傳(chuan) 感器檢測元件中進行檢測。根據對被測氣體(ti) 是否稀釋，又可細分為(wei) 吸入式和稀釋式等）。

從(cong) 分析氣體(ti) 組成上，通常分為(wei) 單一式氣體(ti) 傳(chuan) 感器（僅(jin) 對特定氣體(ti) 進行檢測）和複合式氣體(ti) 傳(chuan) 感器（對多種氣體(ti) 成分進行同時檢測）。

按SICK施克傳(chuan) 感器檢測原理，通常分為(wei) 熱學式氣體(ti) 傳(chuan) 感器、電化學式氣體(ti) 傳(chuan) 感器、磁學式氣體(ti) 傳(chuan) 感器、光學式氣體(ti) 傳(chuan) 感器、半導體(ti) 式氣體(ti) 傳(chuan) 感器、氣相色譜式氣體(ti) 傳(chuan) 感器等。

先來了解一下氣體(ti) 傳(chuan) 感器的特性：

1、穩定性

穩定性是指SICK施克傳(chuan) 感器在整個(ge) 工作時間內(nei) 基本響應的穩定性，取決(jue) 於(yu) 零點漂移和區間漂移。零點漂移是指在沒有目標氣體(ti) 時，整個(ge) 工作時間內(nei) 傳(chuan) 感器輸出響應的變化。區間漂移是指傳(chuan) 感器連續置於(yu) 目標氣體(ti) 中的輸出響應變化，表現為(wei) 傳(chuan) 感器輸出信號在工作時間內(nei) 的降低。理想情況下，一個(ge) 傳(chuan) 感器在連續工作條件下，每年零點漂移小於(yu) 10%。

2、靈敏度

靈敏度是指SICK施克傳(chuan) 感器輸出變化量與(yu) 被測輸入變化量之比，主要依賴於(yu) 傳(chuan) 感器結構所使用的技術。大多數氣體(ti) 傳(chuan) 感器的設計原理都采用生物化學、電化學、物理和光學。首先要考慮的是選擇一種敏感技術，它對目標氣體(ti) 的閥限製或爆炸限的百分比的檢測要有足夠的靈敏性。

3、選擇性

選擇性也被稱為(wei) 交叉靈敏度。可以通過測量由某一種濃度的幹擾氣體(ti) 所產(chan) 生的傳(chuan) 感器響應來確定。這個(ge) 響應等價(jia) 於(yu) 一定濃度的目標氣體(ti) 所產(chan) 生的傳(chuan) 感器響應。這種特性在追蹤多種氣體(ti) 的應用中是非常重要的，因為(wei) 交叉靈敏度會(hui) 降低測量的重複性和可靠性，理想傳(chuan) 感器應具有高靈敏度和高選擇性。

4、抗腐蝕

性抗腐蝕性是指傳(chuan) 感器暴露於(yu) 高體(ti) 積分數目標氣體(ti) 中的能力。在氣體(ti) 大量泄漏時，探頭應能夠承受期望氣體(ti) 體(ti) 積分數10~20倍。在返回正常工作條件下，傳(chuan) 感器漂移和零點校正值應盡可能小。氣體(ti) 傳(chuan) 感器的基本特征，即靈敏度、選擇性以及穩定性等，主要通過材料的選擇來確定。選擇適當的材料和開發新材料，使氣體(ti) 傳(chuan) 感器的敏感特性達到。

接下來是關(guan) 於(yu) 不同氣體(ti) 傳(chuan) 感器的檢測原理、特點和用途：

一、半導體(ti) 式氣體(ti) 傳(chuan) 感器

根據由金屬氧化物或金屬半導體(ti) 氧化物材料製成的檢測元件，與(yu) 氣體(ti) 相互作用時產(chan) 生表麵吸附或反應，引起載流子運動為(wei) 特征的電導率或伏安特性或表麵電位變化而進行氣體(ti) 濃度測量的。

