一、催化燃燒式氣體傳感器
催化燃燒式氣體傳感器由對(duì)可燃?xì)怏w進(jìn)行反應(yīng)的檢測(cè)片（D）和不與可燃?xì)怏w進(jìn)行反應(yīng)的補(bǔ)償片（C）2個(gè)元件構(gòu)成。如果存在可燃?xì)怏w的話(huà)，只有檢測(cè)片可以燃燒，因此檢測(cè)片溫度上升使檢測(cè)片的電阻增加。
相反，因?yàn)檠a(bǔ)償片不燃燒，其電阻不發(fā)生變化（圖1）。這些元件組成惠斯通電橋回路（圖2），不存在可燃?xì)怏w的氛圍中，可以調(diào)整可變電阻（VR）讓電橋回路處于平衡狀態(tài)。
然后，當(dāng)氣體傳感器暴露于可燃?xì)怏w中時(shí)，只有檢測(cè)片的電阻上升，因此電橋回路的平衡被打破，這個(gè)變化表現(xiàn)為不均衡電壓（Vout）而可以被檢測(cè)出來(lái)。此不均衡電壓與氣體濃度之間存在圖3所示的比例關(guān)系，因此可以通過(guò)測(cè)定電壓而檢出氣體濃度。
二、NDIR(非色散型紅外線(xiàn))式傳感器的工作原理
NDIR(non-dispersive infrared)式氣體傳感器是通過(guò)由入射紅外線(xiàn)引發(fā)對(duì)象氣體的分子振動(dòng)，利用其可吸收特定波長(zhǎng)紅外線(xiàn)的現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行氣體檢測(cè)的。紅外線(xiàn)的透射率（透射光強(qiáng)度與源自輻射源的放射光強(qiáng)度之比）取決于對(duì)象氣體的濃度。
傳感器由紅外線(xiàn)放射光源、感光素子、光學(xué)濾鏡以及收納它們的檢測(cè)匣體、信號(hào)處理電路構(gòu)成。在單光源雙波長(zhǎng)型傳感器中，在2個(gè)感光素子的前部分別設(shè)置了具有不同的透過(guò)波長(zhǎng)范圍閾值的光學(xué)濾鏡，通過(guò)比較可吸收檢測(cè)對(duì)象氣體波長(zhǎng)范圍與不可吸收波長(zhǎng)范圍的透射量，就可以換算為相應(yīng)的氣體濃度。因此，雙波長(zhǎng)方式可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期而又穩(wěn)定的檢測(cè)。
檢測(cè)原理
用中波段紅外線(xiàn)照射氣體后，由于氣體分子的振動(dòng)數(shù)與紅外線(xiàn)的能級(jí)處于同一個(gè)光譜范疇，紅外線(xiàn)與分子的固有振動(dòng)數(shù)發(fā)生共振后，在分子振動(dòng)時(shí)被氣體分子所吸收。
氣體濃度與紅外線(xiàn)透射率的關(guān)系可通過(guò)下述朗伯-比爾定律進(jìn)行說(shuō)明。對(duì)于NDIR式氣體傳感器來(lái)說(shuō)，對(duì)象氣體的吸光度ε與光程d是不變的，在與成為對(duì)象的氣體吸收能（波長(zhǎng)）一致的光譜范疇，通過(guò)測(cè)定紅外線(xiàn)的透射率T，即可得到對(duì)象氣體的濃度c。
來(lái)自放射源的入射光強(qiáng)度I0，是通過(guò)使用不吸收紅外線(xiàn)的零點(diǎn)氣體校準(zhǔn)后設(shè)定的。吸光度ε是利用已知濃度的對(duì)象氣體進(jìn)行校準(zhǔn)后進(jìn)行初始設(shè)定的。
優(yōu)點(diǎn)
因?yàn)榧t外線(xiàn)是根據(jù)目標(biāo)氣體固有的紅外能量（波長(zhǎng)）被吸收的，所以氣體選擇性非常高成為其最大的特長(zhǎng)。即使在高濃度的對(duì)象氣體中長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行暴露，也從原理上避免了靈敏度的不可逆變化。
三、電化學(xué)式氣體傳感器
傳感器由來(lái)自貴金屬催化劑的檢測(cè)極、對(duì)極與離子傳導(dǎo)體構(gòu)成。當(dāng)CO等檢測(cè)對(duì)象氣體存在時(shí)，在檢測(cè)極催化劑上與空氣中的水蒸氣發(fā)生（1）式所示的反應(yīng)。
CO + H2O → CO2＋ 2H+?+ 2e-?…（1）
檢測(cè)極與對(duì)極接通電流（短路）后，檢測(cè)極產(chǎn)生的質(zhì)子(H+)與同時(shí)產(chǎn)生的電子（e-）分別通過(guò)離子傳導(dǎo)體與外部電線(xiàn)（引線(xiàn)）各自到達(dá)對(duì)極，在對(duì)極上與空氣中的氧之間發(fā)生（2）式所示的反應(yīng)。
