電化學(xué)氣體傳感器工作原理詳解

一、引言

在現代工業(yè)、環(huán)保監測、醫療健康等諸多領(lǐng)域，對氣體成分和濃度的準確檢測至關(guān)重要。電化學(xué)氣體傳感器作為一種重要的氣體檢測工具，憑借其高靈敏度、快速響應、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應用。了解其工作原理，對于更好地使用和維護這類(lèi)傳感器，以及推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

二、電化學(xué)氣體傳感器的基本構造

電化學(xué)氣體傳感器主要由傳感電極（或工作電極）、反電極、參考電極（在三電極傳感器中）以及電解質(zhì)和透氣膜等部分組成。傳感電極通常采用大表面積的貴金屬，如鉑或金，這些材料具有良好的催化活性，能夠促進(jìn)氣體與電極之間的反應。反電極則用于平衡傳感電極處的反應，它與傳感電極之間通過(guò)電解質(zhì)傳送離子電流。參考電極的作用是將傳感電極的電勢保持在固定值，以確保傳感器工作的穩定性。電解質(zhì)是進(jìn)行電解反應的介質(zhì)，它必須能夠有效地將離子電荷傳送到電極，并且與參考電極形成穩定的參考電勢。透氣膜用于覆蓋傳感電極，起到控制到達電極表面的氣體分子量的作用，同時(shí)防止冷凝和灰塵進(jìn)入傳感器內部。

三、氣體與電極的反應過(guò)程

當目標氣體分子與電化學(xué)氣體傳感器接觸時(shí)，首先通過(guò)透氣膜進(jìn)入傳感器內部。透氣膜具有選擇性，允許適量氣體通過(guò)，同時(shí)防止電解質(zhì)漏出。氣體分子通過(guò)透氣膜后，會(huì )到達傳感電極的表面。在傳感電極上，氣體分子發(fā)生氧化或還原反應。例如，對于一氧化碳氣體，在工作電極的催化作用下，一氧化碳會(huì )發(fā)生氧化反應，其化學(xué)反應式為：CO + H?O → CO? + 2H? + 2e?。在工作電極上產(chǎn)生的H?離子和電子通過(guò)電解液轉移到反電極上，與水中的氧發(fā)生還原反應，化學(xué)反應式為：1/2O? + 2H? + 2e? → H?O。這樣，傳感器內部就發(fā)生了氧化 - 還原的可逆反應，總反應式為：2CO + O? → 2CO?。

四、電信號的產(chǎn)生機制

在上述氧化 - 還原反應過(guò)程中，電子的轉移形成了電流。通過(guò)電極間連接的電阻器，與被測氣體濃度成正比的電流會(huì )在正極與負極間流動(dòng)。測量該電流即可確定氣體濃度。由于該過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生電流，電化學(xué)傳感器又常被稱(chēng)為電流氣體傳感器或微型燃料電池。電流的大小與氣體濃度成線(xiàn)性比例關(guān)系，這使得傳感器能夠準確地反映氣體濃度的變化。

五、影響傳感器性能的因素

（一）氧氣環(huán)境

多數有毒氣體傳感器需要少量氧氣來(lái)保持功能正常。傳感器背面通常有一個(gè)通氣孔，以便氧氣能夠進(jìn)入傳感器內部。如果氧氣供應不足，傳感器的性能會(huì )受到影響，可能導致測量結果不準確。

（二）濕度條件

傳感器內電池的電解質(zhì)是一種水溶劑，用憎水屏障予以隔離。然而，水蒸汽可以穿過(guò)憎水屏障。在大濕度條件下，長(cháng)時(shí)間暴露可能導致過(guò)量水分蓄積并導致泄漏；在低潮濕條件下，傳感器可能燥結。設計用于監控高濃度氣體的傳感器具有較低孔率屏障以限制通過(guò)的氣體分子量，因此它不受濕度影響；而用于監控低濃度氣體的傳感器具有較高孔率屏障并允許氣體分子自由流動(dòng)，但濕度對其性能仍有一定影響。

