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電化�(xué)傳感�
閱讀�7398時間�2016-10-11 09:39:15

    最早的�化學(xué)傳感�可以追溯�20世紀(jì)50年代,當(dāng)時用于氧氣監(jiān)�。到�20世紀(jì)80年代中期,小型電化學(xué)傳感�開始用于檢測PEL范圍�(nèi)的多種不同有毒氣�,并顯示出了良好的敏感性與選擇�。目�,為保護(hù)人身安全起見,各種電化學(xué)傳感器廣泛應(yīng)用于許多靜態(tài)與移動應(yīng)用場��

工作原理

    電化�(xué)傳感器通過與被測氣體發(fā)生反�(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號來工作。典型的電化�(xué)傳感器由傳感電極(或工作電極)和反電極組�,并由一個薄電解層隔開�

    氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器�(fā)生反�(yīng),然后是疏水屏障�,最終到�(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�(yīng),以形成充分的電信號,同時防止電解質(zhì)漏出傳感��

    穿過屏障�(kuò)散的氣體與傳感電極發(fā)生反�(yīng),傳感電極可以采用氧化機理或還原機理。這些反應(yīng)由針對被測氣體而設(shè)計的電極材料�(jìn)行催��

    通過電極間連接的電阻器,與被測氣濃度成正比的電流會在正極與�(fù)極間流動。測量該電流即可確定氣體濃度。由于該過程中會�(chǎn)生電�,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�

    在實際中,由于電極表面連續(xù)�(fā)生電化發(fā)�(yīng),傳感電極電勢并不能保持恒定,在�(jīng)過一段較長時間后,它會導(dǎo)致傳感器性能退化。為改善傳感器性能,人們引入了參考電��

    參考電極安裝在電解�(zhì)中,與傳感電極鄰�。固定的�(wěn)定恒電勢作用于傳感電�。參考電極可以保持傳感電極上的這種固定電壓值。參考電極間沒有電流流動。氣體分子與傳感電極�(fā)生反�(yīng),同時測量反電極,測量結(jié)果通常與氣體濃度直接相�(guān)。施加于傳感電極的電壓值可以使傳感器針對目�(biāo)氣體�

組成

    電化�(xué)傳感器包含以下主要元件:

    A. 透氣膜(也稱為疏水膜):透氣膜用于覆蓋傳感(催化)電�,在有些情況下用于控制到�(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�。這類傳感器稱為鍍膜傳感器?;蛘?,也可以用高孔隙率特氟隆膜覆�,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。除為傳感器提供機械性保�(hù)之外,薄膜還具有濾除不需要的粒子的功�。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�?yīng)能夠允許足量的氣體分子到�(dá)傳感電極。孔徑尺寸還�(yīng)該防止液�(tài)電解�(zhì)泄漏或迅速燥�(jié)�

    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�,能夠執(zhí)行在長時間內(nèi)�(zhí)行半電解反應(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�(fā)生有效反�(yīng)。視傳感器的�(shè)計而定,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�(zhì):電解質(zhì)必須能夠�(jìn)行電解反�(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�(nèi)使用的材料兼�。如果電解質(zhì)蒸發(fā)過于迅�,傳感器信號會減��

    D. 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�,每種過濾器均有不同的效率度�(shù)。多�(shù)常用的濾材是活性炭,如�5所�?;钚蕴靠梢詾V除多�(shù)化學(xué)物質(zhì),但不能濾除一氧化�。通過選擇正確的濾�,電化學(xué)傳感器對其目�(biāo)氣體可以具有更高的選擇��

    電化傳感器的制造方法多種多�,最終取決于要檢測的氣體和制造商。然�,傳感器的主要特性在本質(zhì)上非常相�。以下介紹電化傳感器的一些共同特性:

    1.在三電極傳感器�,通常由一個跳線來連接工作電極和參考電�。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�(wěn)定并�(zhǔn)備使�。某些傳感器要求電極之間存在偏壓,而且在這種情況�,傳感器在出廠時帶有九伏電池供電的電子電�。傳感器�(wěn)定需�30分鐘�24小時,并需要三周時間來繼續(xù)保持�(wěn)��

    2.多�(shù)有毒氣體傳感器需要少量氧氣來保持功能正常。傳感器背面有一個通氣孔以�(dá)到該目的。建議在使用非氧氣背景氣�(yīng)用場合中與制造商�(zhí)行復(fù)檀�

    3.傳感器�(nèi)電池的電解質(zhì)是一種水溶劑,用疏水屏障予以隔離,疏水屏障具有防止水溶劑泄漏的作�。然而,和其它氣體分子一�,水蒸汽可以穿過疏水屏障。在大濕度條件下,長時間暴露可能�(dǎo)致過量水分蓄積并�(dǎo)致泄�。在低潮濕條件下,傳感器可能燥結(jié)。設(shè)計用于監(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�(jiān)控低濃度氣體的傳感器一�,這種傳感器具有較高孔率屏障并允許氣體分子自由流動�

�(yīng)�

    1、濕度傳感器 濕度是空氣環(huán)境的一個重要指�(biāo),空氣的濕度與人體蒸�(fā)熱之間有著密切關(guān)系,高溫高濕�,由于人體水分蒸�(fā)困難而感到悶熱,低溫高濕�,人體散熱過程劇�,容易引起感冒和凍傷。人體最適宜的氣溫是18~22℃,相對濕度�35%�65%RH� 在環(huán)境與�(wèi)生監(jiān)測中,常用于濕球溫濕度計、手搖濕溫度計和通風(fēng)濕溫度計等儀器測定空氣濕�。近年來,大量文�(xiàn)報道用傳感器測定空氣濕度。用于測定相對濕度的涂覆壓電石英晶體用傳感器,通過光刻和化�(xué)蝕刻技�(shù)制成小型石英奪電晶體,在AT 切割�10MHZ石英晶體上涂�4種物�(zhì),對濕度具有較高的�(zhì)量敏感�.該晶體是振蕩電路中的共振�,其頻率隨�(zhì)量變�,選擇適當(dāng)涂層,該傳感器可用于測定不同氣體的相對濕度.該傳感器的靈敏度、響�(yīng)線�、響�(yīng)時間、選擇性、滯后現(xiàn)象和使用壽命等孝怪癖于涂層化�(xué)物質(zhì)的性質(zhì)�

    2、氧化氮傳感� 氧化氮是氮的各種氧化物所組成的氣體混合物的總�,常以NOX表示。在氧化氮中,不同形式的氧化氮化�(xué)�(wěn)定性不�,空氣中常風(fēng)的是化學(xué)性質(zhì)相對�(wěn)定的一氧化氮和二氧化氮,它們在�(wèi)生學(xué)上的意義顯得較其它形式氧化氮更為重要。在�(huán)境分析中,氧化氮一般指一氧化氮二氧化�� 我國�(jiān)測氧化氮的標(biāo)�(zhǔn)方法是鹽酸萘乙二胺比色法,方法靈敏度�0.25ug/5ml,方法�(zhuǎn)換系�(shù)受吸收液組成、二氧化氮濃度、采氣速度、吸收管�(jié)�(gòu)、共存離子及溫度等多種因素的影響,目前沿末完全統(tǒng)一。傳感器測定是近年發(fā)慌起來的新方法� 文獻(xiàn)報道,用交指型柵極電極場效應(yīng)晶體管的微電子集成電路與化學(xué)活性電子束蒸鍍酞花青銅薄膜相結(jié)合,獲得了新型氣體敏感微傳感�,可選擇性檢測mg/m3 級二氧化氮和二惜�(nèi)基甲基膦酸鹽(DIMP)�

    3、硫化氫氣體傳感� 硫化氫是一種無�、具有特殊腐蛋臭味的可燃?xì)怏w,具有刺激性和窒息�,對人體有較大危�。目前大多用比色法和氣相色譜法測定空氣中硫化氫� 對含量常常低至mg/m3級的空氣污染物�(jìn)行測定是氣體傳感器的一項主要應(yīng)�,但在短時期�(nèi)半導(dǎo)體氣體傳感器還不能滿足監(jiān)測某些污染氣體靈敏度和選擇性要�。他提出利用摻銀薄膜傳感器監(jiān)測實驗室和城市空氣中的硫化氫。該傳感器陣列由四個傳感器�(gòu)�,通過基于庫化滴定的通用分析裝置和半�(dǎo)體氣體傳感器陣列的信�,同時記錄二氧化硫和硫化氫濃�,實踐表�,在150℃下以恒溫方式盍的摻銀薄膜傳感器用于監(jiān)測城市空氣中的硫化氫含量,效果良好�

