光离子化(PID)传感器，其原理简单地说，就是利用高压交变的电场，使某些惰性气体电离产生紫外光，紫外光的能量比可见光要高，它会将气体电离成带正电荷的离子和带负电荷的离子，然后我们用电子学的方法，检测这些离子的多少，从而判断被测气体的浓度。PID能检测十亿分之一(ppb)到百万分之一(ppm)浓度级别的化合物，特别是有机挥发物(VOC)。它是非色散红外、电化学、催化燃烧气体传感器的补充，也是技术含量比较高，价格比较昂贵的一种气体探测器。

  

PID传感器的发明大约有20年的历史了，技术也在不断的进步中。

 

1. 光离子化传感器简介

什么是PID?

光离子化传感器PID，英文全称是Photo Ionization Detector。它是利用紫外光光子较高的能量将气体物质电离，然后测量物质电离后所产生的微弱电流，从而计算出空气中被电离气体的总量。

 

PID传感器有什么好处?

光离子化(PID)传感器有一个特殊功能，就是它能检测十亿分之一(ppb)到百万分之一(ppm)浓度级别的化合物，特别是有机挥发物(VOC)。它是催化燃烧、电化学和红外传感器的补充，也是技术含量比较高，价格比较贵的一种气体探测器。

 

PID传感器是如何构成的？

它的结构包括一个紫外光源、一副高频电场发生器、一副电子收集电极和一套微弱电流转电压的电路。紫外光将气体电离，从而释放出电子，电子收集电极将电子收集，再由微弱电流转电压电路将信号变成模数转换器可以识别的电压信号。并非所有的气体都能被电离，但是大多数VOC容易被电离，那是因为电离能比较低的缘故。

 

PID传感器的优点有哪些?

其优点包括:

1. 可以用比较小体积的传感器检测出极低浓度的VOC；

2. 功耗低；

3. 受温度影响小。

 

PID传感器的缺点有哪些?

其缺点包括:

1. PID灯泡容易漏气而失效；

2. 受湿度影响大；

3. 信号非线性，需要多浓度点标定；

4. 只能测量VOC的总量。

  

PID传感器的销量和单价大概多少？

PID在工业安全领域的销售量并不大，并无法撼动催化燃烧、电化学和红外气体传感器的地位。但是随着国内环保领域投资的加大，PID传感器的销量突飞猛进，目前正在向5万只/年的销量进军。国外主要的供应商有Baseline和Alphasense。最近又新增加了一个新的品牌Sensovol，由诺联芯电子科技经销。关于价格，是根据量程和数量而定，比Baseline和Alphasense略低。

 

PID传感器的细分市场有哪些?

其细分市场包括：

1. 石油化工。监控有机气体的微弱泄漏。

2. 国防公安。测量微量、剧毒的毒气。

3. 室外空气质量。特别是石油化工厂周边的环境，有一些低浓度、有异味的VOC需要24小时监测。

4. VOC在线排放监测。该应用是和非色散红外技术并驾齐驱的一种监测VOC的技术，安装在VOC焚烧和吸附装置的前面，监测VOC排放的浓度。

 

PID传感器今后的发展趋势有哪些?

1. 长寿命的紫外光源

2. 输出数字化。

3. 和气体分离设备联用，例如气相色谱仪，用作气体的定性和定量分析；

 

2. 检测量程(Detecting Range)

定义：以异丁烯(i-C4H8)为被测气体，PID能够保持检测精度的最高气体浓度。

 

为什么以异丁烯为PID的标准气体?

原因如下:

1. 异丁烯电离能比较低，Ie=9.24V，无论9.8eV、10.6eV、还是11.7eV的紫外灯(UV灯)，都能将其电离。

2. 碳链长度为3，有1支链，分子不大不小，和绝大多数挥发性有机物VOC大小相当，具有代表性。

3. 异丁烯低毒，常温下呈气态。作为标定气体，对工作人员健康无影响。

4. 价格不高，比较好买。

5. 其浓度用其他的物理测量方法也比较好检查。

 

浓度超过量程PID会坏吗？

短时间使用，PID不会坏。长时间使用，就不行。事实上，如果现场有1000PPM以上的VOC，用PID性价比就不太合适了，因为VOC会逐渐冷凝在UV灯和插指电极之上，导致灵敏度下降。而高浓度的VOC在线监测应该用非色散红外传感器。

 

被测气体浓度如果过大，对传感器会有什么危害?

