紫外光離子化氣體傳感器（一）
光離子化(PID)傳感器，其原理簡單地說，就是利用高壓交變的電場，使某些惰性氣體電離產生紫外光，紫外光的能量比可見光要高，它會將氣體電離成帶正電荷的離子和帶負電荷的離子，然后我們用電子學的方法，檢測這些離子的多少，從而判斷被測氣體的濃度。PID能檢測十億分之一(ppb)到百萬分之一(ppm)濃度級別的化合物，特別是有機揮發物(VOC)。它是非色散紅外、電化學、催化燃燒氣體傳感器的補充，也是技術含量比較高，價格比較昂貴的一種氣體探測器。
PID傳感器的發明大約有20年的歷史了，技術也在不斷的進步中。
1. 光離子化傳感器簡介
什么是PID?
光離子化傳感器PID，英文全稱是Photo Ionization Detector。它是利用紫外光光子較高的能量將氣體物質電離，然后測量物質電離后所產生的微弱電流，從而計算出空氣中被電離氣體的總量。
PID傳感器有什么好處?
光離子化(PID)傳感器有一個特殊功能，就是它能檢測十億分之一(ppb)到百萬分之一(ppm)濃度級別的化合物，特別是有機揮發物(VOC)。它是催化燃燒、電化學和紅外傳感器的補充，也是技術含量比較高，價格比較貴的一種氣體探測器。
PID傳感器是如何構成的？
它的結構包括一個紫外光源、一副高頻電場發生器、一副電子收集電極和一套微弱電流轉電壓的電路。紫外光將氣體電離，從而釋放出電子，電子收集電極將電子收集，再由微弱電流轉電壓電路將信號變成模數轉換器可以識別的電壓信號。并非所有的氣體都能被電離，但是大多數VOC容易被電離，那是因為電離能比較低的緣故。
PID傳感器的優點有哪些?
其優點包括:
1. 可以用比較小體積的傳感器檢測出極低濃度的VOC；
2. 功耗低；
3. 受溫度影響小。
PID傳感器的缺點有哪些?
其缺點包括:
1. PID燈泡容易漏氣而失效；
2. 受濕度影響大；
3. 信號非線性，需要多濃度點標定；
4. 只能測量VOC的總量。
PID傳感器的銷量和單價大概多少？
PID在工業安全領域的銷售量并不大，并無法撼動催化燃燒、電化學和紅外氣體傳感器的地位。但是隨著國內環保領域投資的加大，PID傳感器的銷量突飛猛進，目前正在向5萬只/年的銷量進軍。國外主要的供應商有Baseline和Alphasense。最近又新增加了一個新的品牌Sensovol，由諾聯芯電子科技經銷。關于價格，是根據量程和數量而定，比Baseline和Alphasense略低。
PID傳感器的細分市場有哪些?
其細分市場包括：
1. 石油化工。監控有機氣體的微弱泄漏。
2. 國防公安。測量微量、劇毒的毒氣。
3. 室外空氣質量。特別是石油化工廠周邊的環境，有一些低濃度、有異味的VOC需要24小時監測。
4. VOC在線排放監測。該應用是和非色散紅外技術并駕齊驅的一種監測VOC的技術，安裝在VOC焚燒和吸附裝置的前面，監測VOC排放的濃度。
PID傳感器今后的發展趨勢有哪些?
1. 長壽命的紫外光源
2. 輸出數字化。
3. 和氣體分離設備聯用，例如氣相色譜儀，用作氣體的定性和定量分析；
2. 檢測量程(Detecting Range)
定義：以異丁烯(i-C4H8)為被測氣體，PID能夠保持檢測精度的最高氣體濃度。
為什么以異丁烯為PID的標準氣體?
原因如下:
1. 異丁烯電離能比較低，Ie=9.24V，無論9.8eV、10.6eV、還是11.7eV的紫外燈(UV燈)，都能將其電離。
2. 碳鏈長度為3，有1支鏈，分子不大不小，和絕大多數揮發性有機物VOC大小相當，具有代表性。
3. 異丁烯低毒，常溫下呈氣態。作為標定氣體，對工作人員健康無影響。
4. 價格不高，比較好買。
5. 其濃度用其他的物理測量方法也比較好檢查。
濃度超過量程PID會壞嗎？
短時間使用，PID不會壞。長時間使用，就不行。事實上，如果現場有1000PPM以上的VOC，用PID性價比就不太合適了，因為VOC會逐漸冷凝在UV燈和插指電極之上，導致靈敏度下降。而高濃度的VOC在線監測應該用非色散紅外傳感器。
被測氣體濃度如果過大，對傳感器會有什么危害?
