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。

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

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。

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。

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Senovol，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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

模拟电路部分最多几十毫安，电压以3.3V计，全部功耗最多0.1W。

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。

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。

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。

分辨率最好的PID传感器，在零点附近，其分辨率大约几个ppb异丁烯。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

按照PID的原理，只要紫外灯泡能够点亮，PID输出的电流是不会改变的。也就是说，VOC的电离受温度的影响微乎其微。但是，因为PID内部有运算放大器，放大器在高温时，漏电流会变大，从而造成读数不准。电流转电压电阻在高温时噪声也会增大，从而造成高温时分辨率恶化。

有。紫外灯上的窗口是一块透明晶体，这块晶体的热膨胀系数是各向异性的，但是，玻璃管是非晶体，热膨胀系数是各向同性的。随着温度的降低和升高，晶体窗口和玻璃管之间会产生裂缝，造成漏气，使紫外灯失效。

安全认证会制约温度范围。点亮紫外灯需要高压交流电场，产生高压需要变压器。消耗在变压器上的电能转化为热能，造成传感器温度上升。如果PID需要本质安全认证，考虑到传感器本身的温升，PID的使用温度也不会非常高。

如果湿度过高，水蒸气会吸收紫外光，导致紫外光子数量的减少。那么被电离的VOC分子数也会相应减少，从而造成测量电流的减小。最终用户看到的是比真实值小的读数。高湿度情况下，通常会有-30%左右的误差。

如果是使用不久的新PID，如果产生凝露，零点信号会出现负漂，传感器灵敏度会降低。但如果使用环境恶劣，灯表面附着脏物，凝露会导致漏电现象产生，那将导致正向的满量程误报产生，需立即清洗电子收集电极和UV灯。

办法很多:

1. 用泵吸式采样法。加速空气的流动，可以减少凝露的产生。

2. 对进气进行除湿。例如用冷凝器和Nafion管配合进行除湿。当然经过Nafion管之后，有一部分的VOC会有损失，即读数偏低一点。

3. 减小离子收集电极和紫外灯之间的距离，从而减少水蒸气对紫外光的吸收。

4. 在气路中增加湿度传感器，用于湿度补偿。

1. 首先是紫外灯。一个玻璃管和一片氟化物透明晶体将惰性气体包裹在里面，惰性气体受到高频强电场的激发，产生紫外光。如果惰性气体泄漏，PID自然就失效了。

2. 其次是收集电极。包裹收集电极的必定是绝缘体，一般是特氟龙塑料。特氟龙塑料长期在紫外光的照射下，碳链会断裂，所以结构会被侵蚀。时间长了，收集电极组建就需要更换了。

传感器的电子线路部分是用环氧灌封的，寿命都在5年以上。

寿命最短的是紫外灯。其寿命最长约10000小时，最短的只有两三千小时。寿命最长的是10.6eV的紫外灯，稍短的是9.8eV的，最短的是11.7eV的。

产品寿命是传感器能够正常使用的时间极限。质保期则是一个商务概念，一般定为一年，意思是如果产品在1年之内发生质量问题，厂家会提供免费的清洗和更换服务。

PID是物理传感器，不使用的时候不会老化。但要注意，当将PID从低温环境拿到高温环境的时候，可能会有冷凝水产生。所以，这时PID需要静置一段时间，让冷凝水挥发掉再用。还有一个办法，就是PID放在一个密封包装里，等传感器温度和环境温度平衡了以后再开启包装，这样就不会有冷凝水产生了。

最简单的回答是“根据传感技术的性价比来决定”。例如，有人想测量氨气NH3，他就不会选用PID，因为电化学NH3传感器约几百元一只，但PID可能要几千元一只，而且寿命短，维护成本也高。再例如，有人想测1ppm以下浓度的苯，他就必须选用PID，因为其他传感器对测量低浓度苯测量几乎无能为力，可是苯却又是高致癌物，存在于燃料油中，必须测量。

最常见的PID被测物质是可挥发性的有机物VOC。但并非所有的VOC都能被PID所测量。下面我列了一些常见HC气体的电离能。按照碳链长度升序排列。

通过比较，我们发现三个规律：

1. 碳链越长的HC物质，其电离能越低，越容易测量。

2. 烯烃比烷烃容易电离。

3. 苯系物又比烷烃、烯烃容易电离。

除了含碳C、氢H、氧O，还有很多有机物是含有氮N、硫S、磷P、氟F、氯Cl、溴Br、碘I。下面是一些常见的有机物的电离能列表。按照电离能升序排列。

通过比较，我们发现以下规律：

1. 含N、S、P的有机物电离能较低。

2. 含F、Cl、Br、I的有机物电离能较高。氟化物电离能最高，然后依次是氯化物、溴化物，碘化物电离能最低。