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电化学可燃气体探测器,电化学传感器检测原理及应用结构

时间:2023-06-16 点击:15次

电化学传感器是根据被分析物的电化学性质,将被分析物的化学量转化为电量进行传感和检测的传感器。 下面就电化学传感器的原理、组成、发展历史、分类、电化学传感器进行介绍。 应用角度的解释。

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电化学传感器的发展历史,较早的电化学传感器可以追溯到20世纪50年代,当时电化学传感器主要用于氧气监测,20世纪80年代,电化学传感器开始用于监测多种有机有毒气体,并表现出出色的灵敏度和选择性。

一、电化学传感器的工作原理

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比例的电信号来工作。 大多数电化学气体传感器都是电流传感器,产生与气体浓度成线性比例的电流。

电化学气体传感器的工作原理如下:与传感器接触的目标气体分子首先通过防冷凝隔膜,该隔膜也起到防尘密封的作用。 然后气体分子通过毛细管分散,可能通过后续的过滤器,然后通过疏水膜到达传感电极的表面。 分子立即被氧化或还原,然后产生或消耗电子,并产生电流。

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重要的是要注意,以这种方式进入传感器的气体分子数量受到毛细管扩散的限制。 通过优化的方法,根据所需的测量尺度获得适当的电信号。 传感电极的设计对于实现对目标气体的高响应度和抑制对干扰气体的不良响应至关重要。 它涉及固、液、气三相体系,都涉及分析物气体的化学鉴定。 正在努力定制系统并获得功能强大的气体传感器。 电化学电池由所谓的反电极(Cont 电极)完成,该反电极平衡传感电极上的反应。 Cont 电极和 Sen 电极之间的离子电流由传感器主体内的电解质承载,而电流路径通过以针式连接器端接的电线馈送。 第三电极通常包含在电化学传感器(三电极传感器)中。 所谓的参考电极用于将传感电极的电位保持在固定值。 为此,通常为了操作电化学传感器,需要恒电位电路。

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2. 电化学传感器的组成

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电化学传感器包括以下四个主要组件:

1、透气膜(又称疏水膜):透气膜用于覆盖传感(催化)电极,在某些情况下用于控制到达电极表面的气体的分子量。 这种屏障通常由低孔隙率的聚四氟乙烯膜制成。 这种传感器称为涂层传感器。 或者,它可以覆盖一层高孔隙率的聚四氟乙烯膜电化学可燃气体探测器,毛细管用于控制到达电极表面的气体的分子量。 这种传感器称为毛细管传感器。 除了为传感器提供机械保护外,膜还具有过滤掉不需要的颗粒的功能。 为了传输正确的气体分子量,必须选择正确的膜和毛细管孔径。 孔径应允许足够数量的气体分子到达传感电极。 孔径还应避免液体电解质的泄漏或快速干燥。

2、电极:选择电极材料非常重要。 电极材料应该是能够长时间进行半电解反应的催化材料。 通常,电极由贵金属制成,例如铂或金,它们在催化后可与气体分子发生有效反应。 根据传感器的设计,三个电极可以由不同的材料制成,以实现电解反应。

3、电解质:电解质必须能够进行电解反应,有效地将离子电荷转移到电极上。 它还必须与参比电极形成稳定的参比电位,并与传感器内使用的材料兼容。 如果电解液蒸发太快,传感器信号会减弱。

4、过滤器:有时会在传感器前安装一个洗涤过滤器,以过滤掉不需要的气体。 过滤器的选择是有限的,每个过滤器都有不同程度的效率。 大多数常用的过滤材料是活性炭。 活性炭可以滤除大部分化学物质,但不能滤除一氧化碳。 通过选择合适的过滤材料,电化学传感器可以对其目标气体更具选择性。

三、电化学传感器的分类

电化学传感器的分类方法很多电化学可燃气体探测器,根据其输出信号的不同可分为电位传感器、电流传感器和电导传感器。

根据电化学传感器检测的物质不同,电化学传感器主要可分为离子传感器、气体传感器和生物传感器。

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四、电化学传感器的主要功能及影响因素

(1) 灵敏度

影响灵敏度的主要因素有:催化剂活性、进气量、电解​​液电导率、环境温度等。

(2)回声恢复

影响响应恢复速度的主要因素有:催化剂活性、电解液电导率、气室结构、气体特性等。

(3) 选择性/交叉干扰

影响选择性的因素包括:催化剂类型、电解液、偏压、过滤器等。

(4) 重复性/长期稳定性

影响重复性的因素包括:电极结构稳定性、电解液稳定性、气路稳定性等。

(5)高低温功能

影响高低温稳定性的因素包括:催化剂活性、电极结构稳定性、气体特性

五、电化学传感器的应用前景

电化学传感器广泛应用于工业和民用领域的气体检测,可检测臭氧、甲醛、一氧化碳、氨气、硫化氢、二氧化硫、二氧化氮、氧气等气体,常用于便携式仪表和气体在线监控仪表。

让我们来看看四个主要应用程序。

1.湿度传感器

湿度是空气环境的重要指标。 空气的湿度与人体的蒸发热量有着密切的关系。 高温高湿时,人体因水分蒸发困难而感到闷热。 冻疮。 人体最适宜的温度为18~22℃,相对湿度为35%~65%RH。 在环境卫生监测中,常用湿球湿度计、手摇式湿度计、通风式湿度计等仪器测量空气湿度。 近年来,许多文献报道了使用传感器测量空气湿度。 用于测量相对湿度的涂层压电石英晶体传感器,采用光刻和化学蚀刻技术将小石英晶体制成,在AT切割的10MHZ石英晶体上涂敷4种物质,具有较高的湿度质量灵敏度。 晶体是振荡电路中的谐振器,其频率随质量而变化。 选择合适的涂层,传感器可用于测量不同气体的相对湿度。 传感器的灵敏度、响应线性度、响应时间、选择性、迟滞和使用寿命等取决于涂层化学性质。

