电化学气体传感器

电化学气体传感器（Electrochemical 燃气 sensor)是把测量对象气体在电极处氧化或还原而测电流，得出对象气体浓度的探测器。词条介绍了这种传感器的发展历史，构造，操作理论和横向灵敏度等。

发展历史

1962年田口先生开始研究，并变成世界上第一个成功用简单电子线路探测低浓度易燃和还原气体，发展为半导体器件的人。以这种技术为基础的器件常称为（TGS）（田口气体探测器）。

主要构造

传感器有二或三个和电解液接触的电极，偶也尔有四个电极。典型电极由大表面积贵金属和多孔厌水膜组成。电极和电解液和周围空气接触，并由多孔膜监测。一般用矿物酸作电解液。但有些传感器也用有机电解液。电极一般放在有气体进孔和电接触的塑料盒内。

a）二电极传感器

所有这类传感器都属于“自发系统”，反应气体在敏感电极上电化学氧化，而在对电极上则是氧的还原。敏感电极的工作电势将“跟随”对电极电位的变化而变化，在严重过载的情况下，甚至可以达到外电路无电流输出。在这一条件下有两种不同的情况可能发生：

i）在敏感电极的表面派生出局部电池，即在一部分表面反应气体氧化，而另一部分表面则氧还原，其结果是外电路电流降低。

ii）敏感电极的电位由于极化以至于反应气体的静止电位低到没有净的氧化反应发生。

试验表明当两电极传感器通入的气体浓度超过其标称极限时会出现灵敏度降低现象，气体浓度再提高，以至超过某一过载浓度时，就会出现信号失真。所有本公司的传感器，在气体浓度达到1%至10%时都会出现“饱和”现象，产生一个约50mA的最大电流。

注：将试验气体撤出后，传感器在经过一段恢复时间后就会恢复到正常工作状态，至于恢复时间的长短要依所通气体的浓度通气时间的长短而定。

b）三电极传感器

在三电极系统中，敏感电极的电势是由一外面的运算放大器电路相对于一不极化的参考电极控制着的。与两电极系统不同，敏感电极的电位与对电极的极化无关。试验表明这些传感器的输出随气体浓度的增大而线性增加，直至外控制的放大器达到饱和为止，通常用于三电极的放大器其最大电流极限不大可能超过50mA。

d）四电极传感器

四电极传感器是在三电极传感器基础上再增加一个工作电极。这种传感器因为有针对两种气体的两个工作电极，因些可以同时检测两种气体。如CITY公司的A3系列和A7系列传感器。

运作理论

气体通过多孔膜背面扩散入传感器的工作电极，在此气体被氧化或还原，这种电化学反应引起流经外部线路的电流。除测量外，还要放大和进行其它信号加工；外线路维持经过传感器的电压和一个二电极反向参考传感器的电压。在反向电极产生一相反的反应。这样，如工作电极是氧化，则相反电极就是还原。

扩散控制反应

电流大小由研究对象气体在工作电极处氧化多少所控制。传感器是经过设计的，因此，气体供应受扩散限制，而传感器是正比于气体浓度的线性输出。线性输出是电化学传感器比其它技术传感器（即红外）的优点之一。其它的传感器要在输出前线性化。线性输出允许较精确地测量低浓度，并校正简单（只需校正底线和一个点）。

控制扩散提供另一优点。改表扩散势垒可制造适合特别对象的气体浓度范围。再有，扩散势垒是主要的机械部份，电化学传感器一经校正后，随时间较稳定。因此，以电化学传感器为基的仪器比一些其它技术的探测器要求较少维护。原则上，灵敏度基于气体通入传感器通路的扩散性质可以计算。虽然测量扩散性质的实验误差使计算较用气体校正的精度较小。

交叉零敏度

（Cross-sensitivity)

对一些气体，如环氧乙烷的交叉灵敏度可能是个问题，因为乙要求一个活性好的工作电极催化和氧化的高电势。因此，较易氧化气体，如酒和一氧化碳。也有类似的问题。交叉灵敏度问题可通过使用化学过滤消除。例如。过滤器可使对象气体畅通，但滤除干扰气体。

尽管电化学传感器有许多优点，但它并不适合每一种气体。这是由于它的探测机理包括气体的氧化或还原。虽然它可间接探测电化学惰性气体，如这气体和其它样品在传感器内反应并产生回应，但电化学气体传感器一般仅适用于电化学性能活泼的气体。二氧化碳传感器是这种接近的例子（即不能用电化学气体传感器测二氧化碳），它们已商品化几年了。

主要分类

电化学气体相当一部分的可燃性的、有毒有害气体都有电化学活性，可以被电化学氧化或者还原。利用这些反应，可以分辨气体成份、检测气体浓度。电化学分很多子类：

(1)、原电池型气体传感器(也称：加伏尼电池型气体传感器，也有称燃料电池型气体传感器，也有称自发电池型气体传感器)，他们的原理行同我们用的干电池，只是，电池的碳锰电极被气体电极替代了。以氧气传感器为例，氧在阴极被还原，电子通过电流表流到阳极，在那里铅金属被氧化。电流的大小与氧气的浓度直接相关。这种传感器可以有效地检测氧气。

(2)、恒定电势电解池型气体传感器，这种传感器用于检测还原性气体非常有效，它的原理与原电池型传感器不一样，它的电化学反应是在电流强制下发生的，是一种真正的库仑分析的传感器。这种传感器已经成功地用于：一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气、、等气体的检测之中，是目前有毒有害的主流传感器。

(3)、浓差电池型气体传感器，具有电化学活性的气体在电化学电池的两侧，会自发形成浓差电动势，电动势的大小与气体的浓度有关，这种传感器的成功实例就是汽车用氧气传感器、固体电解质型二氧化碳传感器。

(4)、极限电流型气体传感器，有一种测量氧气浓度的传感器利用电化池中的极限电流与载流子浓度相关的原理制备氧(气)浓度传感器，用于汽车的氧气检测，和钢水中氧浓度检测。

应用场景

电化学气体传感器应用领域很广，可用于化工、采矿、军事等行业的安全检测、环保监测、生产过程控制等。这种电化学气体传感器具有体积小、检测速度快、准确、便于携带、可现场直接检测和连续检测等独特优点，优于过去在以上行业占主导地位的光学和光谱等气体检测方法。它对于改善人类的生活环境，保障人们身心健康有着重要的现实意义，因此具有良好的市场前景。

参考资料

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