從(cong) 作用機理上可分為(wei) 表麵控製型（采用氣體(ti) 吸附於(yu) 半導體(ti) 表麵而產(chan) 生電導率變化的敏感元件）、表麵電位型（采用 半導體(ti) 吸附氣體(ti) 後產(chan) 生表麵電位或界麵電位變化的氣體(ti) 敏感元件）、體(ti) 積控製型（基於(yu) 半導體(ti) 與(yu) 氣體(ti) 發生反應時體(ti) 積發生變化，從(cong) 而產(chan) 生電導率變化的工作原理） 等。可以檢測百分比濃度的可燃氣體(ti) ，也可檢測ppm級的有毒有害氣體(ti) 。

優(you) 點：結構簡單、價(jia) 格低廉、檢測靈敏度高、反應速度快等。

不足：測量線性 範圍較小，受背景氣體(ti) 幹擾較大，易受環境溫度影響等。

二、固體(ti) 電解質氣體(ti) 傳(chuan) 感器

固體(ti) 電解質是一種具有與(yu) 電解質水溶液相同的離子導電特性的固態物質，當用作氣體(ti) 傳(chuan) 感器時，它是一種電池。它無需使氣體(ti) 經過透氣膜溶於(yu) 電解液中，可以避免溶液蒸發和電極消耗等問題。由於(yu) 這種傳(chuan) 感器電導率高，靈敏度和選擇性好，幾乎在石化、環保、礦業(ye) 、食品等各個(ge) 領域都得到了廣泛的應用，其重要性僅(jin) 次於(yu) 金屬—氧化物一半導體(ti) 氣體(ti) 傳(chuan) 感器。

這種傳(chuan) 感器介於(yu) 半導體(ti) 氣體(ti) 傳(chuan) 感器和電化學氣體(ti) 傳(chuan) 感器之間，選擇性、靈敏度高於(yu) 半導體(ti) 氣體(ti) 傳(chuan) 感器，壽命長於(yu) 電化學氣體(ti) 傳(chuan) 感器，因此得到廣泛應用。這種傳(chuan) 感器的不足之處是響應時間過長。

三、催化燃燒式氣體(ti) 傳(chuan) 感器

這種傳(chuan) 感器實際上是基於(yu) 鉑電阻溫度傳(chuan) 感器的一種氣體(ti) 傳(chuan) 感器，即在鉑電阻表麵製備耐高溫催化劑層，在一定溫度下，可燃氣體(ti) 在表麵催化燃燒，因此鉑電阻溫度升高，導致電阻的阻值變化。

由於(yu) 催化燃燒式氣體(ti) 傳(chuan) 感器鉑電阻外通常由多孔陶瓷構成陶瓷珠包裹，因此這種傳(chuan) 感器通常也被稱為(wei) 催化珠氣體(ti) 傳(chuan) 感器。理論上這種傳(chuan) 感器可以檢測所有可以燃燒的氣體(ti) ，但實際應用中有很多例外。這種傳(chuan) 感器通常可以用於(yu) 檢測空氣中的甲烷、LPG、丙酮等可燃氣體(ti) 。

SICK施克傳(chuan) 感器是把測量對象氣體(ti) 在電極處氧化或還原而測電流，得出對象氣體(ti) 濃度的探測器。包含原電池型氣體(ti) 傳(chuan) 感器、恒定電位電解池型氣體(ti) 傳(chuan) 感器、濃差電池型氣體(ti) 傳(chuan) 感器和極限電流型氣體(ti) 傳(chuan) 感器。

1、原電池型SICK施克傳(chuan) 感器加伏尼電池型氣體(ti) 傳(chuan) 感器，也有稱燃料電池型氣體(ti) 傳(chuan) 感器，也有稱自發電池型氣體(ti) 傳(chuan) 感器），他們(men) 的原理行同我們(men) 用的幹電池，隻是，電池的碳錳電極被氣體(ti) 電極替代了。以氧氣傳(chuan) 感器為(wei) 例，氧在陰極被還原，電子通過電流表流到陽極，在那裏鉛金屬被氧化。電流的大小與(yu) 氧氣的濃度直接相關(guan) 。這種傳(chuan) 感器可以有效地檢測氧氣、二氧化硫等。