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2.氮氧化物传感器

氮氧化物是由氮的各种氧化物组成的气体混合物的总称,通常标记为NOX。 在氮氧化物中,不同形式的氮氧化物具有不同的化学稳定性。 化学性质相对稳定的一氧化氮和二氧化氮常存在于空气中。 它们的卫生意义比其他形式的氮氧化物更重要。 在环境分析中,氮氧化物一般指一氧化氮和二氧化氮。 我国监测氮氧化物的标准方法是萘乙二胺盐酸盐比色法。 该方法的灵敏度为0.25ug/5ml。 该方法的转化系数受吸收液组成、二氧化氮浓度、产气速度、吸收管结构、共存离子和温度的影响。 许多其他因素的影响并不完全一致。 传感器测量是近年来发展起来的一种新方法。 文献报道,将叉指型栅电极场效应晶体管的微电子集成电路与化学活性电子束蒸发酞菁青铜薄膜相结合,得到一种新型气敏微传感器,可选择性地检测mg/m3水平二氧化碳氮和二亚甲基膦酸酯 (DIMP)。

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3、硫化氢气体传感器

硫化氢是一种无色可燃性气体,具有特殊的臭鸡蛋气味。 有刺激性和窒息性,对人体危害很大。 空气中的硫化氢大部分是用比色法和气相色谱法测定的。 空气污染物含量往往低至mg/m3的测定是气体传感器的重要应用,但半导体气体传感器无法满足短时间内监测某些污染气体的灵敏度和选择性要求。 掺银薄膜传感器阵列由四个传感器组成。 通过基于库滴定的通用分析设备和半导体气体传感器阵列的信号,同时记录二氧化硫和硫化氢的浓度。 该传感器用于监测城市空气中的硫化氢水平,效果极佳。

4、二氧化硫传感器

二氧化硫是污染空气的主要物质之一,检测空气中的二氧化硫是空气检测中的一项常规工作。 使用传感器监测二氧化硫。 从缩短检测时间到降低检出限,都显示出很大的优势。 使用固体聚合物作为离子交换膜,膜的一侧含有对电极和参比电极的内部电解质,另一侧插入铂电极,形成二氧化硫传感器。 传感器设备在流通池中以 0.65V 氧化二氧化硫。 指示了二氧化硫的量。 该传感装置具有高电流灵敏度。 响应时间短,稳定性好,背景噪声低,线性范围0.2mmol/L,检出限8*10-6mmol/L,信噪比3。该传感器不仅能测量二氧化硫在空气中,但也在低电导率的液体中。 有机改性硅酸盐薄膜二氧化硫气体传感器的气敏涂层采用溶胶工艺和旋涂技术制造。 二氧化硫的测量具有极好的重现性和可逆性,响应时间小于20S。 交感小,受温湿度影响小。

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6、电化学传感器的未来发展趋势

随着物联网的兴起和人们对环境关注度的不断提高,电化学传感器在环保领域的应用更加广泛。 电化学以其体积小、灵敏度高、组装方便等特点成为传感器领域的新兴优秀产品。

随着新型功能纳米材料的不断出现,电化学传感器的一些不足将被克服,其应用价值将在农业、环境监测和医疗等领域得到体现。 这很值得。

法国原子能委员会电子和信息技术实验室 (CEA-Leti) 使用中红外硅光子技术开发了下一代光学化学传感器原型,可集成到智能手机和其他便携式设备中。 中间。

电化学传感器可用于气体的检测,基本上可以检测所有的大气污染物,包括碳氢化合物、羰基化合物、硫化物、硫氧化物、氮氧化物、氮还原物等气态物质。

离子传感器是检测水和土壤污染物的有力手段。 它可以测量许多阴离子、阳离子和有机物质,包括卤素离子、氰化物、各种金属离子、酸根离子、有机污染物等。PH值和氟的测定是它最典型的用途。 部分离子传感器也可用于气态污染物分析。

电化学生物传感器可用于水体检测和大气环境监测,如监测水体富营养化、BOD和重金属离子浓度、大气中的SO2、CO2和NO2等。

未来,电化学传感器将广泛应用于工业、科研、国防、环境等领域。 在众多类型的传感器中,电化学传感器已成为研究最多、应用最广泛、最成熟的一类传感器。 未来,传感器将朝着小型化、小型化、智能化的方向快速发展。 具有特殊功能和优势的电化学传感器将不断涌现并投入实际应用。

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