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電化學傳感器的工作原理
發布時間：2020-07-21瀏覽次數：1571返回列表
一、簡介：
電化學傳感器當時用于氧氣監測。到了20世紀80年代中期，小型電化學傳感器開始用于檢測PEL范圍內的多種不同有毒氣體，并顯示出了良好的敏感性與選擇性。目前，為保護人身安全起見，各種電化學傳感器廣泛應用于許多靜態與移動應用場合。
二、工作原理：
電化學傳感器通過與被測氣體發生反應并產生與氣體濃度成正比的電信號來工作。典型的電化學傳感器由傳感電（或工作電）和反電組成，并由一個薄電解層隔開。
氣體先通過微小的毛管型開孔與傳感器發生反應，然后是憎水屏障，終到達電表面。采用這種方法可以允許適量氣體與傳感電發生反應，以形成充分的電信號，同時防止電解質漏出傳感器。
穿過屏障擴散的氣體與傳感電發生反應，傳感電可以采用氧化機理或還原機理。這些反應由針對被測氣體而設計的電材料進行催化。
通過電間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在正與負間流動。測量該電流即可確定氣體濃度。由于該過程中會產生電流，電化學傳感器又常被稱為電流氣體傳感器或微型燃料電池。
在實際中，由于電表面連續發生電化發應，傳感電電勢并不能保持恒定，在經過一段較長時間后，它會導致傳感器性能退化。為改善傳感器性能，人們引入了參考電。
參考電安裝在電解質中，與傳感電鄰近。固定的穩定恒電勢作用于傳感電。參考電可以保持傳感電上的這種固定電壓值。參考電間沒有電流流動。氣體分子與傳感電發生反應，同時測量反電，測量結果通常與氣體濃度直接相關。施加于傳感電的電壓值可以使傳感器針對目標氣體。
三、電化學傳感器包含以下主要元件：
1、透氣膜（也稱為憎水膜）：透氣膜用于覆蓋傳感（催化）電，在有些情況下用于控制到達電表面的氣體分子量。此類屏障通常采用低孔隙率特氟隆薄膜制成。這類傳感器稱為鍍膜傳感器。或者，也可以用高孔隙率特氟隆膜覆蓋，而用毛管控制到達電表面的氣體分子量。此類傳感器稱為毛管型傳感器。除為傳感器提供機械性保護之外，薄膜還具有濾除不需要的粒子的功能。為傳送正確的氣體分子量，需要選擇正確的薄膜及毛管的孔徑尺寸?？讖匠叽鐟軌蛟试S足量的氣體分子到達傳感電?？讖匠叽邕€應該防止液態電解質泄漏或迅速燥結。
2、 電：選擇電材料很重要。電材料應該是一種催化材料，能夠執行在長時間內執行半電解反應。通常，電采用貴金屬制造，如鉑或金，在催化后與氣體分子發生有效反應。視傳感器的設計而定，為完成電解反應，三種電可以采用不同材料來制作。
3、電解質：電解質必須有夠促進電解反應，并有效地將離子電荷傳送到電。它還必須與參考電形成穩定的參考電勢并與傳感器內使用的材料兼容。如果電解質蒸發過于迅速，傳感器信號會減弱。
4、 過濾器：有時候傳感器前方會安裝洗滌式過濾器以濾除不需要的氣體。過濾器的選擇范圍有限，每種過濾器均有不同的效率度數。多數常用的濾材是活性炭，如圖5所示?；钚蕴靠梢詾V除多數化學物質，但不能濾除一氧化碳。通過選擇正確的濾材，電化學傳感器對其目標氣體可以具有高的選擇性。
四、電化傳感器的一些共同特性：
1、在三電傳感器上，通常由一個跳線來連接工作電和參考電。如果在儲存過程中將其移除， 則傳感器需要很長時間來保持穩定并準備使用。某些傳感器要求電之間存在偏壓，而且在這種情況下，傳感器在出廠時帶有九伏電池供電的電子電路。傳感器穩定需要30分鐘至24小時，并需要三周時間來繼續保持穩定。
2、多數有毒氣體傳感器需要少量氧氣來保持功能正常。傳感器背面有一個通氣孔以達到該目的。建議在使用非氧氣背景氣應用場合中與 執行復檢。
3、傳感器內電池的電解質是一種水溶劑，用憎水屏障予以隔離，憎水屏障具有防止水溶劑泄漏的作用。然而，和其它氣體分子一樣，水蒸汽可以穿過憎水屏障。在大濕度條件下，長時間暴露可能導致過量水分蓄積并導致泄漏。在低潮濕條件下，傳感器可能燥結。設計用于監控高濃度氣體的傳感器具有較低孔率屏障以限制通過的氣體分子量，因此它不受濕度影響，和用于監控低濃度氣體的傳感器一樣，這種傳感器具有較高孔率屏障并允許氣體分子自由流動。
五、預期壽命：
電化學傳感器的預期壽命取決于幾個因素，包括要檢測的氣體和傳感器的使用環境條件。一般而言，規定的預期壽命為一至三年。在實際中，預期壽命主要取決于傳感器使用中所暴露的氣體總量以及其它環境條件，如溫度、壓力和濕度。
