电化学传感器 电路 电化学传感器电路设计

电化学传感器电路设计

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1-4 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1-5 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1-6 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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电化学传感器工作原理及构造应用

　　电化学传感器是基于待测物的电化学性质并将待测物化学量转变成电学量进行传感检测的一种传感器，以下是关于电化学传感器原理、组成、发展史、分类、电化学传感器的运用远景的讲解。

　　电化学传感器的发展史，较早的电化学传感器要追溯到20世纪50年代，在当时电化学传感器运用于氧气监测，到了20世纪80年代，电化学传感器开始运用于监测各式各样的有毒性气体，并显示出了杰出的灵敏型与挑选性。

　　一、电化学传感器的工作原理

　　电化学传感器经过与被测气体产生百反响并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。大大都电化学气体传感器是电流传感器，产生与气体浓度成线性份额的电流。

　　一个电化学气体传感器的工作原理如下：与传感器接触的方针气体分子首先经过一个避免冷凝的隔膜，它也起到防尘的效果。那么气体分子经过毛细管分散，或许经过随后的过滤器，然后经过疏水膜抵达感测电极的表面。在那里分子立即被氧化或还原，然后产生或消耗电子，然后产生电流。

　　重要的是要注意，用这种办法进入传感器的气体分子的量受到经过毛细管分散的约束。经过优化途径，根据希望的测量规模，获得适当的电信号。感测电极的规划关于完成对方针气体的高反响性并抑制对搅扰气体的不希望呼应是至关重要的。它涉及固体，液体和气体三个阶段的体系，而且都涉及分析物气体的化学辨认。致力于量身定制该体系并获得高功能的气体传感器。电化学电池经过平衡感测电极处的反响的所谓反电极–Cont电极完成。Cont电极与Sen电极之间的离子电流由传感器主体内的电解质传送，而电流途径经过以销连接器停止的导线供给。一般在电化学传感器(3电极传感器)中包括第三电极。所谓的参阅电极用于将感测电极的电势保持在固定值。为此而且一般用于电化学传感器的操作，需求恒电位电路。

　　二、电化学传感器的组成

　　电化学传感器包括以下4种首要元件：

　　1、 透气膜(也称为疏水膜)：透气膜用于掩盖传感(催化)电极，在有些情况下用于操控抵达电极表面的气体分子量。此类屏障一般选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，也能够用高孔隙率特氟隆膜掩盖，而用毛管操控抵达电极表面的气体分子量。此类传感器称为毛管型传感器。除为传感器供给机械性保护之外，薄膜还具有滤除不需求的粒子的功能。为传送正确的气体分子量，需求挑选正确的薄膜及毛管的孔径尺寸。孔径尺寸应能够答应足量的气体分子抵达传感电极。孔径尺寸还应该避免液态电解质走漏或迅速燥结。

　　2、电极：挑选电极资料很重要。电极资料应该是一种催化资料，能够履行在长时刻内履行半电解反响。一般，电极选用贵金属制造，如铂或金，在催化后与气体分子产生有效反响。视传感器的规划而定，为完成电解反响，三种电极能够选用不同资料来制造。

　　3、电解质：电解质有必要能够进行电解反响，并有效地将离子电荷传送到电极。它还有必要与参阅电极形成安稳的参阅电势并与传感器内运用的资料兼容。如果电解质蒸发过于迅速，传感器信号会减弱。

　　4、过滤器：有时候传感器前方会设备洗刷式过滤器以滤除不需求的气体。过滤器的挑选规模有限，每种过滤器均有不同的效率度数，大都常用的滤材是活性炭。活性炭能够滤除大都化学物质，但不能滤除一氧化碳。经过挑选正确的滤材，电化学传感器对其方针气体能够具有更高的挑选性。

　　三、电化学传感器的分类

　　电化学传感器的分类办法许多，依照其输出信号的不同能够分为电位型传感器、电流型传感器和电导型传感器。

　　依照电化学传感器所检测的物质不同，电化学传感器首要能够分为离子传感器、气体传感器和生物传感器。

　　四、电化学传感器首要功能与影响要素

　　(1)灵敏度

　　影响灵敏度要素首要有：催化剂活性、进气量、电解液导电能力、环境温度等

　　(2)呼应恢复

　　影响呼应恢复速度的要素首要有：催化剂活性、电解液导电能力、气室结构、气体特性等

　　(3)挑选性/交叉搅扰

　　影响挑选性的要素有：催化剂品种、电解液、偏置电压、过滤器等

　　(4)重复性/长期安稳性

　　影响重复性的要素有：电极结构安稳性、电解液安稳性、气路安稳性等

　　(5)高低温功能

　　影响高低温安稳性的要素有：催化剂活性、电极结构安稳性、气体特性

　　五、电化学传感器的运用远景

　　电化学传感器广泛运用于工业和民用范畴的气体检测，可检测臭氧、甲醛、一氧化碳、氨气、硫化氢、二氧化硫、二氧化氮、氧气等多种气体，常用于便携式外表和气体在线监测外表中。