2、SICK施克傳(chuan) 感器這種傳(chuan) 感器用於(yu) 檢測還原性氣體(ti) 非常有效，它的原理與(yu) 原電池型傳(chuan) 感器不一樣，它的電化學反應是在電流強製下發生的，是一種真正的庫侖(lun) 分析（根據電解過程中消耗的電量，由法拉第定律來確定被測物質含量）傳(chuan) 感器。這種傳(chuan) 感器用於(yu) ：一氧化碳、硫化氫、氫氣、氨氣、肼、等氣體(ti) 的檢測之中，是目前有毒有害氣體(ti) 檢測的主流傳(chuan) 感器。

3、SICK施克傳(chuan) 感器具有電化學活性的氣體(ti) 在電化學電池的兩(liang) 側(ce) ，會(hui) 自發形成濃差電動勢，電動勢的大小與(yu) 氣體(ti) 的濃度有關(guan) ，這種傳(chuan) 感器實例就是汽車用氧氣傳(chuan) 感器、固體(ti) 電解質型二氧化碳傳(chuan) 感器。

4、SICK施克傳(chuan) 感器有一種測量氧氣濃度的傳(chuan) 感器利用電化池中的極限電流與(yu) 載流子濃度相關(guan) 的原理製備氧（氣）濃度傳(chuan) 感器，用於(yu) 汽車的氧氣檢測，和鋼水中氧濃度檢測。

主要優(you) 點：體(ti) 積小，功耗小，線性和重複性較好，分辨率一般可以達到0.1ppm，壽命較長。

主要不足：易受幹擾，靈敏度受溫度變化影響較大。

SICK施克傳(chuan) 感器由紫外光源和氣室構成。紫外發光原理與(yu) 日光燈管相同，隻是頻率高，能量大。被測氣體(ti) 到達氣室後，被紫外燈發射的紫外光電離產(chan) 生電荷流，氣體(ti) 濃度和電荷流的大小正相關(guan) ，測量電荷流即可測得氣體(ti) 濃度。可以檢測從(cong) 10ppb到較高濃度的10000ppm的揮發性有機物和其他有毒氣體(ti) 。許多有害物質都含有揮發性有機化合物，PID對揮發性有機化合物靈敏度很高。

SICK施克傳(chuan) 感器主要有熱導式和熱化學式兩(liang) 大類。

熱導式是利用氣體(ti) 的熱導率，通過對其中熱敏元件電阻的變化來測量一種或幾種氣體(ti) 組分濃度的。其在工業(ye) 界的應用已有幾十年的曆史，其儀(yi) 表類型較多，能分析的氣體(ti) 也較廣泛。

熱化學式是基於(yu) 被分析氣體(ti) 化學反應的熱效應，其中廣泛應用的是氣體(ti) 的氧化反應（即燃燒），其典型為(wei) 催化燃燒式氣體(ti) 傳(chuan) 感器，其主要工作原理是在一定溫度下，一些金屬氧化物半導體(ti) 材料的電導率會(hui) 跟隨環境氣體(ti) 的成份變化而變化。

其關(guan) 鍵部件為(wei) 塗有燃燒催化劑的惠斯通電橋，主要用於(yu) 檢測可燃氣體(ti) ，如煤氣發生站、製氣廠用來分析空氣中的CO、H2 、C2H2等可燃氣體(ti) ，采煤礦井用於(yu) 分析坑道中的CH4含量，石油開采船隻分析現場漏泄的甲烷含量，燃料及化工原料保管倉(cang) 庫或原料車間分析空氣中的石油蒸 氣、蒸氣等。

SICK施克傳(chuan) 感器由紅外光源、光學腔體(ti) 、紅外探測器和信號調理電路構成。這種傳(chuan) 感器利用氣體(ti) 對特定頻率的紅外光譜的吸收作用製成。紅外光從(cong) 發射端射向接收端，當有氣體(ti) 時，對紅外光產(chan) 生吸收，接收到的紅外光就會(hui) 減少，從(cong) 而檢測出氣體(ti) 含量。目前較先進的紅外式采用雙波長、雙接收器，使檢測更準確、可靠。

