电化学传感器原理和实例省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第1页两类导体形成接界面上所发生带电及电子转换改变科学。1、电子导体（金属导体，半导体）2、离子导体（电解质溶液）第2页电化学传感器概念：是基于待测物电化学性质并将待测物化学量转变成电学量进行传感检测一个传感器。分类：按检测对象分：生物传感器，气体传感器，离子传感器。按工作方式分：电导型传感器，电势型传感器，电流型传感器。第3页各式各样电化学传感器第4页电化学传感器-工作原理将待测物质以适应形式置于电化学反应池中，测其电化学性质（如电流、电位、电量等）改变则可实现物质组成及含量测定。经典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。如气体。电化学传感器经过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比电信号来工作。气体首先经过微小毛管型开孔与传感器发生反应，然后是憎水屏障，最终抵达电极表面。采取这种方法能够允许适量气体与传感电极发生反应，以形成充分电信号，同时预防电解质漏出传感器。穿过屏障扩散气体与传感电极发生反应，传感电极能够采取氧化机理或还原机理。这些反应由针对被测气体而设计电极材料进行催化。经过电极间连接电阻器，与被测气浓度成正比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。因为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。第5页电化学传感器-组成部分电化学传感器包含以下主要元件：A.透气膜（也称为憎水膜）：透气膜用于覆盖传感（催化）电极，在有些情况下用于控制抵达电极表面气体分子量。这类屏障通常采取低孔隙率特氟隆薄膜制成。这类传感器称为镀膜传感器。或者，也能够用高孔隙率特氟隆膜覆盖，而用毛管控制抵达电极表面气体分子量。这类传感器称为毛管型传感器。除为传感器提供机械性保护之外，薄膜还含有滤除不需要粒子功效。为传送正确气体分子量，需要选择正确薄膜及毛管孔径尺寸。孔径尺寸应能够允许足量气体分子抵达传感电极。孔径尺寸还应该预防液态电解质泄漏或快速燥结。第6页电化学传感器-组成部分B.电极：选择电极材料很主要。电极材料应该是一个催化材料，能够执行在长时间内执行半电解反应。通常，电极采取贵金属制造，如铂或金，在催化后与气体分子发生有效反应。视传感器设计而定，为完成电解反应，三种电极能够采取不一样材料来制作。C.电解质：电解质必须有够促进电解反应，并有效地将离子电荷传送到电极。它还必须与参考电极形成稳定参考电势并与传感器内使用材料兼容。假如电解质蒸发过于快速，传感器信号会减弱。D.过滤器：有时候传感器前方会安装洗涤式过滤器以滤除不需要气体。过滤器选择范围有限，每种过滤器都有不一样效率度数。多数惯用滤材是活性炭。活性炭能够滤除多数化学物质，但不能滤除一氧化碳。经过选择正确滤材，电化学传感器对其目标气体能够含有更高选择性。第7页电化学传感器-共有特征1在三电极传感器上，通常由一个跳线来连接工作电极和参考电极。假如在储存过程中将其移除，则传感器需要很长时间来保持稳定并准备使用。一些传感器要求电极之间存在偏压，而且在这种情况下，传感器在出厂时带有九伏电池供电电子电路。传感器稳定需要30分钟至二十四小时，并需要三周时间来继续保持稳定。2多数有毒气体传感器需要少许氧气来保持功效正常。传感器后面有一个通气孔以到达该目标。第8页电化学传感器-共有特征3传感器内电池电解质是一个水溶剂，用憎水屏障给予隔离，憎水屏障含有预防水溶剂泄漏作用。然而，和其它气体分子一样，水蒸汽能够穿过憎水屏障。在大湿度条件下，长时间暴露可能造成过量水分蓄积并造成泄漏。在低潮湿条件下，传感器可能燥结。设计用于监控高浓度气体传感器含有较低孔率屏障以限制经过气体分子量，所以它不受湿度影响，和用于监控低浓度气体传感器一样，这种传感器含有较高孔率屏障并允许气体分子自由流动。第9页影响原因压力与温度电化学传感器受压力改变影响极小。然而，因为传感器内压差可能损坏传感器，所以整个传感器必须保持相同压力。电化学传感器对温度也非常敏感，所以通常采取内部温度赔偿。但最好尽可能保持标准温度。普通而言，在温度高于25C时，传感器读数较高；低于25C时，读数较低。温度影响通常为每摄氏度0.5%至1.0%，视制造商和传感器类型而定。第10页选择性及寿命电化学传感器通常对其目标气体含有较高选择性。选择性程度取决于传感器类型、目标气体以及传感器要检测气体浓度。最好电化学传感器是检测氧气传感器，它含有良好选择性、可靠性和较长预期寿命。其它电化学传感器轻易受到其它气体干扰。干扰数据是利用相对较低气体浓度计算得出。在实际应用中，干扰浓度可能很高，会造成读数错误或误报警。电化学传感器预期寿命取决于几个原因，包含要检测气体和传感器使用环境条件。普通而言，要求预期寿命为一至三年。在实际中，预期寿命主要取决于传感器使用中所暴露气体总量以及其它环境条件，如温度、压力和湿度。第11页氧传感器电流型氧传感器结构第12页工作原理恒电位电解式氧传感器（用外部电源进行恒电位电解）阴极：Pt阳极：Ag/AgCl电解液：KCl溶液电解方程式，阴极：O2+2H2O+4e4OH-阳极：4Ag+4Cl-4AgCl+4e咖瓦尼电池式氧传感器（利用电池反应而非外部电源）阴极：Pt阳极：Pb电解液：KOH溶液电解方程式，阴极：O2+2H2O+4e4OH-阳极：Pb+2OH-Pb(OH)2+2e第13页主要应用汽车发动机燃烧比控制钢铁精炼氧化锆氧传感器燃烧控制锅炉、工业用炉环境监测水质监测、BOD缺氧检测系统检测发酵系统氧气检测医疗检测化学研究生化研究第14页