（1/2）O2?+ 2H+?+ 2e-?→ H2O …（2）
也就是說(shuō)此傳感器構(gòu)成了由（1）（2）反應(yīng)式形成的（3）反應(yīng)式的全電池反應(yīng)，可以認(rèn)為是將氣體作為活性物質(zhì)的電池。
CO + （1/2）O2?→ CO2?…（3）
當(dāng)做氣體傳感器使用時(shí)，接通檢測(cè)極與對(duì)極的電流，來(lái)測(cè)定其短路電流。
CO濃度檢測(cè)原理公式
對(duì)流過(guò)外部電路的短路電流與氣體濃度的關(guān)系，通過(guò)傳感器進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散控制（控制氣體的流入量），呈現(xiàn)出式子（4）這樣的比例關(guān)系（右圖）。
I = F × (A/σ) × D × C × n …（4）
這里 I：短路電流；A：擴(kuò)散孔面積；σ：擴(kuò)散層長(zhǎng)度；D：氣體擴(kuò)散系數(shù)；C：氣體濃度；ｎ：反應(yīng)的電子數(shù)量
優(yōu)點(diǎn)
反應(yīng)式（1）所示的氧化電位由于比氧化電極電位的基準(zhǔn)值（2H+ + 2e- ? H2)要低（擁有較低電位），因此此反應(yīng)不需要消耗來(lái)自外部的電壓、溫度等其他能量，可以有選擇地進(jìn)行，與別的檢測(cè)方式相比在干擾性、重復(fù)性、節(jié)電方面要優(yōu)越得多。
四、半導(dǎo)體式氣體傳感器
STEP1
在潔凈的空氣中，氧化錫表面吸附的氧會(huì)束縛氧化錫中的電子，造成電子難以流動(dòng)的狀態(tài)。
STEP2
在泄漏的氣體（還原性氣體）環(huán)境中，表面的氧與還原氣體反應(yīng)后消失，氧化錫中的電子重獲自由，受此影響，電子流動(dòng)通暢。
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檢測(cè)原理
當(dāng)氧化錫粒子在數(shù)百度的溫度下暴露在氧氣中時(shí)，氧氣捕捉粒子中的電子后，吸附于粒子表面。結(jié)果，在氧化錫粒子中形成電子耗盡層。由于氣體傳感器使用的氧化錫粒子一般都很小，因此在空氣中整個(gè)粒子都將進(jìn)入電子耗盡層的狀態(tài)。這種狀態(tài)稱(chēng)為容衰竭（volume depletion）。相反，把粒子中心部位未能達(dá)到耗盡層的狀態(tài)稱(chēng)為域衰竭（regional depletion）。
使氧氣分壓從零（flat band開(kāi)始按照小（[O-](Ⅰ)）→中（[O-](Ⅱ)）→大（[O-](Ⅲ)））的順序上升時(shí)，能帶結(jié)構(gòu)與電子傳導(dǎo)分布的變化如下圖所示（[O-]：吸附的氧氣濃度）。
在容衰竭（volume depletion）狀態(tài)下，電子耗盡層的厚度變化結(jié)束，產(chǎn)生費(fèi)米能級(jí)轉(zhuǎn)換pkT，電子耗盡狀態(tài)往前推進(jìn)則pkT增大，后退則pkT縮小。
■ 隨著吸附的氧氣濃度增加半導(dǎo)體粒子的耗盡狀態(tài)在推進(jìn)
容衰竭（volume depletion）狀態(tài)下球狀氧化錫粒子表面的電子濃度[e]S可用施子密度Nd、粒子半徑a以及德拜長(zhǎng)度LD通過(guò)式子（1）表示。如果p增大則[e]S減少，p減少則[e]S增大。
[e]S=Nd?exp{-(1/6)(a/LD)2-p} ... (1)
由大小、施子密度相同的球狀氧化錫粒子組成的傳感器的電阻值R，可使用flat band時(shí)的電阻值R0，通過(guò)式子（2）表示。[e]S減少則將增大，[e]S增大則將縮小。
R/R0= Nd/[e]S?... (2)
使用了氧化錫的半導(dǎo)體式氣體傳感器，就是這樣通過(guò)氧化錫粒子表面的[O-]的變化來(lái)體現(xiàn)電阻值R的變化。 置
于空氣中被加熱到數(shù)百度的氧化錫粒子，一旦暴露于一氧化碳這樣的還原性氣體中，其表面吸附的氧氣與氣體之間發(fā)生反應(yīng)后，使[O-]減少，結(jié)果是[e]S增大，R縮小。
消除還原性氣體后，[O-]增大到暴露于氣體前的濃度，R也將恢復(fù)到暴露于氣體前的大小。使用氧化錫的半導(dǎo)體式氣體傳感器就是利用這個(gè)性能對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)。
審核編輯：劉清