知识分享 | 气体传感器常用术语讲解（上）

1. 量程范围(RANGE)

定义：能够保证传感器规格书所列各项参数的最高气体浓度。

问：量程范围有多宽?

答：不同的气体传感器都有各自的量程范围，低至1ppm，高至100%vol。1ppm量程的传感器是测量特毒的毒气，100%vol量程的是测量高浓氧气。医疗氧传感器的量程比较特殊。

例如：200,000%mbar，这个单位的意思是在大约2个标准大气压下，传感器最高能测到100%vol，计算式为

2,000mbar*100%vol=200,000%mbar(1标准大气压=1013mbar)

问：输出和气体浓度是什么关系？

答：EC传感器有的是电流源，即输出电流和被测气体浓度成正比；有的是电压源，即输出电压和气体浓度成正比。这种“成正比”的关系在仪表行业称为“线性”，即被测气体浓度和输出电流或电压成线性。

问：什么是过载量程?

答：有些传感器的规格书上除了量程，还有一个参数叫“过载量程”(OVERLOAD RANGE)。这个参数是告诉用户：在这个浓度下，传感器可以短时间(几分钟)测量而传感器不会永久性损坏，但性能无法符合规格书上所列参数。如果超过过载量程，会造成传感器永久损坏。

常见单位：

• VOL%：指混合气体的浓度体积比。在检测二氧化碳、氧气时使用该单位；

• LEL%：指可燃气体爆炸下限的百分比。即可燃气体与空气混合时，遇到最小点火能量，发生爆炸的最低浓度。

• UEL%：可燃性气体与空气混合，着火导致爆炸产生的最高浓度值。

• PPM：PPM是英文part per million的缩写，表示百万分之几，体积浓度（ppm），表示一百万体积的空气中所含污染物的体积数。PPB: PPM是英文part per billion的缩写，气体浓度的10亿分之一。※1ppm=1000ppb

• 气体摩尔体积：单位物质的量的气体所占的体积，符号为Vm，常用单位L/mol 或m3/mol。在标准状况下(0℃，101KP的状态)，1mol任何气体所占体积都约为22.4L。

我们国家的标准规范也都是采用质量浓度单位（如：mg/m3）表示。

2.灵敏度(SENSITIVITY)

定义：被测气体改变一个单位浓度，传感器输出电流或电压的改变量。

问：灵敏度单位是什么？

答：对毒气传感器来说，最常见的单位是nA/ppm或uA/ppm。对常量氧传感器来说，其单位是uA@20.9%VOL O2，意思是在空气中，输出的电流是多少微安。对微量氧传感器来说，其单位是mV@20.9%vol O2，当然，我不赞成微量氧传感器放在空气中测试，因为微量氧传感器是测ppm级O2的，长时间暴露在空气中，会让它很快失效。对医疗氧气传感器来说，其单位是mV@20.9%vol O2，医疗氧气传感器的最大量程都是100%vol。

问：灵敏度会变化吗？在什么情况下会变化？

答：EC传感器的灵敏度是会变化的，影响灵敏度的因素包括：温度、湿度、压力、流速、寿命、干扰气体。以上参数，在规格书所定义的范围内变化是不会影响传感器寿命的，但如果超过了这些范围，传感器可能会受到不可逆的破坏。

3. 响应时间(Response Time)

定义：传感器信号从零点上升到通气平衡点一定百分比，所需的时间成为响应时间，通常用T90来描述。从零点上升到平衡信号值的50%所需要的时间称为T50，从零点上升到70%所需的时间称为T70,从零点上升到90%所需的时间称为T90。

问：为什么响应时间很重要？

答：因为气体传感器主要是保护人身安全的。当氧气或毒气超过对人体有害的范围，人员必须撤离该环境，撤离时间越短越好。因此，传感器响应时间越短，就留给撤离人员越多的时间。

问：如何确定零点，如何确定平衡点呢？

答：对于常规气体传感器，当它暴露在空气中，3分钟之内读数变化不超过一个分辨率，即认为是平衡了。具体地说，对O2传感器来说，读数变化不超过±0.1%，即认为是平衡了；对CO传感器来说，读数变化不超过1ppm，即认为平衡了；对H2S传感器来说，读数变化不超过0.1ppm，即认为平衡了；对分辨率为10ppm的H2传感器来说，读数变化不超过10ppm，即认为平衡了。

问：有的传感器通气后读数会一直上升，如何确定平衡点呢？

答：对于吸附性强的气体，其传感器的T90计算和CO、H2S常规气体是不一样的。例如，在NH3传感器的规格书上“T90”后面会跟上一句“<60s calculated from 5 min. exposure time”。它的意思是说，通气5分钟，即认为是平衡，然后用5分钟时候的灵敏度还计算T90时间。这里的“通气5分钟”也是有技术条件的：

