电化学生物传感器原理 电化学传感器原理详解

电化学传感器原理详解

说到电化学传感器，可能很多人并不了解它，但其实早在二十世纪五十年代它就问世了，当时主要用于氧气的检测，后来它的功能逐渐宽广，可以用于检测毒气等多种气体。电化学传感器主要由透气膜、 电极、 电解质、过滤器组成。它的制造方法也是多种多样的，当然这就是只有生产商才能决定的了。接下来，我主要给大家讲解的是关于电化学传感器的一些原理。

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，然后是疏水屏障层，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。

一般来说，电化学传感器的预期寿命为一至三年，但利用得当的话可能会比预期时间要长很多。虽然电化学传感器也需要电力支撑才能运作，但是相对于一般的传感器而言，电化学传感器所消耗的电源要小得多。以上便是我给大家归纳出来的一些关于电化学传感器的知识信息了，可能不是很全面，但同样希望这些信息能给大家带来一些实质性帮助。

电化学气体传感器的原理和影响因素

目前，

电化学气体传感器的工作原理

小小的传感器中，是被水性凝胶电解质（一般是硫酸：H2SO4）浸湿的电极，当所探测的气体（比如一氧化碳：CO，或者硫化氢：H2S）进入传感器内与电解质发生氧化或者浓度变化时，工作电极在催化剂作用下产生微弱电流。电流经过与传感器相连接的放大器放大，从而显示目标区域的气体浓度。

电化学传感器典型结构图

大多数电化学气体传感器 应用于扩散模式，在这种模式下，周围环境中的气体样本通过传感器正面的小孔进入传感器（通过气体分子自然流动）。而有些设备通过一个抽气泵将空气/气体样本抽进传感器内。在气孔部位安装有聚四氟乙烯薄膜来阻挡水或油进入传感器内。传感器的测量范围和灵敏度可以通过在设计时调整进气孔尺寸随之变化。大一些的进气孔可以提高设备的灵敏度和分辨率，而小一些的进气孔虽然降低了灵敏度和分辨率，但是可增大测量范围。

氧气传感器的工作原理与之前所描述的电化学氧气传感器工作原理类似，但是，氧气传感器的使用年限是可预测的，所以，更换周期也可以进行预设——一般为2~3年。与有毒气体传感器不同，氧气传感器长期持续暴露在目标气体中。在通常的耗氧监测应用中，传感器工作环境的氧气浓度为20.9%，这就会在铅阳极上引起化学反应，从而造成阳极的逐渐消耗。所以，传感器通过与氧气反应持续产生电流的能力取决于电解质中铅的含量。

通过增加“温度补偿”这一关键机制，气体探测设备制造商确保了传感器的性能。气体灵敏度（以及零基线信号）常常随着温度有所变化，所以当温度升降时，气体灵敏度呈非线性变化。

在研发气体探测设备的过程中，人们用了大量时间将相同的气体传感器 放置于不同温度和不同浓度气体中（温度在-30℃~+50℃之间）。所采集的数据经过处理后生成了一个为气体探测器所用的温度补偿算法，以确保传感器读数在整个操作量程内保持一致。

“常规”使用年限

检测一氧化碳或硫化氢等普通气体的电化学传感器的使用年限通常为2~3年。而一些特殊气体，如氟化氢气体的传感器的使用年限仅仅只有12~18个月。具体使用视环境会有相应的延长和缩短。

在理想情况下，即温度和湿度分别保持在20℃和60%RH左右，同时没有污染物的侵入时，已知有的电化学传感器工作超过11年！周期性地暴露在目标气体环境中并不会限制传感器的使用年限，优质的传感器通常都装备充足的催化剂和结实耐用的导体，这些材料并不会因为化学反应而轻易消耗殆尽。

传感器也有所谓的“库存期”或者“存贮周期”，这些时间可能会让用户，服务公司和制造商都感到困惑和沮丧。电化学传感器在生产后通常都有六个月的存贮周期（假定存贮条件为理想的20℃）。在超出这一周期后，传感器输出的信号就有可能变得不稳。这个周期中的一小部分时间不可避免地要用于生产和运输环节。所以，对传感器备件的采购进行详细计划就变得至关重要，其目标是尽量缩短备件在仓库中的存贮时间。

影响传感器寿命的因素

极端温度可以影响传感器寿命。通常，制造商所宣称的设备操作温度范围通常在-30℃到+50℃之间变化。然而，高质量的传感器能够在短时间内承受突破此范围的温度。比如，传感器（如H2S或CO）在短时间（1~2小时）暴露于60℃到65℃是没有问题的。但是，如果极端情况重复发生则会造成电解质挥发，也有可能造成零基线读数移动和反应迟缓等情况。

温度过低时，传感器的灵敏度会降低。也许传感器可以在-40℃的低温工作，但是对气体的灵敏度会大幅度下降（灵敏度甚至可能降低高达80%），而且反应时间也会延长许多，另外，当温度降到-35℃以下时，电解质还有结冰的危险。

当气体浓度过高时，也有可能造成传感器性能下降。通常，电化传感器在测试时，极限气体浓度是其设计浓度的十倍。使用高质量催化剂的传感器应该可以承受这样的情况，并不会对其化学特性或长期性能造成损坏。而使用低质量催化剂的传感器则有可能造成损坏。

