（一）、氧气的检测
一般概念
氧气检测对于进入密闭空间和进入某些低于地面开放空间都十分重要：原因就在于高于空气密度的其它气体，比如汽油、硫化氢等会向下方向聚集，从而置换出空间 中的氧气。氧气浓度检测要考虑到两个浓度点：氧气浓度太低会造成窒息；而超过常量的过量氧气可能会引起不可想象的对燃烧或其它的化学反应的加速或提高。氧 气在正常空气中的浓度大约是20.9%，与之平衡的(超过78%)的主要是氮气，其余的包括少量的水蒸气、一氧化碳和其它的微量气体。
大多数的密闭空间的标准和执法部门，比如OSHA，都以氧气的体积浓度判断其是否不足，通常的下限是19.5%，这也是大多数制造商在他们仪器上设置的低 报警点。有些执法部门也会用气体分压来替代浓度表示氧气不足。 在这种情况下，若氧气分压低于16.3 kPa 或者122 mm 汞柱则认定氧气不足 (16.3 kPa的氧气分压大约相当于海平面上16.3 % 的氧气浓度)。 采用分压的理由是人体更多的是依赖于氧气分压而不是浓度进行呼吸。
采用标准的不同也就带来了测量方式的不同，对此我们以后还要进行讨论。某些制造商设定的氧气传感器的校正浓度值是21.0 %，而更多的厂家选择为20.9 %。
对于氧气过量的定义，OSHA 在1910.146 "密闭空间进入规则“中选定为23.5 %。而在1915-附件B，船厂用工条例中规定为22% (OSHA 1993, OSHA 1994) 。后者也是其它组织，如国家防火协会(NFPA)所推荐的标值 (NFPA 1993) 。较为保守氧气过量的标准应当是22%。因此，越来越多的仪器都使用22%作为氧气过量的警报值。
在较高浓度的氧气环境中使用的检测仪器必须经过测试或要求仪器商提供可以在此环境下的使用许可。大多数的仪器不保证在很高氧气浓度下的本质安全。因此，仪 器上的标签必须注明不可以在氧气浓度超过某一氧气浓度中使用。常见的仪器警示如下：

本仪器的本质安全仅在爆炸气体/空气（21%氧气）混合条件下进行测试。该仪器不可在氧气浓度超过23.5%的环境中使用。

用户如果需要在富氧环境中使用任何仪器都要参考仪器说明书或直接同制造商联系，确认仪器的使用限制。
只要氧气浓度在20.9%以外（或者是有的仪器的21%）都表明处于不正常的状态。低于正常浓度的氧含量表明其它组份的浓度的不正常或者有污染物的存在。 此时，即使是氧气的浓度没有超过危险限定，在进入密闭空间之前，用户需要确认引起这种不正常读数的原因。
最为安全的措施是只有仪器的读数同“新鲜空气”中相同才能进入密闭空间。唯一的例外是确切知道非正常读数的原因或者条规条例明确规定了允许进入此种环境。