如果PID长时间工作在高浓度VOC中，收集电子的电极上会堆积沾污，无法自行离开传感器，表现出来就是PID灵敏度降低。这个时候就需要用甲醇清洗UV灯和电极了。

 

3. 线性量程(Linearity Range)

定义：数字化的PID传感器能够保持精度的最大量程。注意，PID如果是模拟信号输出的，那它的输出信号将是非线性的。只有经过单片机计算过后，才能输出线性的信号。

 

PID的线性量程能够跨几个数量级?

以现有的技术，PID能够测量的量程为1ppm到约10000ppm，共4个数量级。最常用的，测的比较准的线性部分约0.1ppm~1000ppm。

 

PID是低浓度的时候线性好，还是高浓度时候线性好?

低浓度的时候线性好。浓度越高，灵敏度越低，检测的误差就越大。响应曲线形状有点像对数曲线。

 

4. 操作电压(Operating Voltage)

定义：提供给PID的直流供电电压。包括给紫外灯供电的高压线圈供电和模拟电路供电。一般是3.3V – 5.0V供电。

 

紫外灯需要什么样的电压？

紫外灯需要交流高压作为激励源，在两个电极上产生高场强的电场，从而激发紫外灯中的惰性气体发出紫外光。那高的交流电压怎么从直流低压得到呢？需要采用电子开关和变压器。电子开关可以将直流变成交流，变压器可以将低压交流电变成高压交流电。

 

如果电压偏低会有什么问题发生？

如果仪器供给的直流电压偏低，那么模拟放大电路部分是可以正常工作的，但是紫外灯却有可能点不亮，造成PID无法工作。

 

如果电压偏高会有什么问题发生？

如果仪器供给的直流电压偏高，那么模拟放大电路部分是可以正常工作的，紫外灯也能够正常工作。但是过强的UV光会使玻璃灯管和CaF2片子之间的粘结剂加速老化，电极和特氟龙的腔体也会加速老化，使寿命缩短。

 

5. 操作功率(Operating Power)

定义：给紫外灯供电的功率和模拟电路供电的功率。

 

给紫外灯供电的功率有多少？

给紫外灯供电的功率大约零点几瓦。紫外灯本身是被动元件，不需要电，但需要交变电场将内部气体激发。真正需要交流电的是变压器，它将低压逆变为高压。

 

模拟电路部分的功率有多少？

模拟电路部分最多几十毫安，电压以3.3V计，全部功耗最多0.1W。

 

6. 紫外灯能量(Lamp Energy)

定义：紫外灯发出的光子的能量，遵循普朗克公式E=hυ，h是普朗克常数，υ是紫外光的频率，能量E的国际单位是焦耳，如果是微观粒子的能量，我们习惯用电子伏特eV表示。

 

紫外灯的能量有多种吗？

有的，根据封装在灯泡中的气体种类不同，紫外灯的能量可以有9.5、9.8、10.0、10.2、10.6、11.7、11.8eV多种。最常见的是10.6eV的灯，主要原因是10.6eV的UV灯寿命最长。

 

紫外灯的能量和物质的电离能有什么关系？

凡是物质的电离能低于紫外灯能量的，都能够被电离，也就是说能够测量得到。否则是不能用PID来测量的。请看下面的图表。

7. 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*信号标准差/灵敏度

 

一般PID传感器能够达到的分辨率是多少？

在不同浓度下，分辨率是不一样的。零点时的分辨率最优，也就是最低检测限(LDL)的概念；随着浓度升高，分辨率会变差。一般PID能够实现的分辨率是0.1ppm异丁烯。

 

现有技术PID能够分辨的最好分辨率是多少？

分辨率最好的PID传感器，在零点附近，其分辨率大约10ppb异丁烯。

 

是什么影响了传感器的分辨率?