潮湿是对传感器影响最大的因素。电化传感器的理想工作环境应当是20℃，60%RH（相对湿度）。当环境湿度超过60%RH时，电解质会因为吸收水分而稀释。在极端情况下，电解质体积会增加2~3倍，很有可能造成电解质从传感器设备体通过接口渗漏。而当湿度低于60%RH时，电解质则有可能脱水。随着电解质脱水，设备反应时间也会显著延长。

通过对传感器进行称重，可以迅速简便地判断出电解质的稀释和脱水情况。与出厂重量相比，当传感器重量有±250mg以上的变化时，则说明传感器的性能很有可能受到了影响。通过将传感器置于相反的极端湿度环境中，电解质原来的稀释或脱水情况都是可逆的。在5~25天的时间里，传感器的重量和电解质浓度都可以恢复到初始状态，性能也一并得到恢复。

要提醒大家注意的是，传感器的灵敏度可能会随着周围环境的情况而变化。一个原本反应不灵敏、反应时间长的传感器可能会随着环境湿度的变化而有所改善。这种情况在四季气候变化鲜明的国家则更为突出。氢硫化物传感器的性能尤其与周边环境联系更为紧密。一台固定式探测器中的传感器的灵敏度和反应时间很有可能在按照当地的温度湿度调试稳定后的两三周内发生改变。当传感器在安装前存放在非常干燥的环境中时（比如带空调的办公室），这种情况尤为普遍。

在特殊情况下，干扰气体可能会因为被催化剂吸收或者与催化剂发生反应生成副产品抑制催化剂，进而破坏传感器电极。

强烈的震动和机械冲击也可能会损伤将铂电极、连接条（某些传感器中是金属线）和接口连接在一起的焊点，从而损坏传感器，但是这种情况对架构牢固的传感器来说并不多见。

含过滤功能的气体传感器

在有些传感器上安装有化学过滤器，以尽可能消除干扰气体，尤其是硫化物气体带来的影响。这些过滤器的使用年限有限，通常用ppm/小时来定义其对干扰气体的耐受水平。因为气体浓度有高低之分，所以ppm/小时这个度量单位也许会不太精确。在目标气体暴露时间减半的情况下，一个标称1000ppm/小时的过滤器也不一定能把使用时间延长两倍。

当过滤器饱和时，传感器与干扰气体产生交叉反应的程度随之加重（比如探测硫化氢气体，H2S，或者二氧化硫，SO2的传感器）。当交叉反应发生时，用户当然无法判断他们所使用的传感器到底是在与SO2还是H2S发生化学反应。

有机过滤器（碳基）虽然非常高效，但是不可再生，而且在环境湿度超过50%RH时，过滤器会因为气孔堵塞而饱和。所以，化学过滤器的功效会在高湿度环境下下降。

对气体传感器更换工作进行计划

仪器操作人员渴望通过预测传感器使用年限对传感器更换工作进行提前计划，这样服务工程师在现场维修的时候就可以带来新的传感器，避免了设备停机或重复派人的问题。反言之，如果用户能够有把握将例行传感器更换周期延长，那么他们也自然可以降低更换传感器的成本。

电化学气体传感器 使用年限的预测是一门非常不精确的科学，设备的使用年限、寿命会受到本文中所提及的种种因素影响，每种具体应用中的情况各有不同。在实际操作中，用户要么根据制造商的建议按照固定时间周期对传感器进行更换，或者根据历史数据进行更换（比如每两三年更换一次），抑或是发现传感器对测试气体没有足够反应的时候进行更换。在定期更换模式下，用户得到保证——传感器总是“崭新的”，但恰恰是因为这样的一再保证，用户却多掏了保险费，因为被更换下来的传感器事实上还能正常工作相当长时间。只有在表现出灵敏度明显下降（或者反应时间过分延长）时，传感器才有可能在服务周期之间发生故障（一般仅为六个月）并进行更换。

如何发现传感器故障？

在过去的几十年里，人们在气体传感器 上应用了若干种的专利和技术，虽然这些技术都宣称可以发现电化学传感器发生故障的情况，但是大多数的技术仅仅是推断传感器在某种电极刺激下工作，而且可能仅提供了一种虚假的安全感。展示传感器处于工作状态的唯一可靠方法就是使用测试气体并测量传感器的反应——即快速测试或者全面校准。

事实上，电化学传感器并不具备自动防故障功能。在干净的空气中，它们输出零信号电流，在它们报废前，即便暴露在目标气体中，仍然输出零电流。所以，我们无法保证一部气体探测仪器对所发生的故障进行自动识别。

但是，气体探测仪器可以对那些有可能影响传感器性能的事件进行报告：智能气体探测器和变送器能够检测周围环境并在温度超出传感器上下阀值的时候发出报警。变送器也能够将需要测量气体的浓度与传感器最大允许值进行比较，一旦超出就发出警告。在这些例子中，用户应当采取的正确措施就是使用测试气体对传感器进行快速测试来验证传感器是否能正确反应。

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