燃料池氧气传感器
很多便携式仪器安装的都是燃料池氧气传感器，它主要由以下几部分组成：扩散栅、由金或铂等贵金属制成的传感电极(阴极) 、由铅锌等金属制成的工作电极 (阳极) 、电解液 (比如氢氧化钾溶液或醋酸钾溶液)，另外还有外部湿度栅或过滤膜等等
目前便携式仪器使用的氧气传感器都是以铅为工作电极：.
扩散到传感器上的氧气在阴极上被还原为羟基：
O2 + 2 H2O + 4 e- ? 4 OH-
羟基离子铅电极上被氧化：
2 Pb + 4 OH- ? 2 PbO + 2 H2O + 4 e-
整个的一个反应方程式为：
2 Pb + O2 ? 2 PbO
燃料性氧气传感器产生电流正比于所消耗的氧气的量。氧气检测仪器通过检测传感器输出的电流得到氧气浓度。当然这也是最简单的氧气检测器。.
氧气传感器中的电解液应当是缓冲溶液或者不至于被一氧化碳中毒或破坏的溶液（比如醋酸钾溶液等等）。电解液最好应当是糊状而不是液体状态。使用胶体电解液可以降低干涸趋势从而在低温时显示较好的性能。
工作电极一般也不是一个整个的铅棒，而通常是由铅丝或者其它更为细小的金属构成的棒状，这样来保证最大的比表面积以便更容易接触和吸附氧气进行反应。
另一种考虑是温度补偿电路、电流接收电路，后者的作用是将电流转化为电压。当然，在设计上也会有其他的折衷考虑。比如，改善低温性能可能会降低反应时间、 电流输出、传感器寿命或者其它的性能指标。不同的设计思想的目的都是使氧气传感器的性能可以满足特定的需要。
当然，所有设计都要保证氧化铅的形成时间要长于传感器的寿命。因为一旦铅转化为了氧化铅，传感器中的空间就会被固体占据。如果在设计的时候忽略了这一点， 传感器就会爆裂，相应地会导致电解液泄漏到昂贵的电子线路板上。
从上面的讨论中可以看出，燃料池中的工作电极是不断被消耗的，当铅电极的所有表面被转化为氧化铅，电化学反应就将停止，电流输出为零。此时，就要更换传感器。燃料池传感器的寿命大致可以维持一到两年。
在大多数的仪器中，即使是在关机状态，传感器也在产生电流和消耗。有些仪器通过切断电路避免电流流动来增加传感器的使用寿命。但这种方式的弊端在于仪器开 启时重新平衡的时间加长（可能需要几分钟）。在重新平衡过程中，电流将重新流过电路。重新平衡需要较长时间的原因是扩散到传感器上的氧气已经积聚到了电极 之上，而去除氧气的办法就是通过电化学反应将其转化为氧化铅。只有将积聚的氧气消耗殆尽才能得到准确的测量结果。一般仪器的做法是采取仪器开启后“倒计时 ”的办法，读数开始会很高然后慢慢下降达到稳定数值。如果仪器具有此项功能，则在仪器达到重新平衡之前不要进行调零或者校正操作。
大气的温度同样会对燃料电池氧气传感器的输出有影响。大气越暖和，电极反应越快。因此，氧气传感器一般包括一个温度补偿负载电阻来保证电流输出稳定。现在越来越多的仪器使用软件方法达到此种目的。
温度太低会大大限制仪器的性能，一般用于氧气传感器的电解液的冰点大约为-20°C。一旦电解液结冰，电极输出液就是零。使用胶体电解液的电极的低温性能可能要好一些。

