气体传感器的基本工作原理是什么？

气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置。

气体传感器的基本工作原理是：通过敏感材料与被测气体发生物理或化学反应，引起传感器的某些可测量特性（如电阻、电流、电压、频率、温度、光学性质等）发生变化，进而将这些变化转换为电信号输出，从而实现对气体种类和浓度的检测。

以下是几种主要类型传感器的工作原理概述：

半导体式：
- 核心是金属氧化物半导体材料（如SnO₂、ZnO等）。
- 当敏感材料暴露在空气中（尤其是还原性气体或氧化性气体）时，气体会吸附在材料表面并与其发生反应。
- 这种反应改变了材料内部的载流子浓度（电子或空穴），从而导致其电阻率发生显著变化。
- 通过测量电阻值的变化，即可推算出气体的浓度。
- 常见应用： 家用可燃气体报警器（甲烷、液化石油气），酒精检测仪等。
电化学式：
- 结构与电池类似，包含工作电极、对电极、参比电极以及电解液。
- 被测气体扩散穿过特制的膜到达工作电极表面发生氧化或还原反应。
- 反应产生或消耗电子，从而在工作电极与对电极之间形成电流。
- 此电流的大小（或工作电极相对于参比电极的电压变化）与气体浓度成正比。
- 常见应用： 有毒气体检测（CO, H₂S, O₂, NO₂, SO₂等），生物呼气酒精检测（精度更高），环保监测。
催化燃烧式：
- 核心是一个惠斯通电桥，电桥的两个臂由催化燃烧式元件（检测元件）和补偿元件组成。检测元件表面涂有催化剂（如铂Pt）。
- 当可燃气体（如甲烷、氢气、丙烷等）接触到高温并被催化的检测元件时，会无焰燃烧（催化燃烧）。
- 燃烧产生的热量使检测元件的温度升高，其电阻随之增大。
- 补偿元件仅接触空气，用作参考。电桥因电阻变化而失去平衡，产生不平衡电压信号，该信号与可燃气体的浓度成正比。
- 常见应用： 工业及矿山中的可燃气体泄漏报警。
红外式：
- 基于气体分子对特定波长红外光的选择性吸收特性。
- 传感器发射一束宽谱或特定波长的红外光穿过被测气体。
- 目标气体分子会吸收其特定特征波长的红外光能量。
- 通过测量被吸收后的红外光强度衰减程度（对比参考光束或使用滤光片/探测器选择目标波长），即可确定气体的浓度。
- 常见应用： 精确测量CO₂, CH₄, 制冷剂等。常用于环境监测、暖通空调控制（CO₂）、工业过程控制、气体分析仪。
光电离式：
- 使用高能紫外线（UV）灯。
- UV光子能量足够电离某些特定气体分子（如VOCs，挥发性有机物）。
- 被电离的分子会产生正离子和自由电子。
- 在电场作用下，离子和电子向电极运动，形成微弱电流。
- 电流的大小与被电离的气体分子数量（即浓度）成正比。
- 常见应用： 快速检测低浓度的挥发性有机化合物（VOCs），在环境应急监测、工业卫生等领域使用。

核心共性：

识别与相互作用： 传感器通过物理结构（如扩散孔、滤膜）和化学/物理敏感材料（半导体、催化剂、电解质、光学窗片）选择性接触目标气体并与之发生作用。
信号转换： 物理或化学反应导致了传感元件的一种物理特性发生可量化的变化（电阻ΔR，电流I, 电压V, 频率f, 光强度ΔI, 温度ΔT）。
信号输出： 传感器内部电路（分压、放大、模数转换等）或外部电路将上述变化转换为标准化、可被处理器读取的电信号输出（通常是电压、电流或数字信号）。
浓度关联： 最终输出的电信号强度（幅度）与目标气体的浓度通常存在已知的对应关系（线性或非线性），从而计算出气体浓度值。

关键参数：

在理解原理时，常提及几个重要概念：选择性（Specificity）、灵敏度（Sensitivity）、响应时间（Response Time）、恢复时间（Recovery Time）、稳定性（Stability）、寿命（Lifetime）以及抗干扰能力（受温湿度、其他气体影响）。不同类型的传感器在这些特性上各有优劣。

简而言之，气体传感器就是一个“翻译器”，将看不见摸不着的气体信息（种类、浓度）转换成电信号（看得见、测得出），供后续电路或系统进行处理和显示。