• NH3气体流速为500±100ml/min；

• 管路和流量计是特氟龙材质或不锈钢的；

• NH3浓度在量程范围之内；

• 流动的NH3气体和传感器之间不能有任何薄膜或钢网的阻挡。

常见有吸附性的气体包括：H2S、CL2、SO2、NH3、HCL、HF、F2等等。常见的没有吸附性的气体包括：O2、H2、CH4、CO、CO2等等。

4. 恢复时间(Recovery Time)和归零时间

恢复时间定义：恢复时间是表述传感器从标准气体回复到零点气体时，信号回复快慢的一个参数。常用的是RT90，它的意思是，从传感器通气平衡状态恢复到10%信号所花的时间。例如，CO标准气是500ppm，当传感器信号从500ppm回到50ppm(500ppm*10%=50ppm)的这段时间，就是RT90了。

归零时间定义：归零时间是表述从传感器通气平衡状态恢复到3个分辨率的读数所需要的时间。例如，CO传感器的分辨率是1ppm，标准气是500ppm，当传感器信号从500ppm回到3ppm的这段时间，就是归零时间了。

问：用不同浓度的标准气体测试EC传感器，RT90时间和归零时间会不一样吗？

答：是会不一样的。浓度越高，RT90时间和归零时间越长。扩散的模式符合菲克定理。

问：不同的温度下，EC传感器的响应时间和恢复时间一样吗？

答：不一样。温度越高，响应时间和恢复时间越短，温度越低越长。

问：所有的EC传感器在规格书上都写了RT90和归零时间吗？

答：到目前为止，少数传感器有归零时间。

问：毒气传感器和氧气传感器RT时间的计算方法一样吗？

答：不一样。毒气传感器从零气往上升计算T90，从平衡标准气下降计算RT90和归零时间。而氧气传感器是从空气20.9%vol下降到纯N2计算T90，这主要是从工业人员安全考虑。

5. 分辨率(Resolution)

定义：分辨率是描述传感器能够分辨的最小的气体浓度改变量的参数。分辨率和灵敏度和噪声相关，类似电子技术里面的一个参数——信噪比。计算公式是：分辨率=3 X 60秒信号标准差/灵敏度

问：如何计算信号标准差？

答：在传感器信号被放大之后，会送入模数转换器ADC。系统噪声需要用标准差(STDEV)来衡量，STDEV可以通过Office Excel里的STDEV()函数来计算。

问：如何计算灵敏度？

答：将传感器和电路板系统的零点CTS平均值和通气平衡后的CTS平均值相减，取绝对值，再除以通气浓度即可得到。例如，零点CTS平均值为1952CTS，3ppm通气平衡后的CTS平均值为2139CTS。问该系统的灵敏度是多少？

计算公式：|2139-1952|/3 = 62.3 CTS/ppm

通过上面两问和解答，我们就可以计算出来系统的分辨率了：

3*STDEV/灵敏度=3*1.7/62.3=0.08ppm

问：传感器的分辨率和精度有什么关系？

答：并无直接关系。传感器的分辨率是由上面的公式计算所得。传感器本身并无精度的概念，所以传感器的规格书上也没有精度的参数定义。精度是描述仪器、仪表读数和气体真实值之间的差值，也叫准确性，表示方法有±xppm@100ppm，±5%Reading，±5%rel或±10%F.S.。

6. 重复性(Repeatability)

定义：在同一天之内，每小时通气一次同样浓度的标准气，获得6次通气平衡的读数，然后计算6次读数的标准差。该标准差越接近于零，说明传感器的重新性越好。下图是电化学传感器的6次重复性实验曲线。

问：重复性在规格书上有定义吗？

答：绝大多数传感器在规格书上都不写该参数，但传感器在研发验证的时候是一定要做此实验的。仪器仪表在做认证的时候，也是一定要做此实验的。

问：重复性和长期稳定性之间有什么关系？

答：重现性是考察传感器一天之内的稳定性，长期稳定性是考察28天的稳定性。重复性不好的传感器长期稳定性也不会很好，因为传感器的读数在一天之内都不够确定，如何能相信它在长期之内获得准确的读数呢？

问：一天之内气温有变化，那怎么知道是温漂还是重现性不良呢？

答：建议重现性测试在一个一天温度变化不超过5℃的房间内进行，因为在5℃之内，传感器的灵敏度几乎是没有变化的。这样就可以排除传感器因为温漂而产生误差的可能性了。

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