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电化学传感器的优点、缺点以及与NDIR气体传感器的对比
/ 作者：小易
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电化学传感器的优点、缺点以及与NDIR气体传感器的对比，上一篇：
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电化学传感技术始于50年代初。今天，它仍然是检测氧气和有毒气体最流行的一种方法，如一氧化碳和硫化氢。这种技术虽然不能用于测量可燃气体，但它是检测环境有毒气体的最好，最全面的方法。电化学传感器是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的。类似于其他任何技术，在使用电化学传感器检测气体时具有其各自的有优点和缺点。重要的是, 在决定该技术是否合适你的应用前,必须先认真阅读应用信息。电化学传感器的优点包括以下几点: 可以检测某特定的气体。选择性的程度取决于传感器的类型，目标气体和目标气体的浓度。 线性输出，低功耗和良好的分辨率。 良好的重复性和准确性。一旦校准到已知浓度，传感器将提供可重复的、精确的目标气体读数。 不被其他气体污染。其它环境气体的存在将不会缩短传感器的寿命。 比大多数其它气体检测技术更经济。不同于红外线和PID技术，电化学传感器是经济的。电化学传感器的缺点包括： 有限的温度范围。因为其对温度非常敏感，所以传感器通常都进行了内部温度补偿，尽可能保持温度稳定。 寿命短。电化学传感器通常具有六个月到一年的储存寿命，这取决于使用环境和被检测的气体。 与其他气体的交叉灵敏度大。虽然这是一个优点，但同时也是一个缺点。一些传感器容易受到来自其他气体的干扰。所以很重要的一点就是要清楚知道哪些气体可能会干扰传感器，及早发现潜在错误。 在目标气体中暴露的时间越长，寿命就越短。一般地，预期寿命是一到三年。低湿度和高温度会导致传感器的电解质变干。暴露于目标气体或干扰气体交叉也会耗尽传感器上的电解质。 电化学传感器是一项已使用了多年的成熟技术，并且将继续是气体检测传感器的基石。小型便利的传感器将适合用于个人气体检测设备。但是，当你使用电化学式气体检测装置时，一定要记住传感器的局限性。与NDIR气体传感器的对比（ by Neil Roberts, 产品应用工程师，Amphenol Advanced Sensors） 虽然电化学气体传感器可以对特定的气体作出响应，但是我们的测试往往显示出其交叉灵敏度，例如二氧化碳传感器受湿度的变化的影响很大。功率要求类似于当前的NDIR传感器，但应特别注意的是电化学传感器变热特性使得我们不能进行多物理量的测量了（例如，温度，湿度和二氧化碳）。长期来看，电化学气体传感器并不稳定，往往需要每天复位。 跟NDIR气体传感器一样，两者都容易受到腐蚀和化学侵蚀。 NDIR气体传感器现在价格水平跟电化学传感器相当。 NDIR气体传感器的工作温度范围比较宽，我们的标准是0-50℃，而且可以放宽。 NDIR气体传感器，终身校准保证，寿命为15年。 有些NDIR传感器也具有交叉灵敏度的问题，这取决于传感器内的热电堆滤波的公差。AAS NDIR气体传感器的热电堆滤波公差很小，可以忽略来自一氧化碳和水蒸汽的对其的影响。 在HVAC中应用的电化学传感器寿命一般已延长至7年，但是这仍然是NDIR气体传感器的一半，而且如果电化学气体传感器暴露过多或所处环境恶劣，寿命将显著减少。 NDIR传感器已经被证实了几十年，小型化已使他们更容易集成到大多数应用中。大多数欧美的设计者青睐NDIR气体传感器，，因为它是一个“适合和放心”传感器，更重要的是在系统的预期寿命期间不需要更换
电化学传感器的优点、缺点以及与NDIR气体传感器的对比
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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）：透气膜用于复盖传感（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复盖，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。
应用/电化学传感器
