电化学传感器简介【摘自“AZ检测”】

2018-10-26 18:41:43 184

电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生于气体浓度成正比的电信号来工作。

一、电化学传感器结构及工作过程

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。

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1、  被测气通过疏水半透性的薄膜,扩散进入传感器。这种薄膜可以允许适量的气体进入,形成充分的电信号,且防止电解液漏出传感器。

2、  穿过屏障扩散的气体与传感器电极发生反应,传感电极可以采用氧化机理或还原机理或者只是引起PH值变换。这些反应由针对被测气体而设计的电极材料进行催化。分子扩散通过半透膜,在电极表面发生反应,扩散过程遵循菲克定律:扩散速率与外部浓度成比例,因此传感器信号与外部气体浓度成比例。

3、  通过电极间连接的电阻器,与被测气体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。反应产生的电流与扩散进 入的气体浓度成比例。

4、  外部连接恒电位仪,量化输出值。

二、电化学传感器类型:

1、2电极传感器。如图1。

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含铅氧传感器是最常见的2电极传感器,其金属-空气型电池由空气极,阴极和电解液组成。氧传感器都是自身供电,是一种电流源。电流大小相应地取决于氧气反应速度。如果通过传感器的氧气流量是完全有限扩散的,这个电信号就可以反映出氧气浓度。氧气传感器是通过外接一个低阻值电阻而产生电压信号来实现的。

2、3电极传感器,在2电极基础上加参考极。如图2.

在实际中,由于电极表面连续发生化学反应,传感器电极电势并不能保持恒定,在经过较长一段时间后,它会导致传感器性能退化。为改善传感器性能,人们引入参考电极,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。气体分子与传感器电极发生反应,同时测量反电极,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。

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三、传感器内部状态:

图中绿色表示传感器前端的半透膜,黑色表示催化剂,红色表示电解液。

1、如下图,电解液润湿催化剂表层,气体扩散到达催化剂表层发生反应,电子、离子等反应产物经电解液到到电极。

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2、如下图,电解液漫过催化剂并渗透进入半透膜的孔隙中,会阻碍进气接触催化剂,从而造成传感器响应时间和灵敏度等性能损失。

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3、如下图,催化剂与电解液几乎没有接触,反应产物的传递受限,降低传感器响应时间和灵敏度等性能指标。

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电化学传感器对工作电源的要求很低。电化学传感器通常对目标气体具有较高的选择性。普通电化学传感器内电池的电解质是一种水溶剂,用憎水屏障予以隔离,憎水屏障具有防治水溶剂泄漏的作用。然而,和其他气体分子一样,水蒸汽可以穿过憎水屏障。在大湿度条件下,长时间暴露可能导致过量水分蓄积并导致泄露。在低潮湿条件下,传感器可能燥结。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。相比较普通电化学,固态电化学传感器优势更为明显,也是未来主流的产品。