很多因素，如下列举：

1. 紫外灯的光强。紫外光如果比较强，那么能够被电离的气体分子也就较多，分辨率自然就比较优。

2. 紫外灯的发光面积和收集电极的表面积。发光面积大，收集电极的面积大，分辨率比较优，原因同1。

3. 前置运放的失调电流。前置运放的失调电流小，能够探测到的电流就越微弱。如果运放偏置电流大，那么微弱的有用电流信号就全部淹没在失调电流中，好的分辨率自然实现不了。

4. 电路板的干净程度。模拟电路是焊接在电路板上的，电路板如果漏电比较多，微弱电流自然无法分辨。原因同3。

5. 电流转电压的电阻大小。PID传感器是电流源，电流通过电阻才能变成可放大和测量的电压。如果电阻过小，微小的电压改变量自然无法实现。

6. 模数转换器ADC的分辨率。ADC分辨率越高，能够分辨的电信号就越小，PID的分辨率也就越优。

 

8. 重现性(Repeatability)

定义：在同一天之内，每小时通一次同样浓度的标准气，一般是100ppm异丁烯，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。

 

PID传感器的重现性大约是什么水平?

PID传感器的单日重现性是极好的，一般都能做到2%之内。主要是因为在一日之内，无论紫外灯也好、结构也好、电路也好都几乎没有变化，所以信号重现性好。

 

如果一日之内有温差，会影响重现性吗？

不会。PID和其他物理和化学传感器不同，它几乎不受温度影响，其原因是紫外灯受电场激发所产生的光强不受温度变化，气体的电离能Ie也不受温度影响，结构和电路在几十摄氏度的范围内，变化也很小。所以在一日之内的温度变化，是不会影响PID读数的。

 

9. 输出线性范围（Output Linearity）

定义：PID在能够保持传感器输出线性的气体浓度范围。这个参数仅仅对数字输出的PID传感器而言，因为模拟信号输出的PID传感器一定是非线性的。

 

PID传感器信号是线性的吗？

模拟信号输出的PID传感器的输出不是线性的，低浓度的时候灵敏度高，高浓度的时候灵敏度低。但是，经过线性化的数字PID传感器输出是线性的。

 

输出线性范围可以做到多高浓度?

如果硬件和软件支持，PID传感器的线性范围可以做到很高的浓度，例如10000ppm。

 

如何保证全量程的线性?

需要硬件和软件特殊设计。因为从0.1ppm到10000ppm所覆盖的量级过宽，一套运算放大电路无法支持全量程，所以需要多套运算放大电路，才能保证全量程的线性。

 

10. 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，所需的时间称为响应时间，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90%所需的时间称为T90，从零点上升到99%所需的时间成为T99。

 

PID的响应时间有多长?

PID的响应时间是比较短的。在扩散模式下，响应时间大约20-30秒，该时间主要是气体扩散的时间；在泵吸的模式下，响应时间小于5秒。

 

PID为什么响应时间短？

PID之所以响应时间短，是因为以下原因：

1. PID是物理传感器，紫外光照到VOC上产生电离，这个变化是瞬间发生的，产生的电子传入电路，电子流动也几乎不需要时间。

2. PID的内部气体死体积非常小，只有几百微升，浓度仅需要几秒钟时间就可以平衡，所以响应时间短。这也是为什么采用泵吸式方式响应时间更短的原因。

 

扩散模式和泵吸模式那种更好？

当然是泵吸式好。泵吸式不仅响应时间短，而且可以将气室内的VOC尽快地吹走。如果VOC长期滞留在PID内部，液化的VOC就会附着在灯泡和电极上，造成灵敏度降低，需要频繁地用有机溶剂清洗。当然，如果用泵吸式也需要用有机溶剂清洗灯泡和电极，但是不需要那么频繁。

 

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