    4、二氧化硫傳感器 二氧化硫是污染空氣的主要物質(zhì)之一,檢測空氣中二氧化硫嘗試是空氣檢驗的一項經(jīng)常性工�。應(yīng)用傳感器�(jiān)測二氧化�。從縮短檢測時間到降低檢出限,都顯示出極大的�(yōu)越性� 利用固體聚合物作離子交換�,膜的一邊含對電極和參比電極的內(nèi)部電解液,另一邊插入鉑電極,組成一種二氧化硫傳感器。該傳感器安裝在流通池�,在 0.65V下氧化二氧化�。批示出二氧化硫的量。該傳感裝置電流靈敏度高。響�(yīng)時間�,穩(wěn)定性好,本底噪音低,線性范圍達(dá)0.2mmol/L,檢出限� 8*10-6mmol/L,信噪比�3。該傳感器不僅可以測定空氣中的二氧化硫,還可用于測定低電�(dǎo)率液體中的二氧化�。有機改性硅酸鹽薄膜二氧化硫氣體傳感器的氣敏涂層是利用溶膠工藝和自旋技�(shù)制作的,對二氧化硫的測定具有良好的重�(xiàn)性和可逆�,響�(yīng)時間不到20S,對其它氣體的交感小,受溫度和濕度影響小�

壓力與溫�

    電化�(xué)傳感器受壓力變化的影響極�。然�,由于傳感器�(nèi)的壓差可能損壞傳感器,因此整個傳感器必須保持相同的壓�。電化學(xué)傳感器對溫度也非常敏�,因此通常采取�(nèi)部溫度補償。但盡量保持�(biāo)�(zhǔn)溫度�

    一般而言,在溫度高于25°C�,傳感器讀�(shù)較高;低�25°C時,讀�(shù)較低。溫度影響通常為每攝氏�0.5%�1.0%,視制造商和傳感器類型而定�

選擇�

    電化�(xué)傳感器通常對其目標(biāo)氣體具有較高的選擇�。選擇性的程度取決于傳感器類型、目�(biāo)氣體以及傳感器要檢測的氣體濃�。的電化�(xué)傳感器是檢測氧氣的傳感器,它具有良好的選擇�、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)�(jù)是利用相對較低的氣體濃度計算得出。在實際�(yīng)用中,干擾濃度可能很高,會導(dǎo)致讀�(shù)錯誤或誤報警�

�(yù)期壽�

    電化�(xué)傳感器的�(yù)期壽命取決于幾個因�,包括要檢測的氣體和傳感器的使用�(huán)境條�。一般而言,規(guī)定的�(yù)期壽命為一至三�。在實際中,�(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�,如溫度、壓力和濕度�

小結(jié)

    電化�(xué)傳感器對工作電源的要求很低。實際上,在氣體�(jiān)測可用的所有傳感器類型�,它們的功耗是�。因�,這種傳感器廣泛用于包含多個傳感器的移動儀器中。它們是有限空間�(yīng)用場合中使用最多的傳感��

    傳感器的�(yù)期壽命由其制造商根據(jù)他們認(rèn)為正常的條件�(jìn)行預(yù)�。然而,傳感器的�(yù)期壽命很大程度上取決于環(huán)境污�、溫度及其暴露的濕度�

    典型的電化學(xué)傳感器的�(guī)�

    傳感器類型:2�3電極,通常�3電極

    范圍:可允許暴露極限�2-10�

    �(yù)期壽命:正常�12�24個月,取決于制造商與傳感器

    溫度范圍:�40°C�+45°C

    相對濕度�15-95%,無凝露

    響應(yīng)時間�< 50�

    長期偏移:每月下�2%

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