1、湿度传感器 湿度是空气环境的一个重要指标，空气的湿度与人体蒸发热之间有着密切关系，高温高湿时，由于人体水分蒸发困难而感到闷热，低温高湿时，人体散热过程剧烈，容易引起感冒和冻伤。人体最适宜的气温是18~22℃，相对湿度为35%～65%RH。 在环境与卫生监测中，常用于湿球温湿度计、手摇湿温度计和通风湿温度计等仪器测定空气湿度。近年来，大量文献报道用传感器测定空气湿度。用于测定相对湿度的涂复压电石英晶体用传感器,通过光刻和化学蚀刻技术制成小型石英夺电晶体,在AT 切割的10MHZ石英晶体上涂有4种物质,对湿度具有较高的质量敏感性.该晶体是振荡电路中的共振器,其频率随质量变化,选择适当涂层,该传感器可用于测定不同气体的相对湿度.该传感器的灵敏度、响应线性、响应时间、选择性、滞后现象和使用寿命等孝怪癖于涂层化学物质的性质。2、氧化氮传感器 氧化氮是氮的各种氧化物所组成的气体混合物的总称，常以NOX表示。在氧化氮中，不同形式的氧化氮化学稳定性不同，空气中常风的是化学性质相对稳定的一氧化氮和二氧化氮，它们在卫生学上的意义显得较其它形式氧化氮更为重要。在环境分析中，氧化氮一般指一氧化氮二氧化氮。 我国监测氧化氮的标准方法是盐酸萘乙二胺比色法，方法灵敏度为0.25ug/5ml,方法转换系数受吸收液组成、二氧化氮浓度、采气速度、吸收管结构、共存离子及温度等多种因素的影响，目前沿末完全统一。传感器测定是近年发慌起来的新方法。 文献报道，用交指型栅极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镀酞花青铜薄膜相结合，获得了新型气体敏感微传感器，可选择性检测mg/m3 级二氧化氮和二惜内基甲基膦酸盐(DIMP)。3、硫化氢气体传感器 硫化氢是一种无色、具有特殊腐蛋臭味的可燃气体，具有刺激性和窒息性，对人体有较大危害。目前大多用比色法和气相色谱法测定空气中硫化氢。 对含量常常低至mg/m3级的空气污染物进行测定是气体传感器的一项主要应用，但在短时期内半导体气体传感器还不能满足监测某些污染气体灵敏度和选择性要求。他提出利用掺银薄膜传感器监测实验室和城市空气中的硫化氢。该传感器阵列由四个传感器构成，通过基于库化滴定的通用分析装置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浓度，实践表明，在150℃下以恒温方式盍的掺银薄膜传感器用于监测城市空气中的硫化氢含量，效果良好。4、二氧化硫传感器 二氧化硫是污染空气的主要物质之一，检测空气中二氧化硫尝试是空气检验的一项经常性工作。应用传感器监测二氧化硫。从缩短检测时间到降低检出限，都显示出极大的优越性。 利用固体聚合物作离子交换膜，膜的一边含对电极和参比电极的内部电解液，另一边插入铂电极，组成一种二氧化硫传感器。该传感器安装在流通池中，在 0.65V下氧化二氧化硫。批示出二氧化硫的量。该传感装置电流灵敏度高。响应时间短，稳定性好，本底噪音低，线性范围达0.2mmol/L，检出限为 8*10-6mmol/L，信噪比为3。该传感器不仅可以测定空气中的二氧化硫，还可用于测定低电导率液体中的二氧化硫。有机改性硅酸盐薄膜二氧化硫气体传感器的气敏涂层是利用溶胶工艺和自旋技术制作的，对二氧化硫的测定具有良好的重现性和可逆性，响应时间不到20S，对其它气体的交感小，受温度和湿度影响小。
压力与温度/电化学传感器
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
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
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。
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贡献光荣榜一、电路设计： 1、化学传感器驱动电路设计概述：
图1-1 化学传感器驱动电路设计图 &&&&&&& 首先，无论是3引脚还是4引脚的化学传感器，其中2个引脚必然是对电极（Cnt）和参比电极（Ref），由于电化学传感器需要稳定的参考电压，这里便需要制作一个恒定位仪电路使得两个电极的电势差恒定，保证传感器能够正常工作。 &&&&&&& 其次，在上述条件下，传感器工作电极（Sens）会输出一个微弱电流，经过电流转电压电路，使电流信号转换成电压信号，再经过一个滤波器，滤除无用的交流干扰信号，得到稳定的电压值。 &&&&&&& 最后调节放大倍数，将电压变化范围限定在0到3.3V的范围内，就可以送入到单片机进行AD采集。 & 2、恒电位仪电路设计
图1-2 恒电位仪电路设计图 （1） 原理说明：
图1-3 电化学传感器内部等效示意图
（2） 参数设置：
3、电平保持电路
图1-3 电平保持电路 （1） 原理说明 &&&&&& 由于每次传感器进入工作状态，都需要大量的时间等待负反馈调节完毕，所以在不使用的时候将Ref和Sense端短接以减短负反馈调节的时间。 &&&&&& 因此使用一个JEFT管，完成在断电的情况下，使得Ref和Sens短路，供电的情况下，Ref和Sens短路的功能。 （2） 参数设置 &&&&
& 4、电流转电压电路
图1-4 电流转电压电路设计图 （1） 原理说明：
（2） 参数设置
& 5、去参考电平电路及滤波器设计
图1-5 电流转电压电路设计图 （1） 原理说明：
（2） 参数设置：
& 6、系统函数