　　下面咱们来看看四大首要运用。

　　1、湿度传感器

　　湿度是空气环境的一个重要目标，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炽热，低温高湿时，人体散热过程剧烈，容易引起伤风和冻伤。人体最适合的气温是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，很多文献报导用传感器测定空气湿度。用于测定相对湿度的涂覆压电石英晶体用传感器,经过光刻和化学蚀刻技能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灵敏性.该晶体是振荡电路中的共振器,其频率随质量改变,挑选适当涂层,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、呼应线性、呼应时刻、挑选性、滞后现象和运用寿命等取决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标明。在氧化氮中，不同方式的氧化氮化学安稳性不同，空气中常风的是化学性质相对安稳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方式氧化氮更为重要。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办法是盐酸萘乙二胺比色法，办法灵敏度为0.25ug/5ml,办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要素的影响，未完全一致。传感器测定是近年发展起来的新办法。文献报导，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，获得了新式气体灵敏微传感器，可挑选性检测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、具有特别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。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首要运用，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挑选性要求。掺银薄膜传感器阵列由四个传感器构成，经过基于库化滴定的通用分析设备和半导体气体传感器阵列的信号，同时记载二氧化硫和硫化氢浓度，实践标明，在150℃下以恒温方式的掺银薄膜传感器用于监测城市空气中的硫化氢含量，效果杰出。

　　4、二氧化硫传感器

　　二氧化硫是污染空气的首要物质之一，检测空气中二氧化硫测验是空气检验的一项经常性工作。运用传感器监测二氧化硫。从缩短检测时刻到降低检出限，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。该传感器设备在流通池中，在0.65V下氧化二氧化硫。批示出二氧化硫的量。该传感设备电流灵敏度高。呼应时刻短，安稳性好，本底噪音低，线性规模达0.2mmol/L，检出限为8*10-6mmol/L，信噪比为3。该传感器不仅能够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能制造的，对二氧化硫的测定具有杰出的重现性和可逆性，呼应时刻不到20S，对其它气体的交感小，受温度和湿度影响小。

　　六、电化学传感器未来发展趋势

　　跟着物联网的鼓起和人们对环境重视度的继续升高，电化学传感器在环保范畴运用也是更加广泛了。电化学由于其体积小，灵敏度高，装配便捷成为了传感器范畴的新式优异的产品。

　　跟着新式功能化纳米材的不断涌现，电化学传感器的一些缺陷将被战胜，并在农业，环境监控和医疗范畴展现其运用价值，尤其是在新式的物联网建设中，电化学更体现出了它的价值。

　　据麦姆斯咨询报导，法国原子能委员会电子与信息技能实验室(CEA-Leti)开发出了一种选用中红外硅光子学技能的下一代光学化学传感器原型，能够集成在智能手机和其它便携式设备中。

　　电化学传感器能够用在对气体的检测上，它基本上能够检测所有的大气污染物，包括碳氢化物，羰基化合物、硫化物、硫氧化物、氮氧化物、氮的还原物和其它气态物质。

　　离子传感器则是水体和土壤污染物检测的有力手段，能测定许多阴、阳离子及有机物，包括卤素离子、氰化物、各类金属离子、酸根离子，有机污染物等，PH值和氟的测定是其*典型的运用。部分离子传感器还可用于气体污染物分析。

　　电化学生物传感器则能够用在水体检测以及大气环境监测上面，如监测水体的富营养化，BOD和重金属离子浓度，大气中SO2、CO2和NO2等。

　　在今后的一段时刻里，电化学传感器将被广泛运用于工业，科研，国防，环境等范畴。在众多的传感器类型中，电化学传感器已然成为研究范畴最多，运用规模做广，技能最为成熟的一类传感器。未来，传感器在小型化、微型化、智能化方向得到了日新月异的发展，具有特别功能和优点的电化学传感器将会不断涌现并进入实践运用。

霍尼艾格科技是专业从事可燃气体报警器、可燃气体探测器、气体检测报警器、安全环保检测仪器和单个防护设备开发、出产和出售的高新技术企业，产品广泛应用于冶金、石油、化工、电力、矿山、市政、交通、消防及环保等范畴

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