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    电化学传感器工作原理

    2011-11-01 10:54:24


    电化学传感器通过与被测气体发生?#20174;?#24182;产生与气体浓度成正比的电信号来工作。典型的电化学传感器由传感电极(或工作电极)和反电极组成,并由一个薄电解层隔开。
    气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生?#20174;Γ?#28982;后是憎水屏障,*终到达电极表面。采用这种方法可以允许适量气体与传感电极发生?#20174;Γ?#20197;形成充分的电信号,同时防止电解?#20107;?#20986;传感器。穿过屏障扩散的气体与传感电极发生?#20174;Γ?#20256;感电极可以采用氧化机理或还原机理。这些?#20174;?#30001;针对被测气体而设计的电极材料进行催化。通过电极间连接的电阻器,与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。测量该电流即可确定气体浓度。由于该过程中会产生电流,电化学传感器又常被称为电流气体传感器或微型燃料电池。
    参考电极安装在电解质中,与传感电极邻近。固定的稳定恒电势作用于传感电极。参考电极可以保持传感电极上的这种固定电压值。参考电极间没有电流流动。气体分子与传感电极发生?#20174;Γ?#21516;时测量反电极,测量结果通常与气体浓度直接相关。施加于传感电极的电压值可以使传感器针对目标气体。
    电化学传感器包含以下主要元件:
    A. 透气膜(也称为憎水膜)?#21644;?#27668;膜用于覆盖传感(催化)电极,在有些情况下用于控制到达电极表面的气体分子量。此类屏障通常采用低孔隙率特氟隆薄膜制成。这类传感器称为镀膜传感器。或者,也可以用高孔隙率特氟隆膜覆盖,而用毛管控制到达电极表面的气体分子量。此类传感器称为毛管型传感器。除为传感器提供机械性保护之外,薄膜还具有滤除不需要的粒子的功能。为传送正确的气体分子量,需要选择正确的薄膜及毛管的孔径尺寸。孔径尺寸应能够允许足量的气体分子到达传感电极。孔径尺寸还应该防止液态电解质泄漏或迅速燥结。
    B. 电极:选择电极材料很重要。电极材料应该是一种催化材料,能够执行在长时间内执行半电解?#20174;Α?#36890;常,电极采用贵金属制造,如铂或金,在催化后与气体分子发生有效?#20174;Α?#35270;传感器的设计而定,为完成电解?#20174;Γ?#19977;种电极可以采用不同材料来制作。
    C. 电解质:电解?#26102;?#39035;有够促进电解?#20174;Γ?#24182;有效地将离子电荷传送到电极。它还必须与参考电极形成稳定的参考电势并与传感器内使用的材料兼容。如果电解?#25910;?#21457;过于迅速,传感器信号会减弱。
    D. 过滤器:有时候传感器前方会安装洗涤式过滤器以滤除不需要的气体。过滤器的选择范围有限,每种过滤器均有不同的效率度数。多数常用的滤材是活性炭。活性炭可以滤除多数化学物质,但不能滤除一氧化碳。通过选择正确的滤材,电化学传感器对其目标气体可以具有更高的选择性。
    压力与温度:电化学传感器受压力变化的影响极小。然而,由于传感器内的压差可能损坏传感器,因此整个传感器必须保持相同的压力。电化学传感器对温度也非常敏感,因此通常采取内部温度补偿。但*好尽量保持标准温度。
    一般而言,在温度高于25°C?#20445;?#20256;感器读数较高;低于25°C?#20445;?#35835;数?#31995;汀?#28201;度影响通常为?#21487;?#27663;度0.5%至1.0%,?#21448;?#36896;商和传感器类型而定。
    选择性:电化学传感器通常对其目标气体具有较高的选择性。选择性的程度取决于传感器类型、目标气体以及传感器要检测的气体浓度。*好的电化学传感器是检测氧气的传感器,它具有良好的选择性、可靠性和较长的预期寿命。其它电化学传感器容易受到其它气体的干扰。干扰数据是利用相对?#31995;?#30340;气体浓?#29123;?#31639;?#36152;觥?#22312;实际应用中,干扰浓度可能很高,会导致读数错误或误报警。
    预期寿命:电化学传感器的预期寿命取决于几个因素,包括要检测的气体和传感器的使用环境条件。一般而言,规定的预期寿命为一至三年。在实际中,预期寿命主要取决于传感器使用中所暴露的气体总量以及其它环境条件,如温度、压力和湿度。
    小结:电化学传感器对工作电源的要求很低。实际上,在气体监测可用的所有传感器类型中,它们的功耗是*低的。因此,这种传感器广泛用于包含多个传感器的移动仪器中。它们是有限空间应?#36152;『现?#20351;用*多的传感器。
    传感器的预期寿命由其制造商根据他们认为正常的条件进行预测。然而,传感器的预期寿命很大程度?#20808;?#20915;于环境污?#23613;?#28201;?#29123;?#20854;暴露的湿度。
    典型的电化学传感器的规格
    传感器类型:2或3电极,通常为3电极
    范围:可允许暴露极限的2-10倍
    预期寿命:正常为12至24个月,取决于制造商与传感器
    温度范围:–40°C至+45°C
    相?#20801;?#24230;:15-95%,无凝露
    响应时间:< 50秒
    长期偏移:每月下移2%
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