传感器电化学 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。

科普 电化学传感器基础知识

最早的电化学传感器可以追溯到20世纪50年代，当时用于氧气监测。到了20世纪80年代中期，小型电化学传感器开始用于检测PEL范围内的多种不同有毒气体，并显示出了良好的敏感性与选择性。

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。

（电化学传感器结构图）

电化学传感器的分类

示例：ME2-CO传感器

工作电极和对电极由电解液隔开并经由一个很小的电阻与外电路连通，当气体进入传感器后，在工作电极表面进行氧化或者还原反应，产生电流通过外电路流经两个电极。电流的大小与气体浓度成正比，可通过电路中的负载电阻予以测量。

若使反应能够发生，工作电极的电位必须维持在一定范围内。随着气体浓度的增大，反应产生的电流增大，对电极极化程度增强，电位增加，导致工作电极电位升高。

工作电极：2CO+2H2O→2CO2+4H++4e-

对电极：O2+4H + →2H2O-4e-

总反应：CO+O2 →CO

2、定电位电解型气体传感器

定电位电解型传感器又分为无偏压传感器（零偏压传感器）和带偏压传感器

无偏压传感器

由于原电池型传感器工作电极易随对电极极化而极化，故引入了参比电极，通过外电路维持工作电极和参比电极之间电势恒定，参比电极无电流流过，克服了原电池型传感器线性范围窄等缺点。

示例：ME3-CO

工作电极：2CO+2H2O→2CO2+4H++4e-

对电极：O2+4H + →2H2O-4e-

总反应：CO+O2 →CO2

遇到还原性气体（如硫化氢、二氧化硫等）时，反应信号为正

遇到氧化性气体（如氯、二氧化氮、臭氧）时，反应信号为负

带偏压传感器

示例：ME3-ETO

工作电极：C2H4O+2H2O→C2H4O3+4H++4e-

对电极：O2+4H + →2H2O+4e-

总反应：C2H4O+O2→C2H4O3

二者区别：

1）无偏压传感器工作电极与参比电极之间偏压为0mv；

2）带偏压传感器工作电极与参比电极之间偏压为300mv；

所以，在储存时，无偏压传感器工作电极与参比电极需短路储存，而带偏压传感器三个电极之间不短路

3、浓差电池型气体传感器

浓差电池型传感器是基于固体电解质两边氧分压的差异而产生浓差电势的原理制成的传感器。通过浓差电势的大小反应氧气浓度。

电化学传感器主要性能与影响因素

影响灵敏度因素主要有：催化剂活性、进气量、电解液导电能力、环境温度等

影响响应恢复速度的因素主要有：催化剂活性、电解液导电能力、气室结构、气体特性等

影响选择性的因素有：催化剂种类、电解液、偏置电压、过滤器等

影响重复性的因素有：电极结构稳定性、电解液稳定性、气路稳定性等

影响高低温稳定性的因素有：催化剂活性、电极结构稳定性、气体特性

电化学传感器应用领域

为保护人身安全起见，各种电化学传感器广泛应用于许多静态与移动应用场合。

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 等多种气体，常用于便携式仪表和气体在线监测仪表中。

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