氫是一種清潔可再生能源載體(ti) ，能夠為(wei) 汽車提供動力，而唯一排放物是水，氫燃料電池被確認為(wei) 新能源車的優(you) 選方案。但是，氫氣和空氣混合時卻極易燃，因而需要特別有效的傳(chuan) 感器進行監控。

探查氫氣非常具有挑戰性。此類氣體(ti) 不可見、無味，但是易揮發，極易燃，空氣中隻需含有4%的氫氣就能產(chan) 生氫氧氣體(ti) ，有時也稱為(wei) 氫氧混合氣（knallgas），最小的火花都能將此類氣體(ti) 點燃。為(wei) 了保證未來氫燃料汽車以及相關(guan) 基礎設施的安全，必須探測空氣中微小含量的氫氣，而且氫氣傳(chuan) 感器的響應速度必須足夠快速，以便在起火發生之前探測到泄露的氫氣。

 

鑒於(yu) 氫氣在食品衛生、能源動力、軍(jun) 事國防等領域的廣泛使用以及不安全性，在使用氫氣時必須對其濃度進行檢測。國內(nei) 外已經進行了大量關(guan) 於(yu) 氫氣傳(chuan) 感器的研究， 目前氫氣傳(chuan) 感器主要有電化學型、電學型、光學型三大類。

氫氣傳(chuan) 感器的技術現狀

 

1、電化學型氫氣傳(chuan) 感器

電化學型氫氣傳(chuan) 感器是將化學信號轉變為(wei) 電信號從(cong) 而實現氫氣濃度檢測的氫氣傳(chuan) 感器。

電化學型傳(chuan) 感器由兩(liang) 個(ge) 電極組成， 采用一個(ge) 電極作為(wei) 傳(chuan) 感元件，另一個(ge) 電極作為(wei) 參考電極， 當氫氣與(yu) 傳(chuan) 感電極發生電化學反應時，電極上的電荷傳(chuan) 輸或電氣性質會(hui) 發生改變，傳(chuan) 感器通過檢測相應物理量的變化實現氫氣濃度檢測的目的。電化學型氫氣傳(chuan) 感器又可分為(wei) 兩(liang) 類: 電流型與(yu) 電勢型。 

1 ）電流型氫氣傳(chuan) 感器

電流型傳(chuan) 感器的正常工作溫度範圍為(wei) -20℃ 至80℃。通過比較不同的催化
電極的製備方法( 濺射鍍膜法、化學鍍膜法、鉑黑模壓法等) 和相應傳(chuan) 感器的性能， 得出濺射鍍膜法製備的鉑催化電極的活性最高，性能穩定，可以 在0至104ppm的範圍內(nei) 實現氫氣濃度的快速檢測，傳(chuan) 感器響應時間為(wei) 30s， 靈敏度為(wei) 4μA /100ppm。溫度、壓強和濕度變化都對測量結果影響較大。

2）電勢型氫氣傳(chuan) 感器

電勢型傳(chuan) 感器是通過測量傳(chuan) 感電極和參考電極之間的電勢差來測量氫氣濃度的，其應用範圍比較廣泛，可以檢測常溫或高溫下氣體(ti) 、水溶液、溶態金屬中的氫氣含量。  
從(cong) 傳(chuan) 感器本身來看，電勢型氫氣傳(chuan) 感器與(yu) 自身的體(ti) 積和結構幾乎不相關(guan) ，因此適合微型化生產(chan) 是其一大優(you) 勢; 從(cong) 測量信號來看， 電流型氫氣傳(chuan) 感器的響應與(yu) 氫氣濃度成線性關(guan) 係，電勢型氫氣傳(chuan) 感器與(yu) 氫氣濃度成對數關(guan) 係， 因此， 電流型氫氣傳(chuan) 感器在氫氣濃度較低時具有更高的靈敏度。 
 

2、電學型氫氣傳(chuan) 感器 

電學型氫氣傳(chuan) 感器主要是利用了材料的電學特性與(yu) 氫氣濃度存在一定的函數關(guan) 係， 通過檢測電學物理量，測得氫氣濃度。根據工作原理的不同， 電學型氫氣傳(chuan) 感器可以分為(wei) 電阻型與(yu) 非電阻型。

1）電阻型氫氣傳(chuan) 感器

電阻型氫氣傳(chuan) 感器主要為(wei) 半導體(ti) 金屬氧化物氫氣傳(chuan) 感器，半導體(ti) 金屬氧化物吸附氧氣時， 電阻率會(hui) 顯著增加，當氫氣等還原性氣體(ti) 將金屬氧化物化學吸附層中的氧氣還原時， 電阻率會(hui) 隨之變化， 通過檢測電阻變化量即可檢測氫氣濃度。

