電化學(xué)氣體傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理是什么？有哪些測(cè)量方法？

要進(jìn)行一個(gè)具體的測(cè)量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)椋词故菧y(cè)量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問(wèn)題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。

1.電化學(xué)型氣體傳感器的結(jié)構(gòu)

電化學(xué)式氣體傳感器，主要利用兩個(gè)電極間的化學(xué)電位差，一個(gè)在氣體中測(cè)量氣體濃度，另一個(gè)是固定的參比電極。電化學(xué)式傳感器采用恒電位電解方式和伽伐尼電池方式工作。有液體電解質(zhì)和固體電解質(zhì)，而液體電解質(zhì)有分為電位型和電流型。電位型是利用電極電勢(shì)和氣體濃度之間的關(guān)系進(jìn)行測(cè)量；電流型采用極限電流原理，利用氣體通過(guò)薄層透氣膜或毛細(xì)孔擴(kuò)散作為限流措施，獲得穩(wěn)定的傳質(zhì)條件，產(chǎn)生正比于氣體濃度或分壓的極限擴(kuò)散電流。

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(wú)參比電極。兩電極CO傳感器沒(méi)有參比電極，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)和制造，成本較低適用于低濃度CO的檢測(cè)和報(bào)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(jià)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、出去干涉氣體的過(guò)濾材料、管腳等零部件組成。

2.電傳感器工作原理

電化學(xué)氣體傳感器是一種化學(xué)傳感器，按照工作原理一般分為：a.在保持電極和電解質(zhì)溶液的界面為某恒電位時(shí)，將氣體直接氧化或還原，并將流過(guò)外電路的電流作為傳感器的輸出；b.將溶解于電解質(zhì)溶液并離子化的氣態(tài)物質(zhì)的離子作用與離子電極，把由此產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)作為傳感器輸出；c.將氣體與電解質(zhì)溶液反應(yīng)而產(chǎn)生的電解電流作為傳感器輸出；d.不用電解質(zhì)溶液，而用有機(jī)電解質(zhì)、有機(jī)凝膠電解質(zhì)、固體電解質(zhì)、固體聚合物電解質(zhì)等材料制作傳感器。

表1各種電化學(xué)式氣體傳感器的比較

表1匯集了各類電化學(xué)氣體傳感器的種類、檢測(cè)原理所用材料與特點(diǎn)。

2.1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(jìn)行電解，通過(guò)改變其設(shè)定電位，有選擇的使氣體進(jìn)行氧化或還原，從而能定量檢測(cè)各種氣體。對(duì)于特定氣體來(lái)說(shuō)，設(shè)定電位由其固有的氧化還原電位決定，但又隨電解時(shí)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(kuò)散面積；D-擴(kuò)散系數(shù)；C-電解質(zhì)溶液中電解的氣體濃度；σ-擴(kuò)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(jì)50年代出現(xiàn)CIDK電極以來(lái)，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(jì)70年代初，市場(chǎng)上就有了31檢測(cè)器。有先后出現(xiàn)了CO、NxOY（氮氧化物）、H2S檢測(cè)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(shí)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(cè)儀實(shí)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(zhǎng)大、催化劑中毒和傳感器使用方法等。

以CO氣體監(jiān)測(cè)為例來(lái)說(shuō)明這種傳感器隔膜工作電極對(duì)比電極的結(jié)構(gòu)和工作原理。在容器內(nèi)的相對(duì)兩壁，安置作用電極h’和對(duì)比電極，其內(nèi)充滿電解質(zhì)溶液構(gòu)成一密封結(jié)構(gòu)。瓦在化田由極3g對(duì)沖由極AnljI進(jìn)行恒定電位差而構(gòu)成恒壓電路。此時(shí)，作用電極和對(duì)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(cè)各種可燃性氣體和毒氣，如H2S、NO、NOb、Sq、HCl、Cl2、PH3等，還能檢測(cè)血液中的氧濃度。

2.2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(dòng)勢(shì)，將此電動(dòng)勢(shì)取出以代表氣體濃度。這種方式的傳感器是有作用電極、對(duì)比電極、內(nèi)部溶液和隔膜等構(gòu)成的。

現(xiàn)以檢測(cè)NH3傳感器為例說(shuō)明這種氣體傳感器的工作原理。作用電極是可測(cè)定pH的玻璃電極，參比電極是A8從姐電極，內(nèi)部溶液是NIkCE溶液。NEACt離解，產(chǎn)生銨離子NH4+，同時(shí)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(guò)隔膜向內(nèi)部滲透，NH3增加，而H+減少，即pH增加。通過(guò)玻璃電極檢測(cè)此PH的變化，就能知道NH3濃度。除NH3外，這種傳感器海能檢測(cè)HCN（氰化氫）、H2S、Sq、C02等氣體。

離子電極式氣體傳感器出現(xiàn)得較早，通過(guò)檢測(cè)離子極化電流來(lái)檢測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)，電化學(xué)式氣體傳感器主要的有點(diǎn)是檢測(cè)氣體的靈敏度高、選擇性好。

2.3電量式氣體傳感器

電量式氣體傳感器的原理是：被測(cè)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(lái)檢測(cè)氣體濃度，其作用電極、對(duì)比電極都是Pt電極。

現(xiàn)以檢測(cè)C12為例來(lái)說(shuō)明這種傳感器的工作原理。將溴化物MBr（M是一價(jià)金屬）水溶液介于兩個(gè)鉑電極之間，其離解成比，同時(shí)水也離解成H+，在兩鉑電極間加上適當(dāng)電壓，電流開(kāi)始流動(dòng)，后因H+反應(yīng)產(chǎn)生了H2，電極間發(fā)生極化，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H2濃度成正比，所以檢測(cè)該電流就能檢測(cè)Cl2濃度。除Cl2外，這種方式的傳感器還可以檢測(cè)NH2、H2S等氣體。

3.傳感器的檢測(cè)

電化學(xué)型氣體傳感器可分為原電池式、可控電位電解式、電量式和離子電極式四種類型。原電池式氣體傳感器通過(guò)檢測(cè)電流來(lái)檢測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)，市售的檢測(cè)缺氧的儀器幾乎都配有這種傳感器。可控電解式傳感器是通過(guò)檢測(cè)電解時(shí)流過(guò)的電流來(lái)檢測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)，和原電池式不同的是，需要由外界施加特定電壓，除了能檢測(cè)CO、NO、NO2、O2、SO2等氣體外，還能檢測(cè)血液中的氧體積分?jǐn)?shù)。電量式氣體傳感器是通過(guò)被測(cè)氣體與電解質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的電流來(lái)檢測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)。離子電極式氣體傳感器出現(xiàn)得較早，通過(guò)檢測(cè)離子極化電流來(lái)檢測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)。電化學(xué)式氣體傳感器主要的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)氣體的靈敏度高、選擇性好。

綜上所述，不同種類的氣體傳感器適用于不同氣體檢測(cè)與控制的需求，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，尤其是綠色環(huán)保理念的不斷加強(qiáng)，氣體傳感器技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用必將具有非常廣闊的發(fā)展前景。兩電極電化學(xué)CO傳感器，是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，屬于國(guó)際上先進(jìn)的傳感器技術(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，在電極、過(guò)濾層、電解質(zhì)等材料選擇和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，攻克了影響傳感器壽命的諸多技術(shù)難題，研制成功了具有實(shí)用意義的新型CO傳感器，它必將在CO氣體檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮積極的作用。