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电化学气体传感器的工作原理及组成

精讯畅通    2022-09-8

电化学传感器是一种基于待测物的电化学性质而研发的,并可将待测物化学量转变成电学量进行传感检测的传感器。最早的电化学气体传感器要追溯到20世纪50年代,在当时该气体传感器应用于氧气检测,到了20世纪80年代,电化学气体传感器开始应用于监测各种各样的有毒性气体,并显示出了良好的敏感型与选择性。

一、电化学气体传感器的工作原理

电化学气体传感器通过与被测气体发生百反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。大多数电化学气体传感器是电流传感器,产生与气体浓度成线性比例的电流。

一个电化学气体传感器的工作原理如下:与传感器接触的目标气体分子首先通过一个防止冷凝的隔膜,它也起到防尘的作用。那么气体分子通过毛细管扩散,可能通过随后的过滤器,然后通过疏水膜到达感测电极的表面。在那里分子立即被氧化或还原,从而产生或消耗电子,从而产生电流。

重要的是要注意,用这种方法进入传感器的气体分子的量受到通过毛细管扩散的限制。通过优化路径,根据期望的测量范围,获得适当的电信号。感测电极的设计对于实现对目标气体的高反应性并抑制对干扰气体的不希望响应是至关重要的。它涉及固体,液体和气体三个阶段的系统,并且都涉及分析物气体的化学识别。致力于量身定制该系统并获得高性能的气体传感器。电化学电池通过平衡感测电极处的反应的所谓反电极--Cont电极完成。Cont电极与Sen电极之间的离子电流由传感器主体内的电解质传送,而电流路径通过以销连接器终止的导线提供。通常在电化学传感器(3电极传感器)中包含第三电极。所谓的参考电极用于将感测电极的电势保持在固定值。为此并且通常用于电化学传感器的操作,需要恒电位电路。

二、电化学气体传感器的组成

电化学气体传感器包含以下4种主要元件:

1、 透气膜(也称为疏水膜):透气膜用于覆盖传感(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。

2、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反应。通常,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反应。视传感器的设计而定,为完成电解反应,三种电极可以采用不同材料来制作。

3、电解质:电解质必须能够进行电解反应,并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。如果电解质蒸发过于迅速,传感器信号会减弱。

4、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。

三、电化学传感器的分类

电化学传感器的分类方法很多,按照其输出信号的不同可以分为电位型传感器、电流型传感器和电导型传感器。

按照电化学传感器所检测的物质不同,电化学传感器主要可以分为离子传感器、气体传感器和生物传感器。

四、电化学气体传感器主要性能与影响因素

灵敏度

影响灵敏度因素主要有:催化剂活性、进气量、电解液导电能力、环境温度等。

响应恢复

影响响应恢复速度的因素主要有:催化剂活性、电解液导电能力、气室结构、气体特性等。

选择性/交叉干扰

影响选择性的因素有:催化剂种类、电解液、偏置电压、过滤器等。

重复性/长期稳定性

影响重复性的因素有:电极结构稳定性、电解液稳定性、气路稳定性等。

高低温性能

影响高低温稳定性的因素有:催化剂活性、电极结构稳定性、气体特性。

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