大部分半導體(ti) 金屬氧化物傳(chuan) 感器都采用氧化錫作為(wei) 敏感材料， 其平均響應時間在 4s 至 20s，可測氫氣濃度範圍為(wei) 10ppm至 20ppm。采用單一的金屬氧化物對於(yu) 氫氣的選擇性不高，為(wei) 了提高選擇性， 可以摻雜對氫氣選擇性好的金屬材料，比如鈀、鉑等。 

電阻型氫氣傳(chuan) 感器響應速度快， 使用壽命長， 可以達到 10 年。但是其對氫氣選擇性差， 極易受到其他還原性氣體(ti) 的幹擾，例如甲烷、一氧化碳、醇類物質等。 

2）非電阻型氫氣傳(chuan) 感器

非電阻型氫氣傳(chuan) 感器主要是利用了材料電容或勢壘與(yu) 氫氣濃度成一定的函數關(guan) 係。根據傳(chuan) 感器工作原理和結構的不同分為(wei) 肖特基二極管型和場效應
管型。

目前，肖特基二極管型傳(chuan) 感器應用較廣泛。肖特基二級管型氫氣傳(chuan) 感器的基本原理是: 在半導體(ti) 上沉積一層非常薄的金屬就形成“肖特基結”，氫氣接觸到肖特基結時被吸附在具有催化性能的金屬表麵， 並被快速催化分解為(wei) H， H 經過金屬晶格間隙， 擴散至金屬半導體(ti) 界麵， 將一定偏置電壓加在傳(chuan) 感器上， 由於(yu) H 的存在，半導體(ti) 二極管特征曲線發生漂移， 傳(chuan) 感器通過檢測電壓或電容的變化來檢測氫氣濃度。 

電學型氫氣傳(chuan) 感器具有結構簡單， 易實現微型化，易集成等優(you) 點。但是其工作所需溫度較高， 增加了能耗，並且其工作時易產(chan) 生電火花， 不適用於(yu) 易燃易爆場所氫氣濃度的檢測。 

3、光學型氫氣傳(chuan) 感器 

光學型氫氣傳(chuan) 感器主要利用氣體(ti) 的光學特性。根據工作原理的不同， 主要分為(wei) 以下幾類: 光纖氫氣傳(chuan) 感器、聲表麵波氫氣傳(chuan) 感器、光聲氫氣傳(chuan) 感器。

1）光纖氫氣傳(chuan) 感器

光纖氫氣傳(chuan) 感器的原理是利用光纖與(yu) 氫敏材料結合，通過氫敏材料與(yu) 氫氣反應後引起光纖物理性質的改變，導致光纖中傳(chuan) 輸光的光學特性的變化， 通過檢測輸出光對應物理量的變化測得氫氣濃度。

根據傳(chuan) 感機理的不同， 光纖氫氣傳(chuan) 感器可以分為(wei) : 微透鏡型、幹涉型、消逝場型、光纖布拉格光柵型。 

a、微透鏡型光纖氫氣傳(chuan) 感器

在光纖的一個(ge) 端麵覆蓋一層鈀膜， 形成微型鈀鏡，光通過光纖傳(chuan) 輸時， 大部分光可以透過鈀膜。鈀在吸附了氫氣後會(hui) 形成氫化鈀， 當光透過鈀氫薄膜時，其反射率與(yu) 折射率都會(hui) 發生改變， 通過分析光譜變化，可以測得氫氣濃度。 

 

b、幹涉型光纖氫氣傳(chuan) 感器

幹涉型光纖氫氣傳(chuan) 感器的基本原理是鍍有鈀或鈀合金膜的光纖在有氫環境中其鈀膜會(hui) 膨脹， 以致拉伸光纖，增加光程， 導致信號臂中光信號的相位發生改變。由幹涉儀(yi) 測量相位的變化量可以測得氫氣濃度。 

該類傳(chuan) 感器具有精度高，重複性好， 誤差小等優(you) 點。其主要缺點為(wei) 測量精度易受環境溫度影響， 實際使用中可以進行溫度補償(chang) 提高其測量精度。 

 

 

c、消逝場型光纖氫氣傳(chuan) 感器

消逝場型氫氣傳(chuan) 感器是利用氫氣對消逝場的影響來檢測氫氣濃度的。 該傳(chuan) 感器的製作通常為(wei) 去掉一部分的光纖包層， 使其達到消逝場的作用範圍， 當光通過該區域時光強沿芯徑向呈指數衰減。在該區域鍍上氫敏材料，氫敏材料與(yu) 氫氣發生反應後光學性質發生變化，相應的消逝場也會(hui) 改變， 通過測量光強的變化量可以測得氫氣濃度。 

 