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半导体式气体传感器是依据金属氧化物半导体材料，在空气中，在遇到当空气的氧化还原状态发生变化时，半导体才料的电导率会发生相应的变化，比如：当空气中弥漫一定浓度的酒精蒸汽时，二氧化锡半导体材料的电导率会升高，电阻下降；而这种变化的幅度与气体的浓度直接相关，这就是半导体式气体传感器！我们家庭排油烟机下面的电子鼻就是使用的这种传感器。 电化学式气体传感器是依据气体的电化学氧化和还原的原理制备的，他的原理是与我们的电池几乎相同。比如，我们检测一氧化碳，CO在电解池的阳极被氧化成二氧化碳，而电解电流与CO的浓度有关。
电化学传感器和半导体传感器的区别
&&&&& 半导体传感器和电化学传感器的区别.& 半导体传感器因其简单低价已经得到广泛应用，但是又因为它的选择性差和稳定性不理想目前还只是在民用级别使用。而电化学传感器因其良好的选择性和高灵敏度被广泛应用在几乎所有工业场合。
半导体式气体传感器是依据金属氧化物半导体材料，在空气中，在遇到当空气的氧化还原状态发生变化时，半导体才料的电导率会发生相应的变化，比如：当空气中弥漫一定浓度的酒精蒸汽时，二氧化锡半导体材料的电导率会升高，电阻下降；而这种变化的幅度与气体的浓度直接相关，这就是半导体式气体传感器！我们家庭排油烟机下面的电子鼻就是使用的这种传感器。
&&&&& 电化学式气体传感器是依据气体的电化学氧化和还原的原理制备的，他的原理是与我们的电池几乎相同。比如，我们检测一氧化碳，CO在电解池的阳极被氧化成二氧化碳，而电解电流与CO的浓度有关。电化学传感器准确而灵敏，但是，由于大量使用贵金属，另外制作工艺复杂，因此价格较高。气体探测器检测原理的核心部件是传感器按传感器划分有催化燃烧式传感器电化学传感器半导体传感器红外传感器和光离子传感器.催化燃烧式传感器属于高温传感器，其工作原理是气敏材料(如Pt电热丝等)在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或者在催化剂作用下氧化燃烧，电热丝由于燃烧而升温，从而使其电阻值发生变化。
&&&&& 注意： 催化燃烧式GQB-X SmArt Sensor检测的可实现是有条件的，必须保证检测环境中包含足够的氧气，在无氧的环境下这种检测方式可能无法检测任何可燃性气体。
&&&& &注意： 某些含铅化合物（尤其是四乙基铅）、硫化合物、硅类、磷化合物、硫化氢和 卤代烃可能会使传感器中毒或抑制，如果被检测的环境含有上诉物质应在合同中注明或选用抗上诉物质的GQB-X SmArt Sensor类型传感器。
&&&&& 电化学传感器属于精密型传感器，电化传感器通过与目标气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。典型的电化传感器由传感电极（或工作电极）和反电极组成。
&&&&& 注意： 某些传感器要求电极之间存在偏压。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。
&&&&& 注意： 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HRBEAST执行复检。
&&&&& 注意： 高湿度及高干旱会影响传感器的使用寿命。瞬间压力变化可能产生一个暂态的传感器输出，也有可能达到误报警状态。
&&&&& 半导体传感器属于广谱型传感器，其工作原理是金属氧化物半导体的表面在吸收气体后，电阻发生变化。
&&& 注意：虽然半导体（固态）GQB-X SmArt Sensor的预期寿命较长，但与其它类型的传感器相比，它们也更易于受到干扰气体的影响。因此，如果应用场合中出现其它背景气体，固态传感器可能会发出错误警报。
&&& 红外传感器属于精密型传感器，它具有相当好的测量针对性。目前主要检测低碳链碳氢化合物和CO2。
&&& 注意： 红外传感器灵敏度高并不表示其准确性较其他类型传感器高。
&&& 光离子传感器PID有一个紫外光源化学物质在它的激发下产生正、负离子就能被检测器轻易探测到。当分子吸收高能紫外线时就产生电离，分子在这种激发下产生负电子并形成正离子。这些电离的微粒产生的电流经过检测器的放大，就能在仪表上显示ppm级的浓度。这些离子经过电极后很快就重新组合到一起变成原来的有机分子。在此过程中分子不会有任何损坏； PID不会&烧毁&也不用经常更换标样气体。
半导体式气体传感器是依据金属氧化物半导体材料，在空气中，在遇到当空气的氧化还原状态发生变化时，半导体才料的电导率会发生相应的变化，比如：当空气中弥漫一定浓度的酒精蒸汽时，二氧化锡半导体材料的电导率会升高，电阻下降；而这种变化的幅度与气体的浓度直接相关，这就是半导体式气体传感器！我们家庭排油烟机下面的电子鼻就是使用的这种传感器。
　　电化学式气体传感器是依据气体的电化学氧化和还原的原理制备的，他的原理是与我们的电池几乎相同。比如，我们检测一氧化碳，CO在电解池的阳极被氧化成二氧化碳，而电解电流与CO的浓度有关。
　　电化学传感器准确而灵敏，但是，由于大量使用贵金属，另外制作工艺复杂，因此价格较高。
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