電化學氣體傳感器的結構及分類

最早的電化學氣體傳感器能夠追溯到20世紀50年代，當時是用于檢測氧氣濃度。到了20世紀80年代中期，小型電化學氣體傳感器開始用于檢測PEL范圍內的多種不同的有毒氣體，并顯示出了良好的敏感性與選擇性。隨著科技的快速發展，氣體傳感器的應用也日趨廣泛，并開始向小型化、集成化、模塊化、智能化方向發展。其中電化學氣體傳感器由于具備線性輸出、低功耗和較好的分辨率等優點，在很多氣體檢測領域中較為普及。相較于其他氣體傳感器，電化學氣體傳感器擁有較好的測量重復性和精度。經過數十年來技術的發展，電化學氣體傳感器對特定氣體監測有著不可低估顯著優勢。

電化學氣體傳感器的結構

電化學氣體傳感器有兩電極和三電極結構，主要區別在于有無參比電極。兩電極CO傳感器沒有參比電極，結構簡單，易于設計和制造，成本較低適用于低濃度CO的檢測和報警;三電極CO傳感器引入參比電極，使傳感器具有較大的量程和良好的精度，但參比電極的引入增加了制造工序和材料成本，所以三電極CO傳感器的價格高于兩電極CO傳感器，主要用于工業領域。兩電極電化學CO傳感器主要由電極、電解液、電解液的保持材料、除去干涉氣體的過濾材料、管腳等零部件組成。

電化學氣體傳感器的分類

電化學氣體傳感器是一種化學傳感器，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。按照工作原理一般分為原電池式、可控電位電解式、電量式和離子電極式四種類型。

恒電位電解式氣體傳感器

恒電位電解式氣體傳感器的原理是：使電極與電解質溶液的界面保持一定電位進行電解，通過改變其設定電位，有選擇的使氣體進行氧化或還原，從而能定量檢測各種氣體。對于特定氣體來說，設定電位由其固有的氧化還原電位決定，但又隨電解時作用電極的材質、電解質的種類不同而變化。電解電流和氣體濃度之間的關系如下式表示：

I=(nfADC)/σ 式中：I-電解電流;n-1mol氣體產生的電子數;f-法拉第常數;A-氣體擴散面積;D-擴散系數;C-電解質溶液中電解的氣體濃度;σ-擴散層的厚度。在統一傳感器中，n、f、A、D及σ是一定的，電解電流與氣體濃度成正比。

自20世紀50年代出現CIDK電極以來，控制電位電化學氣體傳感器在結構、性能和用途等方面都得到了很大的發展。20世紀70年代初，市場上就有了31檢測器。先后出現了CO、NxOy(氮氧化物)、H2S檢測儀器等產品。這些氣體傳感器靈敏度是不同的，一般是H2S>NO>NOb>Sq>CO，響應時間一般為幾秒至幾十秒，大多數小于1min;他們的壽命相差很大，短的只有半年，有的CO監測儀實際壽命已近10年。影響這類傳感器壽命的主要因素為：電極受淹、電解質干枯、電極催化劑晶體長大、催化劑中毒和傳感器使用方法等。

以一氧化碳傳感器為例來說明這種傳感器隔膜工作電極對比電極的結構和工作原理。在容器內的相對兩壁，安置工作電極和對比電極，其內充滿電解質溶液構成一密封結構。工作電極和對比電極之間的電流是I，恒電位電解式氣體傳感器的基本構造根據此電流值就可知CO氣體的濃度。這種方式的傳感器可用于檢測各種可燃性氣體和毒氣，如CO、H2S、NO、NO2、SO2、HCl、Cl2、PH3、O2等，還能檢測血液中的氧濃度。

離子電極式氣體傳感器

離子電極式氣體傳感器的工作原理是：氣態物質溶解于電解質溶液并離解，離解生成的離子作用于離子電極產生電動勢，將此電動勢取出以代表氣體濃度。這種方式的傳感器是有工作電極、對比電極、電解液和隔膜等構成的。

現以檢測NH3傳感器為例說明這種氣體傳感器的工作原理。作用電極是可測定pH的玻璃電極，參比電極是A8電極，內部溶液是NIkCE溶液。NEACt離解，產生銨離子NH4+，同時水也微弱離解，生成氫離子H+，而NH4+與H+保持平衡。將傳感器侵入NH3中，NH3將通過隔膜向內部滲透，NH3增加，而H+減少，即pH增加。通過玻璃電極檢測此PH的變化，就能知道NH3濃度。除NH3外，這種傳感器還能檢測HCN(氰化氫)、H2S、Sq、CO2等氣體。

離子電極式氣體傳感器出現得較早，通過檢測離子極化電流來檢測氣體的體積分數，電化學式氣體傳感器主要檢測氣體的靈敏度高、選擇性好。

電量式氣體傳感器

電量式氣體傳感器的原理是：被測氣體與電解質溶液反應生成電解電流，將此電流作為傳感器輸出，來檢測氣體濃度，其工作電極、對比電極都是Pt電極。

現以檢測Cl2為例來說明這種傳感器的工作原理。將溴化物MBr(M是一價金屬)水溶液介于兩個鉑電極之間，其離解成比Br-，同時水也離解成H+，在兩鉑電極間加上適當電壓，電流開始流動，后因H+反應產生了H2，電極間發生極化，電流停止流動。此時若將傳感器與CI2接觸，Br-被氧化成Br2。而Br2與極化產生的H2發生反應，其結果，電極部分的H2被極化解除，從而產生電流。該電流與Cl2濃度成正比，所以檢測該電流就能檢測Cl2濃度。除Cl2外，這種方式的傳感器還可以檢測H2S、NH3等氣體。

原電池型氣體傳感器

也被稱為加伏尼電池型氣體傳感器，或燃料電池型氣體傳感器、自發電池型氣體傳感器。他們原理與我們日常使用的干電池相同，只不過電池碳錳電極被氣體電極替代了。以氧氣傳感器為例，氧陰極被還原，電子電流表流到陽極，那里鉛金屬被氧化。因此電流大小與氧氣濃度直接相關。這種傳感器可以有效檢測氧氣、二氧化硫、氯氣等氣體。

文章來源于網絡，若有侵權，請聯系我們刪除。