（三）溫度影響

電化學(xué)傳感器對溫度非常敏感。一般而言，在溫度高于25°C時(shí)，傳感器讀數較高；低于25°C時(shí)，讀數較低。溫度影響通常為每攝氏度0.5%至1.0%，視制造商和傳感器類(lèi)型而定。因此，通常采取內部溫度補償措施來(lái)減小溫度對傳感器性能的影響。

（四）干擾氣體

電化學(xué)氣體傳感器容易受化學(xué)特性相似的氣體干擾。如果現場(chǎng)有混合性氣體，就要考慮干擾的問(wèn)題。例如，在檢測一氧化碳時(shí)，如果環(huán)境中存在其他具有電化學(xué)活性的氣體，如硫化氫等，可能會(huì )對測量結果產(chǎn)生干擾。

六、電化學(xué)氣體傳感器的應用領(lǐng)域

（一）工業(yè)安全檢測

在化工、采礦等行業(yè)，存在著(zhù)各種有毒有害氣體，如一氧化碳、硫化氫、二氧化硫等。電化學(xué)氣體傳感器能夠實(shí)時(shí)監測這些氣體的濃度，當氣體濃度超過(guò)安全閾值時(shí)，及時(shí)發(fā)出警報，保障工人的生命安全。例如，在煤礦井下，通過(guò)安裝電化學(xué)氣體傳感器，可以實(shí)時(shí)監測瓦斯（主要成分為甲烷）和一氧化碳等氣體的濃度，預防瓦斯爆炸和一氧化碳中毒事故的發(fā)生。

（二）環(huán)保監測

在環(huán)境監測中，電化學(xué)氣體傳感器可用于檢測空氣中的污染物，如二氧化氮、二氧化硫、臭氧等。這些污染物對大氣環(huán)境和人體健康都有很大的危害。通過(guò)實(shí)時(shí)監測這些污染物的濃度，可以了解空氣質(zhì)量狀況，為環(huán)境保護和治理提供數據支持。例如，在城市空氣質(zhì)量監測站中，電化學(xué)氣體傳感器可以連續監測空氣中各種污染物的濃度，并將數據傳輸到監測中心，以便及時(shí)采取措施改善空氣質(zhì)量。

（三）醫療健康領(lǐng)域

在醫療領(lǐng)域，電化學(xué)氣體傳感器可用于檢測人體呼出氣體中的某些成分，如一氧化氮、氨氣等。這些成分的濃度變化可以反映人體的健康狀況。例如，一氧化氮在人體呼出氣體中的濃度與呼吸道炎癥等疾病有關(guān)，通過(guò)檢測一氧化氮的濃度，可以輔助診斷呼吸道疾病。

（四）汽車(chē)尾氣檢測

電化學(xué)氣體傳感器可用于檢測汽車(chē)尾氣中的有害氣體，如一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物等。隨著(zhù)環(huán)保要求的不斷提高，對汽車(chē)尾氣排放的檢測越來(lái)越嚴格。電化學(xué)氣體傳感器具有高靈敏度和快速響應的特點(diǎn)，能夠準確檢測汽車(chē)尾氣中各種有害氣體的濃度，為汽車(chē)尾氣排放的監管提供技術(shù)支持。

七、結論

電化學(xué)氣體傳感器通過(guò)氣體在電極表面的氧化或還原反應，產(chǎn)生與氣體濃度成比例的電信號，從而實(shí)現對目標氣體的定量檢測。其工作原理涉及多個(gè)復雜的物理和化學(xué)過(guò)程，包括氣體的擴散、電極反應、電信號的產(chǎn)生等。同時(shí)，傳感器的性能受到多種因素的影響，如氧氣環(huán)境、濕度條件、溫度和干擾氣體等。在實(shí)際應用中，電化學(xué)氣體傳感器在工業(yè)安全檢測、環(huán)保監測、醫療健康和汽車(chē)尾氣檢測等領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)重要作用。隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展，電化學(xué)氣體傳感器的性能將不斷提高，應用范圍也將不斷擴大。