目前气体仪器仪表测量原理应用比较多的有电化学、催化燃烧、红外、PID光离子化、热裂解、热导等，下面对测量原理进行介绍。

催化燃烧

催化燃烧式传感器是一种传统的气体浓度检测传感器，也称催化可燃气体传感器。该传感器由jonson于1923年研制，至今一直占据市场的主导地位。它可以便宜地制造，并可用于检测大多数可燃气体。因此，在石化等行业中具有广泛的应用。

该传感器的检测原理如下：当可燃气体与传感器表面的气敏材料接触时，会发生氧化反应，进而产生热量变化。在电场作用下，这种热量变化就被转化为电阻变化，从而实现了对目标气体浓度的快速检测。催化燃烧式传感器通常基于单臂电桥（又称惠斯通电桥）进行设计，如图1所示。贵金属铂金线圈嵌入陶瓷颗粒中，当电流通过线圈时，热能被释放出来，使得陶瓷颗粒及其内部的线圈温度升高。因而改变电阻信号并可通过测定电阻值的变化，来获得可燃气体的浓度信息。像固定式气体检测报警器测量氢、可燃气体就是利用催化燃烧原理。

图1 催化燃烧式传感器中惠斯通电桥及核心陶瓷颗粒结构

电化学法

在20世纪80年代发明的电化学传感器通常用于检测密闭空间内气体的含量。举例如下：测定氮气制造车间、地下仓库等地点的氧气含量，以确保工作环境的氧气充足；另外，也可用于检测化工车间、矿井中有害气体的含量（如一氧化碳、二氧化氮），以保证工人的安全。

通过测量气体在电极上的氧化还原反应引起的电流强度，可以表征气体浓度。按照电极数量，电化学传感器分为两电极和三电极型。在两电极型传感器中，感应电极的一端位于电解质中，另一端暴露于空气中，氧气是电子受体。当目标气体分子扩散到电极时，会发生氧化还原反应，并在外部电路中产生电流。感应电极上发生氧化反应时，对电极则发生还原反应，反之亦然。相比于两电极型，三电极化学传感器还附带一个参比电极，如图2所示。通过恒电位仪将电流信号放大后，可用微安表定量地显示感应电极发生的氧化或还原反应的气体量。传感器中的稳压电路能保证气体稳定扩散，从而使输出电流强度和测得的气体浓度之间呈现较佳的线性关系。

图2　三电极型电化学传感器结构示意图

电化学传感器适用于检测具有电化学活性的气体。与催化燃烧式传感器相比，待测气体经过电化学传感器时具有相对稳定的扩散势垒，所需的检测功率也较低。需要注意的是，一些无电化学活性的气体也有可能会与传感器中的某些成分发生反应，从而产生交叉反应，导致检测滞后，影响测定结果的准确性。此外，电化学传感器对温度和湿度的变化非常敏感，同时易受碱金属、酸性/碱性气体的腐蚀，因此在使用电化学传感器时，需要对检测环境进行预估评判。

比如氧分析仪、便携二合一气体报警器、便携四合一气体报警器的传感器都涉及到电化学。

红外光谱

红外传感器基于气体分子的近红外光谱选择性吸收特性，用于检测大多数碳氢类气体。常规的红外传感器由红外光源、样品池和热释电探测器三部分组成（如图3所示）。红外光源能产生稳定且强度相等的光束，通过反射镜反射至安装有参比滤光片和检测滤光片的检测器中。当气体分子进入样品池后，会吸收特征波长的红外光，导致该波长红外光强度减弱，据此按朗伯-比尔定律计算待测气体浓度。同时，引入参比信号可以有效地减少光源不稳定带来的检测误差。

图3 红外传感器结构示意图

红外传感器可在低氧条件下进行检测，且由于待测气体与传感器无直接接触，因此特别适用于检测腐蚀性和反应性气体。红外传感器的另一优点是克服了催化燃烧式传感器过热易损耗的缺陷。需要注意的是，红外传感器无法检测由同一种原子构成的气体分子，如氧气、氢气、氮气等。这是因为同构分子中电子的分布是均衡的，其与红外线相互作用不会引起能量转移，因此红外传感器无法检测这些气体分子。红外传感器针对二氧化碳和一些挥发性有机气体的检测具有极大的优势, 并且只需要每年进行一次零点检查。

PID光离子化

作为一种高灵敏度的气体检测设备，光离子化检测器使用紫外灯电离，并且对被测气体无破坏。光离子化检测器具有体积小、响应时间短和精度高等优点，因此非常适合被设计为VOCs检测设备。

当被测气体(VOCs)进入电离室时，在光离子化检测器中紫外灯会照射其内部，如图4所示。不同物质具有不同的电离势能，在紫外灯的电离势能超过被测气体的电离势能时，被测气体中的物质即会发生电离。在极板电压的作用下，电离后的被测气体定向移动并最终被收集到收集板上。由于被测气体浓度与电流信号成正比，在后续处理过程中，经过放大滤波等电路的处理，可以实现对被测气体的检测。挥发性有机化合物检测仪就是利用的PID传感器进行气体检测。

图4 光离子化工作原理

热导

热导式传感器使用可燃气体与空气的热导率差异来测定气体浓度，其结构与传统催化燃烧式传感器类似，但不同之处在于热导式传感器中惠斯通电桥增加了补偿微珠。当待测气体的热导率高于作为参考的空气时，测量微珠将损失更多热量，导致电阻变化，进而输出电压以实现气体浓度的测定。由于该检测原理是基于热导率的，因此当以空气为参考气体时，热导式检测器适用于检测热导率比空气高的低相对分子质量气体，例如氢气、甲烷和氦气等。对于热导率与空气相近的气体如二氧化碳、氧气、氮气等，则需要使用氢气或氦气作为参考气体。

热导式传感器的优势在于使用过程中不涉及催化过程，无需氧气供应，特别适用于石化炼油厂、工业气体排放/泄漏等含有高浓度可燃气体的检测。值得注意的是该类传感器受空气湿度的影响较大，因此测定环境需要维持较稳定的温度和湿度，并且需要定期对传感器进行手动校准。氢分析仪就是利用热导原理进行气体检测。

热裂解

以三氟化氮为例，通过超高温裂解+电化学原理进行检测，采用精确的加热控制和结构设计保证裂解效率（裂解温度600度），大大减少了生成产物的种类，减小了交叉干扰，裂解反应化学方程式为：NF₃+H₂O->NO+NO₂+... 。然后采用MO₂等作为转化剂将NO转化为NO₂，然后根据电化学传感器检测生成产物NO₂的浓度就可以反向推算出三氟化氮气体的浓度。

图5 三氟化氮气体传感器探头组成原理图