传感器失效的机理
有些氧气传感器长期暴露于酸性气体，比如二氧化碳等，其性能会受到一些影响。大多数的氧气传感器不可以在二氧化碳浓度超过25%的环境中连续使用。在有些 情况下，长期暴露于酸性气体条件下会损坏碱性电解液，并且会产生电流输出影响氧气浓度的测量。
在极端环境中使用仪器也会对测量产生影响。所谓极端条件就是超出仪器参数的条件。如果要在任何非常或极端的环境中使用仪器，用户必须事先参考说明书或同制 造商沟通。这些条件包括在极低或极高温度和另外一些可能引起问题的使用条件：惰性气体环境；腐蚀性气体环境；含有高浓度易燃气体环境；含有高浓度其它已知 的危险气体环境；过湿、过潮或过脏环境等等。
在仪器本身不会产生点燃环境气体或者是本质安全的情况下，在超出设计参数的情况下使用可能会得到非常差的结果。
正如前面指出的那样，燃料传感器的工作电极是随时消耗的。当所有的铅电极上的可用表面都转化为氧化铅后，电化学活性停止电流输出为零。这也是用户经常碰到 的传感器失效的类型。这种失效也是很容易识别的，因为一旦电流输出低于仪器下限，氧气不足警报会激活。此时只有更换传感器。否则，仪器是无法正常工作的。
有些情况可能会引起较高的输出，这是一种非常危险的情况，因为它很难被用户察觉。其原因可能是机械的。如果有此故障，当氧气不足时，仪器可能显示的却是安全。
毛细管型氧气传感器是通过一根直径较小的管道将氧气扩散到传感器上的。堵塞可能会降低到达传感器上的氧气量，这会导致电流输出降低。此时，如果在正常环境 中使用，仪器可能会出现氧气不足的提示，而如果在富氧环境下使用，会得到错误的结果。
由于传感器室的损坏，比如撞裂会产生一个新的扩散氧气的通道，使得更多氧气进入，也会产生一个错误的较高读数。
电解液中的气泡也会产生一个较高的读数。当含有气泡的电解液突然由一个较为温暖的环境进入一个较冷的环境之中时，温度的变化会引起气泡的突然收缩，传感器 内部压力的降低会使更多的氧气进入，导致输出增加和错误的高读数。这种情况在将室温条件下稳定的传感器突然拿到冬日室外时很容易产生。但是，这种情况不会 持续很久，一旦气泡在新的温度下稳定，读数也就回到了正常状态。
当读数较高时进行零调整或校正是非常危险的，如果读数再回到正常状态，读数就不会正确。当然，对此做些预防还是比较简单的，即在已知浓度的气体中校验仪器 的准确度！这种建议适合于所有仪器上的传感器，而不仅仅是氧气，这也是目前最为稳妥的方法。
校验氧气传感器准确度的混合气体的氧气浓度要低于20.9 %。这主要是因为，当仪器暴露于这个浓度氧气的混合气体之中时会激活它的警报。也就是说，如果仪器工作正常，仪器会显示气瓶上的浓度值并发出低氧警报。如 果在现场得不到合适的校正气体，要保证仪器在空气中的读数为20.9%，然后向传感器呼气，此时，读数会有所下降（大多数情况下会激活低氧警报）然后回 复。如果仪器读数不下降或者需要较长时间回复就表明传感器发生故障。表2列出了燃烧式氧气传感器的失效机理。

图 2 单传感器氧气检测仪 (T82, Industrial Scientific Inc.)

固态聚合体电解液（Solid Polymer Electrolyte (SPE)）氧气传感器

氧气传感器的最新发展技术是开发一种不消耗电极材料的、固态聚合体电解液的传感器。这类氧气传感器一般包括以下几部分：毛细管扩散栅、由多孔铂金制 成的传 感、计数和工作电极、固态聚合物电解液(比如Nafion) 、外部湿度栅或过滤膜、坚固的传感器室等等。进入传感器的氧气会扩散到固态聚合物之上，并在此发生如下反应。

1/2 O2 + 2H+ + 2e- ? H2O

加在固态电解液上的电流使得电离的水产生氧气，实现下面的半池反应：

H2O ? 2e- + 2H+ + 1/2 O2

这样，全部反应为：

O2 进 = O2 出

也就是，将氧气分子泵出电解液的电流量正比于采集到的大气中的氧气浓度。这种检测原理也被称为“氧泵”传感器。

通过在参比电极上加上偏置电压，在仅限于扩散的情况下，传感电极的输出正比于根据法拉第定律得到的氧气消耗速度。最后通过电阻将电流转化为电压信号。这种电极特别适合于测量0-25%体积的氧气浓度。

同燃料氧传感器不同的是，固态氧传感器不消耗电极材料，它所消耗的仅仅是将电解液中的氧气泵出的电能。这意味着这种传感器在理论上可以有2-5年的使用寿 命。另外，由于它们的无消耗设计，重量较小，特别适合于小型化设计。

固态氧传感器的主要缺陷在于如果使其长时间在干燥环境中使用，其中的电解液可能会干涸而没有任何电化学反应。此时，只要把传感器暴露于即使是很低湿度的空气中就会使电解液重新“水化”并回复功能。