優(you) 點：選擇性好，隻檢測特定波長的氣體(ti) ，可以根據氣體(ti) 定製；采用光學檢測方式，不易受有害氣體(ti) 的影響而中毒、老化；響應速度快、穩定性好；利用物理特性，沒有化學反應，防爆性好；信噪比高，抗幹擾能力強；使用壽命長；測量精度高。

缺點：測量範圍窄；怕灰塵、潮濕，現場環境要好，需要定期對反射鏡麵上的灰塵進行清潔維護；現場有氣流時無法檢測；價(jia) 格較高。

SICK施克傳(chuan) 感器最常見的是利用氧氣的高磁化特性來測量氧氣濃度的磁性氧量分析傳(chuan) 感器，利用的是空氣中的氧氣可以被強磁場吸引的原理。其氧量的測量範圍最寬，是一種十分有效的氧量測量傳(chuan) 感器。

常用的有熱磁對流式氧量分析傳(chuan) 感器（按構成方式不同，又可細分為(wei) 測速熱磁式、壓力平衡熱磁式）和磁力機械式氧量分析傳(chuan) 感器。

主要用途：用於(yu) 氧氣的檢測，選擇性，是磁性氧氣分析儀(yi) 的核心。其典型應用場合有化肥生 產(chan) 、深冷空氣分離、火電站燃燒係統、天然氣製乙炔等工業(ye) 生產(chan) 中氧的控製和連鎖，廢氣、尾氣、煙氣等排放的環保監測等。

SICK施克傳(chuan) 感器分離並測定氣樣中各組分濃度，因此是全分析傳(chuan) 感器。在發電廠鍋爐試驗中，已有應用。

工作時，從(cong) 進樣裝置定期采取一定容積的氣樣，在流量一定的純淨載氣（即流動相）攜帶下，流經色譜柱，色譜柱中裝有稱為(wei) 固定相的固體(ti) 或液體(ti) ，利用固定相對氣樣各組分的吸收或溶解能力的不同，使各組分在兩(liang) 相中反複進行分配，從(cong) 而使各組分分離，並按時間先後流出色譜柱進入檢測器進行定量測定。

根據檢測原理，氣相色譜式分析儀(yi) 又細分為(wei) 濃度型檢測器和質量型檢測器兩(liang) 種。

濃度型檢測器測量的是氣體(ti) 中某組分濃度瞬間的變化，即檢測器的響應值和組分的濃度成正比。

質量型檢測器測量的是氣體(ti) 中某組分進入檢測器的速度變化，即檢測器的響應值和單位時間進入檢測器某組分的量成正比。檢測器有TCD熱導檢測器、FLD氫火焰離子化檢測器、HCD電子捕獲檢測器、FPD火焰光度檢測器等。

優(you) 點：靈敏度高，適合於(yu) 微量和痕量分析，能分析複雜的多相分氣體(ti) 。

不足：定期取樣不能實現連續進樣分析，係統較為(wei) 複雜，多用於(yu) 試驗室分析用，不太適合工業(ye) 現場氣體(ti) 監測。

SICK施克傳(chuan) 感器比較特殊，其原理是當氣體(ti) 通過很小的泄漏孔從(cong) 高壓端向低壓端泄漏時，就會(hui) 形成湍流，產(chan) 生振動。典型的湍流氣流會(hui) 在差壓高於(yu) 0.2MPa時變成因素，超過0.2MPa就會(hui) 產(chan) 生超聲波。湍流分子互相碰撞產(chan) 生熱能和振動。熱能快速分散，但振動會(hui) 被傳(chuan) 送到相當遠的距離。超聲波探測器就是通過接收超聲波判斷是否有空氣泄漏。

這類探測器通常用於(yu) 石油和天然氣平台、發電廠燃氣輪機、壓縮機以及其它戶外管道。

SICK施克傳(chuan) 感器的磁化率遠大於(yu) 其他氣體(ti) 磁化率這一物理現象，測量混合氣體(ti) 中氧氣的一種物理氣體(ti) 分析設備。這種設備適合自動檢測各種工業(ye) 氣體(ti) 中的氧氣含量，隻能用於(yu) 氧氣檢測，選擇性。