电化学传感器详细介绍

最早的电化学传感器可以追溯到20世纪50年代，当时用于氧气监测。到了20世纪80年代中期，小型电化学传感器开始用于检测PEL范围内的多种不同有毒气体，并显示出了良好的敏感性与选择性。目前，为保护人身安全起见，各种电化学传感器广泛应用于许多静态与移动应用场合。 　　工作原理 　　电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。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。 　　气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是憎水屏障，最终到达电极表面。采用这种方法可以允许适量气体与传感电极发生反应，以形成充分的电信号，同时防止电解质漏出传感器。 　　穿过屏障扩散的气体与传感电极发生反应，传感电极可以采用氧化机理或还原机理。这些反应由针对被测气体而设计的电极材料进行催化。 　　通过电极间连接的电阻器，与被测气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。由于该过程中会产生电流，电化学传感器又常被称为电流气体传感器或微型燃料电池。 　　在实际中，由于电极表面连续发生电化发应，传感电极电势并不能保持恒定，在经过一段较长时间后，它会导致传感器性能退化。为改善传感器性能，人们引入了参考电极。 　　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。 　　电化学传感器包含以下主要元件： 　　A. 透气膜（也称为憎水膜）：透气膜用于覆盖传感（催化）电极，在有些情况下用于控制到达电极表面的气体分子量。此类屏障通常采用低孔隙率特氟隆薄膜制成。这类传感器称为镀膜传感器。或者，也可以用高孔隙率特氟隆膜覆盖，而用毛管控制到达电极表面的气体分子量。此类传感器称为毛管型传感器。除为传感器提供机械性保护之外，薄膜还具有滤除不需要的粒子的功能。为传送正确的气体分子量，需要选择正确的薄膜及毛管的孔径尺寸。孔径尺寸应能够允许足量的气体分子到达传感电极。孔径尺寸还应该防止液态电解质泄漏或迅速燥结。 　　B. 电极：选择电极材料很重要。电极材料应该是一种催化材料，能够执行在长时间内执行半电解反应。通常，电极采用贵金属制造，如铂或金，在催化后与气体分子发生有效反应。视传感器的设计而定，为完成电解反应，三种电极可以采用不同材料来制作。 　　C. 电解质：电解质必须有够促进电解反应，并有效地将离子电荷传送到电极。它还必须与参考电极形成稳定的参考电势并与传感器内使用的材料兼容。如果电解质蒸发过于迅速，传感器信号会减弱。 　　D. 过滤器：有时候传感器前方会安装洗涤式过滤器以滤除不需要的气体。过滤器的选择范围有限，每种过滤器均有不同的效率度数。多数常用的滤材是活性炭，如图5所示。活性炭可以滤除多数化学物质，但不能滤除一氧化碳。通过选择正确的滤材，电化学传感器对其目标气体可以具有更高的选择性。 　　电化传感器的制造方法多种多样，最终取决于要检测的气体和制造商。然而，传感器的主要特性在本质上非常相似。以下介绍电化传感器的一些共同特性： 　　1．在三电极传感器上，通常由一个跳线来连接工作电极和参考电极。如果在储存过程中将其移除， 则传感器需要很长时间来保持稳定并准备使用。某些传感器要求电极之间存在偏压，而且在这种情况下，传感器在出厂时带有九伏电池供电的电子电路。传感器稳定需要30分钟至24小时，并需要三周时间来继续保持稳定。 　　2．多数有毒气体传感器需要少量氧气来保持功能正常。传感器背面有一个通气孔以达到该目的。建议在使用非氧气背景气应用场合中与制造商执行复检。 　　3．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，憎水屏障具有防止水溶剂泄漏的作用。然而，和其它气体分子一样，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漏。在低潮湿条件下，传感器可能燥结。设计用于监控高浓度气体的传感器具有较低孔率屏障以限制通过的气体分子量，因此它不受湿度影响，和用于监控低浓度气体的传感器一样，这种传感器具有较高孔率屏障并允许气体分子自由流动。 　　压力与温度 　　电化学传感器受压力变化的影响极小。然而，由于传感器内的压差可能损坏传感器，因此整个传感器必须保持相同的压力。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。但最好尽量保持标准温度。 　　一般而言，在温度高于25°C时，传感器读数较高；低于25°C时，读数较低。温度影响通常为每摄氏度0.5%至1.0%，视制造商和传感器类型而定。 　　选择性 　　电化学传感器通常对其目标气体具有较高的选择性。选择性的程度取决于传感器类型、目标气体以及传感器要检测的气体浓度。最好的电化学传感器是检测氧气的传感器，它具有良好的选择性、可靠性和较长的预期寿命。其它电化学传感器容易受到其它气体的干扰。干扰数据是利用相对较低的气体浓度计算得出。在实际应用中，干扰浓度可能很高，会导致读数错误或误报警。 　　预期寿命 　　电化学传感器的预期寿命取决于几个因素，包括要检测的气体和传感器的使用环境条件。一般而言，规定的预期寿命为一至三年。在实际中，预期寿命主要取决于传感器使用中所暴露的气体总量以及其它环境条件，如温度、压力和湿度。 　　小结 　　电化学传感器对工作电源的要求很低。实际上，在气体监测可用的所有传感器类型中，它们的功耗是最低的。因此，这种传感器广泛用于包含多个传感器的移动仪器中。它们是有限空间应用场合中使用最多的传感器。 　　传感器的预期寿命由其制造商根据他们认为正常的条件进行预测。然而，传感器的预期寿命很大程度上取决于环境污染、温度及其暴露的湿度。 　　典型的电化学传感器的规格 　　传感器类型：2或3电极，通常为3电极 　　范围：可允许暴露极限的2-10倍 　　预期寿命：正常为12至24个月，取决于制造商与传感器 　　温度范围：–40°C至+45°C 　　相对湿度：15-95%，无凝露 　　响应时间：< 50秒 　　长期偏移：每月下移2%