电化学传感器（1）原理（2）

以瑞士Membrapor气体传感器为例子，介绍电化学传感器。目前了解到的，有毒气体电化学传感器，英国阿尔法公司、瑞士Membrapor公司，国内也有做标定好的模组的，比如郑州炜盛科技、深圳深国安、深圳圣凯安

         电化学传感器通过与分析物反应并产生电信号进行操作。大多数电化学气体传感器是电流传感器，产生与气体浓度成线性比例的电流。电流测量传感器的原理是测量未建立平衡的电化学电池中的电流 - 电势关系。电流与通常使用另一个电极（所谓的参考电极）保持恒定电位的感测电极（也称为工作电极）的电解过程的速率定量相关

         一个电化学气体传感器的工作原理如下：与传感器接触的目标气体分子首先通过一个防止冷凝的隔膜，它也起到防尘的作用。那么气体分子通过毛细管扩散，可能通过随后的过滤器，然后通过疏水膜到达感测电极的表面。在那里分子立即被氧化或还原，从而产生或消耗电子，从而产生电流。

         重要的是要注意，用这种方法进入传感器的气体分子的量受到通过毛细管扩散的限制。通过优化路径，根据期望的测量范围，获得适当的电信号。感测电极的设计对于实现对目标气体的高反应性并抑制对干扰气体的不希望响应是至关重要的。它涉及固体，液体和气体三个阶段的系统，并且都涉及分析物气体的化学识别。致力于量身定制该系统并获得高性能的气体传感器。电化学电池通过平衡感测电极处的反应的所谓反电极--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，而电流路径通过以销连接器终止的导线提供。通常在电化学传感器（3电极传感器）中包含第三电极。所谓的参考电极用于将感测电极的电势保持在固定值。为此并且通常用于电化学传感器的操作，需要恒电位电路。

         传感器信号一个气体传感器的输出信号对应于气体的浓度而不是其分压。因此，可以在不同高度甚至地下使用一个传感器，而不管在哪个大气压力下校准装置。传感器输出和压力相关性的更深入和科学的解释可以在文件mem4中找到。

         为了操作电化学传感器，需要控制电路，称为恒电位电路。对于3电极传感器，主要目的是维持参比电极（ref）和感测电极（sens，也称为工作电极）之间的电压，以控制电化学反应并输出与产生的电流成比例的输出信号由传感器。

         传感器响应目标气体，氧化或还原气体，产生与气体浓度成比例的电流。这个电流必须通过反电极（cnt）提供给传感器。

         在cnt发生相反的氧化还原反应，用sens完成电路。允许cnt的潜力浮动。当检测到气体时，电池电流上升，并且cnt相对于参考极化。cnt的电位并不重要，只要电路能提供足够的电压和电流来维持sens的正确电位即可。

         电化学传感器的测量电路是跨阻抗结构的单级运算放大器ic1。传感器电流在rgain上反射，产生相对于虚拟地gnd的输出电压。c2降低高频噪音。负载电阻rload是最快响应时间和最佳信噪比之间的折衷。推荐值在传感器数据表中给出。

         控制运算放大器ic2向cnt提供电流以平衡sens所需的电流。ic2的反相输入连接到参考电压，不能从电流中得到任何显着的电流。

         当断开电路电源时，jfet将引脚短接到公共电路。

         这确保了sens的维持在与ref相同的潜力。这种无偏压传感器的状态确保传感器在开机时立即就绪。

         需要偏置电压的传感器不能被短路。相反，建议始终保持电压（大部分为300 mv）。这可以通过关闭电源时的按钮单元来实现。

         2电极传感器具有感测电极的电位可能偏移的缺点。这主要发生在暴露于目标气体时。因此建议不要使用双电极传感器进行连续测量。与3或4电极传感器相比，其他缺点是温度依赖性更强，信号输出更低。

         4电极传感器是最复杂的电化学传感器。他们有一个额外的电极，即所谓的辅助电极（辅助），提供有关传感器的状态的附加信息。可以产生两种不同类型的4电极传感器：

•氢补偿传感器

•低浓度的l型传感器

         这些传感器是完全不同类型的传感器，其中辅助设备采用不同的功能。然而，基本的恒压电路是一样的：

7.1 氢补偿传感器

         这种类型的元件4电极传感器允许补偿不能用滤波器或其他技术进行区分的干扰气体。co / sf-4e-s是烟气/烟道气体监测中非常受欢迎的气体传感器，也是氢气补偿一氧化碳（co）传感器的一个例子。尽管co和氢气（h2）的氧化都发生在感应电极上，但辅助电极处的信号几乎完全是由h2引起的。由两种气体引起的两种信号的浓度可以很容易地计算出来，因此，在3-电极传感器失效的应用中可以获得高度精确的浓度。

7.2  L型低浓度传感器

         与三电极传感器相比，这种类型的传感器可以降低检测限，提高分辨率。辅助电极的信号用于校正以下影响：

•温度变化引起基线漂移

•干扰气体引起基线漂移

不纠正的是由于干扰气体造成的交叉敏感性。