如果PID長時間工作在高濃度VOC中，收集電子的電極上會堆積沾污，無法自行離開傳感器，表現出來就是PID靈敏度降低。這個時候就需要用甲醇清洗UV燈和電極了。
3. 線性量程(Linearity Range)
定義：數字化的PID傳感器能夠保持精度的最大量程。注意，PID如果是模擬信號輸出的，那它的輸出信號將是非線性的。只有經過單片機計算過后，才能輸出線性的信號。
PID的線性量程能夠跨幾個數量級?
以現有的技術，PID能夠測量的量程為1ppm到約10000ppm，共4個數量級。最常用的，測的比較準的線性部分約0.1ppm~1000ppm。
PID是低濃度的時候線性好，還是高濃度時候線性好?
低濃度的時候線性好。濃度越高，靈敏度越低，檢測的誤差就越大。響應曲線形狀有點像對數曲線。
4. 操作電壓(Operating Voltage)
定義：提供給PID的直流供電電壓。包括給紫外燈供電的高壓線圈供電和模擬電路供電。一般是3.3V – 5.0V供電。
紫外燈需要什么樣的電壓？
紫外燈需要交流高壓作為激勵源，在兩個電極上產生高場強的電場，從而激發紫外燈中的惰性氣體發出紫外光。那高的交流電壓怎么從直流低壓得到呢？需要采用電子開關和變壓器。電子開關可以將直流變成交流，變壓器可以將低壓交流電變成高壓交流電。
如果電壓偏低會有什么問題發生？
如果儀器供給的直流電壓偏低，那么模擬放大電路部分是可以正常工作的，但是紫外燈卻有可能點不亮，造成PID無法工作。
如果電壓偏高會有什么問題發生？
如果儀器供給的直流電壓偏高，那么模擬放大電路部分是可以正常工作的，紫外燈也能夠正常工作。但是過強的UV光會使玻璃燈管和CaF2片子之間的粘結劑加速老化，電極和特氟龍的腔體也會加速老化，使壽命縮短。
5. 操作功率(Operating Power)
定義：給紫外燈供電的功率和模擬電路供電的功率。
給紫外燈供電的功率有多少？
給紫外燈供電的功率大約零點幾瓦。紫外燈本身是被動元件，不需要電，但需要交變電場將內部氣體激發。真正需要交流電的是變壓器，它將低壓逆變為高壓。
模擬電路部分的功率有多少？
模擬電路部分最多幾十毫安，電壓以3.3V計，全部功耗最多0.1W。
6. 紫外燈能量(Lamp Energy)
定義：紫外燈發出的光子的能量，遵循普朗克公式E=hυ，h是普朗克常數，υ是紫外光的頻率，能量E的國際單位是焦耳，如果是微觀粒子的能量，我們習慣用電子伏特eV表示。
紫外燈的能量有多種嗎？
有的，根據封裝在燈泡中的氣體種類不同，紫外燈的能量可以有9.5、9.8、10.0、10.2、10.6、11.7、11.8eV多種。最常見的是10.6eV的燈，主要原因是10.6eV的UV燈壽命最長。
紫外燈的能量和物質的電離能有什么關系？
凡是物質的電離能低于紫外燈能量的，都能夠被電離，也就是說能夠測量得到。否則是不能用PID來測量的。請看下面的圖表。
7. 分辨率(Resolution)
定義：分辨率是描述傳感器能夠分辨的最小的氣體濃度改變量的參數。分辨率和靈敏度和噪聲相關，類似電子技術里面的一個參數——信噪比。計算公式是：
分辨率=3*信號標準差/靈敏度
一般PID傳感器能夠達到的分辨率是多少？
在不同濃度下，分辨率是不一樣的。零點時的分辨率最優，也就是最低檢測限(LDL)的概念；隨著濃度升高，分辨率會變差。一般PID能夠實現的分辨率是0.1ppm異丁烯。
現有技術PID能夠分辨的最好分辨率是多少？
分辨率最好的PID傳感器，在零點附近，其分辨率大約10ppb異丁烯。
是什么影響了傳感器的分辨率?
