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初期的電化學(xué)傳感器可以追溯到20世紀50年代，當(dāng)時用于氧氣監(jiān)測。到了20世紀80年代中期，小型電化學(xué)傳感器開始用于檢測PEL范圍內(nèi)的多種不同有毒氣體，并顯示出了良好的敏感性與選擇性。隨著科技的發(fā)展，電化學(xué)氣體傳感器的應(yīng)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(fā)展。其中電化學(xué)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(yōu)點，在很多氣體檢測領(lǐng)域中較為普及。相較于其他傳感器，電化學(xué)氣體傳感器擁有較好的測量重復(fù)性和精度。經(jīng)過數(shù)十年來技術(shù)的發(fā)展，電化學(xué)氣體傳感器對特定氣體監(jiān)測有著不可低估顯著優(yōu)勢。
電化學(xué)氣體傳感器的結(jié)構(gòu)
電化學(xué)傳感器有兩電極和三電極結(jié)構(gòu)，主要區(qū)別在于有無參比電極。兩電極CO傳感器沒有參比電極，結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)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?yún)⒈入姌O，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(yè)領(lǐng)域。兩電極電化學(xué)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(xué)氣體傳感器工作原理
電化學(xué)氣體傳感器是一種化學(xué)傳感器，通過與被測氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)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。
圖為松柏傳感熱賣的電化學(xué)傳感器
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(zhì)溶液的界面保持一定電位進行電解，通過改變其設(shè)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(shè)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(zhì)、電解質(zhì)的種類不同而變化。電解電流和氣體濃度之間的關(guān)系如下式表示：
I=(nfADC)/σ 式中：I-電解電流;n-1mol氣體產(chǎn)生的電子數(shù);f-法拉第常數(shù);A-氣體擴散面積;D-擴散系數(shù);C-電解質(zhì)溶液中電解的氣體濃度;σ-擴散層的厚度。在統(tǒng)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(xiàn)CIDK電極以來，控制電位電化學(xué)氣體傳感器在結(jié)構(gòu)、性能和用途等方面都得到了很大的發(fā)展。20世紀70年代初，市場上就有了31檢測器。先后出現(xiàn)了CO、NxOy(氮氧化物)、H2S檢測儀器等產(chǎn)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(yīng)時間一般為幾秒至幾十秒，大多數(shù)小于1min;他們的壽命相差很大，短的只有半年，有的CO監(jiān)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(zhì)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CO氣體監(jiān)測為例來說明這種傳感器隔膜工作電極對比電極的結(jié)構(gòu)和工作原理。在容器內(nèi)的相對兩壁，安置工作電極和對比電極，其內(nèi)充滿電解質(zhì)溶液構(gòu)成一密封結(jié)構(gòu)。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(gòu)造根據(jù)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。
圖為松柏傳感熱賣的電化學(xué)傳感器
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(tài)物質(zhì)溶解于電解質(zhì)溶液并離解，離解生成的離子作用于離子電極產(chǎn)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(gòu)成的。
現(xiàn)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(nèi)部溶液是NIkCE溶液。NEACt離解，產(chǎn)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(nèi)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(xiàn)得較早，通過檢測離子極化電流來檢測氣體的體積分數(shù)，電化學(xué)式氣體傳感器主要檢測氣體的靈敏度高、選擇性好。
圖為松柏智能型電化學(xué)傳感器模組
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(zhì)溶液反應(yīng)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(xiàn)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(dāng)電壓，電流開始流動，后因H+反應(yīng)產(chǎn)生了H2，電極間發(fā)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(chǎn)生的H2發(fā)生反應(yīng)，其結(jié)果，電極部分的H2被極化解除，從而產(chǎn)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(fā)電池型氣體傳感器。他們原理與我們?nèi)粘Ｊ褂玫母呻姵叵嗤徊贿^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(guān)。這種傳感器可以有效檢測氧氣、二氧化硫、氯氣等氣體。
圖為松柏智能型電化學(xué)傳感器模組
電化學(xué)氣體傳感器檢測方法
1、定電位電解法：在測量電極與參考電極之間保持一定電位差，測量電極表面涂有觸媒(白金或黃金)，當(dāng)分析氣體經(jīng)薄膜滲入電解液內(nèi)，在觸媒表面則產(chǎn)生氧化或還原反應(yīng)而釋放出電子，其在測量電極與計數(shù)電極之間所產(chǎn)生的電流與濃度成比例，從而得到氣體濃度值。
2、隔膜離子選擇電極法：隔膜離子選擇性電極:(電極結(jié)構(gòu)、晶體電極(均相晶膜電極(F-、Ag2S)、多相晶膜電極)、流動載體電極(K+、Ca2+)、敏化離子選擇性電極)。隔膜離子選擇性電極的基本特性主要包括(靈敏度、響應(yīng)范圍、選擇性系數(shù)、響應(yīng)時間、穩(wěn)定性、內(nèi)阻、準確性)
3、隔膜卡爾巴尼電池法：是指在電池正極和負極之間一層隔膜材料，是電池中非常關(guān)鍵的部分，對電池安全性和成本有直接影響，其主要作用是：隔離正、負極并使電池內(nèi)的電子不能自由穿過，讓電解液中的離子在正負極之間自由通過。
電化學(xué)氣體傳感器的特點
1、優(yōu)點：
a.通用性好，技術(shù)比較成熟;
b.使用簡單、攜帶方便;
c.線性輸出，良好的選擇性。
2、缺點：
a.無法對未知氣體進行定性分析；
b.傳感器具有一定的使用壽命；
c.超范圍高濃度會導(dǎo)致失效；
d.需特別注意儲存。
電化學(xué)氣體傳感器的應(yīng)用
1、可檢測氣體的種類：
a.氧氣；
b.無機毒性氣體---氧、一氧化碳、二氧化碳、氨、氰化氫、硫化氫
c.可燃性氣體---丙烯氰、乙炔、氨、一氧化碳、乙苯、 氯乙烷、氯甲烷、環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷、氰化氫、丙烷、丙烯、硫化氫
2、應(yīng)用領(lǐng)域：
a.職業(yè)安全；
b.應(yīng)急監(jiān)測；
c.工藝流程氣體檢測；
d.衛(wèi)生監(jiān)督領(lǐng)域(公共場所檢測箱)。
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