電化學(xué)傳感器原理及實(shí)例

1、兩類導(dǎo)體形成的接界面上所發(fā)生的帶電及電子轉(zhuǎn)換變化的科學(xué)。1、電子導(dǎo)體（金屬導(dǎo)體，半導(dǎo)體）2、離子導(dǎo)體（電解質(zhì)溶液）電化學(xué)傳感器概念：是基于待測物的電化學(xué)性質(zhì)并將待測物化學(xué)量轉(zhuǎn)變成電學(xué)量進(jìn)行傳感檢測的一種傳感器。分類：按檢測對象分：生物傳感器，氣體傳感器，離子傳感器。按工作方式分：電導(dǎo)型傳感器，電勢型傳感器，電流型傳感器。各式各樣的電化學(xué)傳感器 電化學(xué)傳感器 - - 工作原理 將待測物質(zhì)以適應(yīng)形式置于電化學(xué)反應(yīng)池中，測其電化學(xué)性質(zhì)（如電流、電位、電量等）變化則可實(shí)現(xiàn)物質(zhì)組成及含量的測定。典型的電化學(xué)傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個(gè)薄電解層隔開。 如氣體。電化學(xué)傳感器通過與被測

2、氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號(hào)來工作。氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應(yīng)，然后是憎水屏障，最終到達(dá)電極表面。采用這種方法可以允許適量氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，以形成充分的電信號(hào)，同時(shí)防止電解質(zhì)漏出傳感器。 穿過屏障擴(kuò)散的氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，傳感電極可以采用氧化機(jī)理或還原機(jī)理。這些反應(yīng)由針對被測氣體而設(shè)計(jì)的電極材料進(jìn)行催化。 通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會(huì)在正極與負(fù)極間流動(dòng)。測量該電流即可確定氣體濃度。由于該過程中會(huì)產(chǎn)生電流，電化學(xué)傳感器又常被稱為電流氣體傳感器或微型燃料電池。 電化學(xué)傳感器 - - 組成部分電化學(xué)傳感器包含以下主要元件： A. 透氣膜

3、（也稱為憎水膜）：透氣膜用于覆蓋傳感（催化）電極，在有些情況下用于控制到達(dá)電極表面的氣體分子量。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?；蛘撸部梢杂酶呖紫堵侍胤∧じ采w，而用毛管控制到達(dá)電極表面的氣體分子量。此類傳感器稱為毛管型傳感器。除為傳感器提供機(jī)械性保護(hù)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?yīng)能夠允許足量的氣體分子到達(dá)傳感電極。孔徑尺寸還應(yīng)該防止液態(tài)電解質(zhì)泄漏或迅速燥結(jié)。 電化學(xué)傳感器 - - 組成部分 B. 電極：選擇電極材料很重要。電極材料應(yīng)該是一種催化材料，能夠執(zhí)行在長時(shí)間內(nèi)執(zhí)行半電解

4、反應(yīng)。通常，電極采用貴金屬制造，如鉑或金，在催化后與氣體分子發(fā)生有效反應(yīng)。視傳感器的設(shè)計(jì)而定，為完成電解反應(yīng)，三種電極可以采用不同材料來制作。 C. 電解質(zhì)：電解質(zhì)必須有夠促進(jìn)電解反應(yīng)，并有效地將離子電荷傳送到電極。它還必須與參考電極形成穩(wěn)定的參考電勢并與傳感器內(nèi)使用的材料兼容。如果電解質(zhì)蒸發(fā)過于迅速，傳感器信號(hào)會(huì)減弱。 D. 過濾器：有時(shí)候傳感器前方會(huì)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(shù)。多數(shù)常用的濾材是活性炭?；钚蕴靠梢詾V除多數(shù)化學(xué)物質(zhì)，但不能濾除一氧化碳。通過選擇正確的濾材，電化學(xué)傳感器對其目標(biāo)氣體可以具有更高的選擇性。 電化學(xué)傳感器 -

5、 - 共有特性 1在三電極傳感器上，通常由一個(gè)跳線來連接工作電極和參考電極。如果在儲(chǔ)存過程中將其移除， 則傳感器需要很長時(shí)間來保持穩(wěn)定并準(zhǔn)備使用。某些傳感器要求電極之間存在偏壓，而且在這種情況下，傳感器在出廠時(shí)帶有九伏電池供電的電子電路。傳感器穩(wěn)定需要30分鐘至24小時(shí)，并需要三周時(shí)間來繼續(xù)保持穩(wěn)定。 2多數(shù)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(gè)通氣孔以達(dá)到該目的。 電化學(xué)傳感器 - - 共有特性 3傳感器內(nèi)電池的電解質(zhì)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(shí)間暴露可能導(dǎo)致過量

6、水分蓄積并導(dǎo)致泄漏。在低潮濕條件下，傳感器可能燥結(jié)。設(shè)計(jì)用于監(jiān)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(jiān)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(dòng)。影響因素壓力與溫度電化學(xué)傳感器受壓力變化的影響極小。然而，由于傳感器內(nèi)的壓差可能損壞傳感器，因此整個(gè)傳感器必須保持相同的壓力。電化學(xué)傳感器對溫度也非常敏感，因此通常采取內(nèi)部溫度補(bǔ)償。但最好盡量保持標(biāo)準(zhǔn)溫度。 一般而言，在溫度高于25C時(shí)，傳感器讀數(shù)較高；低于25C時(shí)，讀數(shù)較低。溫度影響通常為每攝氏度0.5%至1.0%，視制造商和傳感器類型而定。選擇性及壽命電化學(xué)傳感器通常

7、對其目標(biāo)氣體具有較高的選擇性。選擇性的程度取決于傳感器類型、目標(biāo)氣體以及傳感器要檢測的氣體濃度。最好的電化學(xué)傳感器是檢測氧氣的傳感器，它具有良好的選擇性、可靠性和較長的預(yù)期壽命。其它電化學(xué)傳感器容易受到其它氣體的干擾。干擾數(shù)據(jù)是利用相對較低的氣體濃度計(jì)算得出。在實(shí)際應(yīng)用中，干擾濃度可能很高，會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)錯(cuò)誤或誤報(bào)警。電化學(xué)傳感器的預(yù)期壽命取決于幾個(gè)因素，包括要檢測的氣體和傳感器的使用環(huán)境條件。一般而言，規(guī)定的預(yù)期壽命為一至三年。在實(shí)際中，預(yù)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(huán)境條件，如溫度、壓力和濕度。氧傳感器電流型氧傳感器的結(jié)構(gòu)工作原理恒電位電解式氧傳感器（用外部電源進(jìn)行恒電位電解） 陰極：Pt 陽極：Ag/AgCl 電解液：KCl溶液 電解方程式，陰極：O2+2H2O+4e 4OH- 陽極：4Ag+4Cl-4AgCl+4e 咖瓦尼電池式氧傳感器（利用電池反應(yīng)而非外部電源） 陰極：Pt 陽極：Pb 電解液：KOH溶液 電解方程式