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电化学气体传感器设计面临的三大挑战

精讯畅通    2022-09-14

根据一份研究报告显示,空气污染已经成为继吸烟,饮食和肥胖症之后全球第4大导致人过早死亡的风险因素。空气污染的危害非常大,因此,对CO、CO2、NOx、甲醛等有害气体的监测非常必要,肩负监测使命的气体传感器也开始被越来越多的大众熟知。

气体传感器

浅析气体检测技术的多种实现形式

气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器,探测头通过气体传感器对气体样品进行调理,通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。按传感器检测原理来分,气体传感器通常可以分为热学气体传感器、电化学气体传感器、磁学气体传感器、光学气体传感器、半导体气体传感器、红外气体传感器等。

气体检测技术大致分类

热学气体传感器主要有热导式和热化学式两大类。热导式是利用气体的热导率,通过对其中热敏元件电阻的变化来测量一种或几种气体组分浓度的;红外气体传感器利用各种元素对某个特定波长的吸收原理,具有反应灵敏的特点,且对大多数碳氢化合物都有反应。美中不足的是,红外式传感器结构复杂,成本高。电化学气体传感器则是利用被测气体的电化学活性,将其电化学氧化或还原,从而分辨气体成分,检测气体浓度的。目前可以检测许多有毒气体和氧气,还能检测血液中的氧浓度。电化学气体传感器的普及可以归因于其线性输出、低功耗要求和良好的分辨率。此外,一旦根据目标气体的已知浓度进行校准,其测量的重复性和精度也非常好。数十年来技术的发展,让这些传感器可以对特定气体类型提供非常好的选择性。由于其优点众多,工业应用(例如用于保护工人安全的有毒气体检测)率先采用了电化学传感器。这些传感器的运行经济性促进了区域有毒气体监测系统的部署,确保了采矿、化学工业、沼气厂、食品生产、制药工业等行业员工的安全环境条件。

电化学气体传感器

电化学气体传感器基本信号链

不过,尽管检测技术本身在不断进步,但自电化学气体检测出现以来,其基本工作原理以及与生俱来的缺点并未改变。通常,电化学气体传感器的保质期有限,一般为六个月至一年,传感器的老化也会对其长期性能产生重大影响,传感器制造商通常会指定传感器灵敏度每年最多可漂移20%。此外,虽然目标气体选择性已有显著改善,但传感器仍存在对其他气体的交叉敏感性问题,导致测量受到干扰和读数出错的几率增加。传感器性能还与温度相关,必须在内部进行温度补偿。靶向创新,电化学气体传感器设计的三大挑战

因此,设计先进气体检测系统需要克服的技术挑战可以分为三类,分别对应于系统生命周期的不同阶段。首先是传感器制造挑战,例如制造可重复性以及传感器的表征和校准。制造过程本身虽然已高度自动化,但不可避免地会给每个传感器带来差异。由于这些差异,传感器必须在生产过程进行表征和校准。其次,在系统的整个生命周期中都存在技术挑战。这包括系统架构优化,例如信号链设计或功耗考虑。另外,工业应用中特别注重电磁兼容性(EMC)和功能安全合规性,这会对设计成本和上市时间产生负面影响。工作条件也起着重要作用,并对保持所需性能和使用寿命提出了挑战。电化学传感器在其使用寿命期间会老化和漂移(这是这种技术的本性),导致需要频繁校准或更换传感器。如果在恶劣环境中运行,性能的变化会进一步加速,如本文后面所述。在延长传感器使用寿命的同时保持其性能,是许多应用的关键要求之一,尤其是在系统拥有成本至关重要的情况下。第三,即使采用了延长使用寿命的技术,所有电化学气体传感器最终都会达到其生命终点,此时性能不再满足要求,需要更换传感器。有效检测寿命结束条件是一个挑战,若能解决这个挑战,便可减少不必要的传感器更换,从而大幅降低成本。更进一步,若能准确预测传感器何时将失效,气体检测系统的运行成本将会降低更多。此外,无线网络设计的强大支持、更长的电池寿命、实施和维护是终端用户在当前技术发展阶段所要求的关键服务。降低设计复杂性,可编程气体分析平台设计参考。

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