該類傳(chuan) 感器可以通過調節敏感器長度和鈀膜厚度，實現靈敏度和響應時間的獨立優(you) 化， 可以利用OTDＲ( 光時域反射) 技術實現分布式傳(chuan) 感， 並且適用於(yu) 遠距離傳(chuan) 感，在線測量。 

d、光纖布拉格光柵( FBG) 氫氣傳(chuan) 感器

FBG 氫氣傳(chuan) 感器的光纖纖芯包含成周期性排列的布拉格光柵， 不僅(jin) 能夠對折射率進行周期性的調製，還能夠反射特定波長的光。當光纖纖芯鍍有鈀膜時，如果待測氣體(ti) 中含有氫氣， 氫氣滲透入鈀膜， 生成的 PdHx 使得鈀膜體(ti) 積膨脹，從(cong) 而使光柵柵距變大， 進而導致光柵的反射光中心波長發生變化。通過測量光柵反射光中心波長的變化， 可以測得氫氣濃度。 

FBG 氫氣傳(chuan) 感器具有抗光源擾動， 穩定性高， 易於(yu) 實現多路複用等優(you) 點。但是其鈀膜易起泡脫落， 壽命有限，且信號解調難度較高。 

 

2）聲表麵波氫氣傳(chuan) 感器

聲表麵波( SAW) 是一種沿彈性機體(ti) 表麵傳(chuan) 播的聲波。其振幅隨壓電基體(ti) 材料深度的增大按指數規律衰減。應用此原理的氫氣傳(chuan) 感器一般為(wei) 聲表麵波震蕩器。根據反饋元的不同， 該類傳(chuan) 感器可以分為(wei) 延遲線型和諧振器型，目前主要采用延遲線型振蕩器結構。

該傳(chuan) 感器的關(guan) 鍵部件是具有選擇性的氫敏感膜，一般以金屬鈀為(wei) 材料。聲表麵波在氫敏感膜吸附氫氣前後的光學特性會(hui) 發生改變， 通過測量頻率變化量，可以檢測氫氣濃度。 

該傳(chuan) 感器測量精度高， 但是其敏感膜易受腐蝕，壽命短且成本較高。

 

3）光聲氫氣傳(chuan) 感器

光聲氣體(ti) 傳(chuan) 感器的基本原理是基於(yu) 氣體(ti) 的光聲效應。氣體(ti) 的光聲效應可以分為(wei) 兩(liang) 個(ge) 階段: ( 1) 光的吸收: 待測氣體(ti) 吸收特定波長的調製光後處於(yu) 激發態; ( 2) 聲的產(chan) 生: 吸收光能後的氣體(ti) 分子以無輻射弛豫過程將光能轉化為(wei) 分子的平均動能，使氣體(ti) 分子加熱， 氣體(ti) 溫度以與(yu) 調製光相同的頻率被調製，導致氣體(ti) 壓強周期性的變化， 從(cong) 而在光聲池中激發出相應的聲波。

對於(yu) 在紅外波段沒有吸收的氫氣， 可以采用間接光聲光譜的方法測量氫氣濃度。 

 

光聲氫氣傳(chuan) 感器靈敏度高， 響應速度快， 但是受光聲池及溫度影響大，溫度變化 0. 0274℃ 和氫氣濃度變化 100ppm 引起聲速的改變量相同， 並且其方法間接，所以此傳(chuan) 感器應用較少。 

 

氫氣傳(chuan) 感器的發展方向與(yu) 趨勢

 

目前市場上電化學與(yu) 電學氫氣傳(chuan) 感器占有率較高。各種電化學氫氣傳(chuan) 感器的工作溫度範圍覆蓋較廣，並且功耗很低， 靈敏度高， 但是其電極壽命有限，並且工作時需要提供給傳(chuan) 感器電流或電壓， 不適用於(yu) 易燃易爆場所。電學型氫氣傳(chuan) 感器具有結構簡單， 易實現微型化， 易集成的優(you) 點， 但是其工作所需溫度較高，增加了能耗，並且其工作時易產(chan) 生電火花， 同樣不適用於(yu) 易燃易爆場所。

光學型氫氣傳(chuan) 感器中聲表麵波型與(yu) 光聲型通過測其頻率的偏移量來檢測氫氣濃度的方法受環境因素影響較大， 而光纖氫氣傳(chuan) 感器具有本征安全、抗電磁幹擾、體(ti) 積小、耐腐蝕等優(you) 點， 並且其傳(chuan) 感器靈敏度和測量精度高， 能夠達到實時響應。根據傳(chuan) 感機理的不同，可以製作出適用於(yu) 單點測量和分布式多點測量的多種光纖氫氣傳(chuan) 感器。因此光纖氫氣傳(chuan) 感器將成為(wei) 氫氣傳(chuan) 感器研究領域的主要內(nei) 容，隨著傳(chuan) 感器製作工藝的提升和信號解調技術的發展，光纖氫氣傳(chuan) 感器將占據更大的市場。 

盡管氫氣傳(chuan) 感器主要用於(yu) 氫能源載體(ti) ，但是其也有其他可能應用。電力網絡工業(ye) 、化學和核能行業(ye) 都需要此類高效氫氣傳(chuan) 感器，而且也可用於(yu) 改善醫療診斷。