很多因素，如下列舉：
1. 紫外燈的光強。紫外光如果比較強，那么能夠被電離的氣體分子也就較多，分辨率自然就比較優。
2. 紫外燈的發光面積和收集電極的表面積。發光面積大，收集電極的面積大，分辨率比較優，原因同1。
3. 前置運放的失調電流。前置運放的失調電流小，能夠探測到的電流就越微弱。如果運放偏置電流大，那么微弱的有用電流信號就全部淹沒在失調電流中，好的分辨率自然實現不了。
4. 電路板的干凈程度。模擬電路是焊接在電路板上的，電路板如果漏電比較多，微弱電流自然無法分辨。原因同3。
5. 電流轉電壓的電阻大小。PID傳感器是電流源，電流通過電阻才能變成可放大和測量的電壓。如果電阻過小，微小的電壓改變量自然無法實現。
6. 模數轉換器ADC的分辨率。ADC分辨率越高，能夠分辨的電信號就越小，PID的分辨率也就越優。
8. 重現性(Repeatability)
定義：在同一天之內，每小時通一次同樣濃度的標準氣，一般是100ppm異丁烯，獲得6次通氣平衡的讀數，然后計算6次讀數的標準差。該標準差越接近于零，說明傳感器的重新性越好。
PID傳感器的重現性大約是什么水平?
PID傳感器的單日重現性是極好的，一般都能做到2%之內。主要是因為在一日之內，無論紫外燈也好、結構也好、電路也好都幾乎沒有變化，所以信號重現性好。
如果一日之內有溫差，會影響重現性嗎？
不會。PID和其他物理和化學傳感器不同，它幾乎不受溫度影響，其原因是紫外燈受電場激發所產生的光強不受溫度變化，氣體的電離能Ie也不受溫度影響，結構和電路在幾十攝氏度的范圍內，變化也很小。所以在一日之內的溫度變化，是不會影響PID讀數的。
9. 輸出線性范圍（Output Linearity）
定義：PID在能夠保持傳感器輸出線性的氣體濃度范圍。這個參數僅僅對數字輸出的PID傳感器而言，因為模擬信號輸出的PID傳感器一定是非線性的。
PID傳感器信號是線性的嗎？
模擬信號輸出的PID傳感器的輸出不是線性的，低濃度的時候靈敏度高，高濃度的時候靈敏度低。但是，經過線性化的數字PID傳感器輸出是線性的。
輸出線性范圍可以做到多高濃度?
如果硬件和軟件支持，PID傳感器的線性范圍可以做到很高的濃度，例如10000ppm。
如何保證全量程的線性?
需要硬件和軟件特殊設計。因為從0.1ppm到10000ppm所覆蓋的量級過寬，一套運算放大電路無法支持全量程，所以需要多套運算放大電路，才能保證全量程的線性。
10. 響應時間（Response Time）
定義：傳感器信號從零點上升到通氣平衡點一定百分比，所需的時間稱為響應時間，通常用T90來描述。從零點上升到平衡信號值的50%所需要的時間稱為T50，從零點上升到90%所需的時間稱為T90，從零點上升到99%所需的時間成為T99。
PID的響應時間有多長?
PID的響應時間是比較短的。在擴散模式下，響應時間大約20-30秒，該時間主要是氣體擴散的時間；在泵吸的模式下，響應時間小于5秒。
PID為什么響應時間短？
PID之所以響應時間短，是因為以下原因：
1. PID是物理傳感器，紫外光照到VOC上產生電離，這個變化是瞬間發生的，產生的電子傳入電路，電子流動也幾乎不需要時間。
2. PID的內部氣體死體積非常小，只有幾百微升，濃度僅需要幾秒鐘時間就可以平衡，所以響應時間短。這也是為什么采用泵吸式方式響應時間更短的原因。
擴散模式和泵吸模式那種更好？
當然是泵吸式好。泵吸式不僅響應時間短，而且可以將氣室內的VOC盡快地吹走。如果VOC長期滯留在PID內部，液化的VOC就會附著在燈泡和電極上，造成靈敏度降低，需要頻繁地用有機溶劑清洗。當然，如果用泵吸式也需要用有機溶劑清洗燈泡和電極，但是不需要那么頻繁。
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