电化学传感器工作指南及电路图
《电化学传感器》PPT课件
❖为了缩短传感器的响应时间，一般采用多 孔的透气膜来研制气体扩散电极，此时气 体在催化剂外表液膜中的扩散将代替气体 在透气膜中的扩散而成为电极反响的控制 步骤。尽管液膜很薄，但由于气体在液相 中的扩散速度较慢，液膜便成为缩短传感 器响应时间的主要障碍。对于电流型气体 传感器这是无法抑制的缺点。目前90％该 类型传感器的响应时间在30s以内。
所以，当前传感器开发研究的重要之 一就是开发具有识别分子功能的优良 材料。
❖ 化学传感器依据其原理可分为：
(1)电化学式，(2)光学式，(3)热学式，(4) 质量式。
❖ 电化学传感器是化学传感器的一种。
电化学传感器分为电位型、电流型和 电导型三类。
§7.1 电位型传感器
❖电位型传感器通过测定电极平衡电位的值来确 定物质的浓度。
❖如将离子选择性电极与甘汞电极组成电池， 那么电池电动势为：
❖根据7-3式，只要配制一系列浓度的标准溶 液，并以测得的电动势E值与相应的浓度 〔对数〕值绘制校正曲线，即可按一样步骤 求得未知溶液中待测离子的浓度。
❖ 对于电位-PH计，只是把所有过程完成后， 直接显示酸度。
❖电流型电化学气体传感器有许多种已经商 品化，用于检测20余种气体。例如，煤矿 瓦斯、酒精、锅炉尾气〔排放是否达标、 燃烧是否充分〕等等。
2．控制电位电解型(电流型)气体传感器的工作 原理
〔1〕通过测定一定电位下的电流，间接测定 电解质溶液中待测气体的溶解浓度
〔2〕待测气体在一定条件下在这种电解质溶 液中的溶解度与其分压相关，从而得到这种 气体的浓度〔分压〕。
灵敏度是电化学传感器的一个重要的特性指 标，一些特殊行业如室内空气监测，海关 检查走私、违禁物品(药品，炸弹或其他易 燃易爆品)时，要求能检测10-9~10-12数 量级，甚至更低的物质浓度。电化学传感 器的灵敏度受许多因素的影响：
电化学免疫传感器 ppt课件
厚德 笃学 崇实 尚新
电位型免疫传感器
电位型免疫传感器是基于测量电位变化来进行免疫分析的生物传
感器,集酶联免疫分析的高灵敏度和离子选择电极、气敏电极的高
选择性于一体,直接或者间接用于各种抗原、抗体的检测,它具有可
实时监测、响应时间较快等特点。根据不同的传感器原理发展了
基于膜电位测量和基于离子电极电位测量两种电化学免疫传感器。
GCE
PB
PB/GCE
GE
氯金酸
抗体
GE/PB/GCE
GNPS/GE/PB/GCE
BSA
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Self-assembled graphene platelet-glucose oxidase nanostructures for glucose biosensing
传感器响应电流与葡萄糖浓度在 2~22 mM 范围内有良好的线性关系，R2=0. 9987，在信噪比为3的时候检出限为20μM
导电率测量法可大量用于化学系统中，因为许多 化学反应都产生或消耗多种离子体，从而改变溶液的 总导电率。通常是将一种酶固定在某种贵重金属电极 上（如金、银、铜、镍、铬），在电场作用下测量待
测物溶液中导电率的变化。
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电流型免疫传感器
电流型免疫传感器测量的是恒定电压下通过电化学室的电流，待测物 通过氧化还原反应在传感电极上产生的电流与电极表面的待测物浓度 成正比。此类系统有高度的敏感性，以及与浓度线性相关性等优点。 原理主要有竞争法和夹心法两类。前者是用酶标抗原与样品中的抗原 竞争结合氧电极上的抗体,催化氧化还原反应,产生电活性物质而引起电 流变化,从而测定样品中的抗原浓度;后者则是在样品中的抗原与氧电极 上的抗体结合后,再加酶标抗体与样品中的抗原结合,形成夹心结构,从而 催化氧化还原反应,产生电流值变化。
电化学传感器 应用电路
电化学传感器应用电路电化学传感器应用电路是指用于测量电化学传感器信号的电路构建。
电化学传感器是一种将电化学原理应用于传感器的设备，用于检测和测量各种物理和化学参数，如溶液中的pH值、氧浓度、离子浓度等。
这些传感器利用电化学反应的产物与被测参数的关系来实现检测。
电化学传感器应用电路的设计和构建是为了从传感器中获取准确的电信号，并对其进行处理和放大，以输出可以直接读取或者用于其他系统的信号。
在实际应用中，电化学传感器应用电路需要满足以下几个方面的要求：1.高灵敏度：电化学传感器是根据电化学反应的特性进行测量的，因此应用电路需要具备较高的灵敏度，以便准确检测被测参数的变化。
2.稳定性：由于电化学传感器通常需要在长时间内连续工作，应用电路的设计需要考虑到环境和工作温度的变化对电路性能的影响，并采取相应的措施来保持电路的稳定性。
3.低噪声：电化学传感器通常工作在微弱的信号范围内，应用电路需要具备较低的噪声水平，以确保信号的清晰可靠。
4.小型化和低功耗：电化学传感器通常用于便携式设备或者小型化系统中，因此应用电路需要尽可能地小型化，并降低功耗以延长电池寿命或者提高能源的利用效率。
常见的电化学传感器应用电路包括前置放大电路、滤波电路、参考电极电路等。
这些电路主要用于信号放大、噪声滤除、提供稳定的参考电极电势等功能。
前置放大电路通常用于提高电化学传感器的输入信号幅度，以便后续电路能够更好地处理和分析。
滤波电路用于去除电磁干扰等噪声，确保输出信号的清晰度和可靠性。
参考电极电路用于提供一个稳定的参考电势，以保证电化学传感器的准确性。
此外，控制电路也是电化学传感器应用电路中的重要组成部分。
它用于控制和调节电化学传感器的工作状态，如开关传感器、调节传感器的工作温度等。
控制电路的设计需要综合考虑传感器的工作特性和具体应用需求，以确保传感器的稳定性和性能。
总之，电化学传感器应用电路在现代科学技术和工程领域中发挥着重要的作用。
电化学传感器
C.电解质：电解质必须能够进行电解反应，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 的参考电势并与传感器内使用的材料兼容。如果电解质蒸发过于迅速，传感器信号会减弱。
电化学传感器
用于测量各种化学成分的仪器
01 工作原理
03 应用
目录
02 组成 04 压力与温度
05 选择性
07 小结
目录
06 预期寿命
最早的电化学传感器可以追溯到20世纪50年代，当时用于氧气监测。到了20世纪80年代中期，小型电化学传 感器开始用于检测PEL范围内的多种不同有毒气体，并显示出了良好的敏感性与选择性。为保护人身安全起见， 各种电化学传感器广泛应用于许多静态与移动应用场合。
穿过屏障扩散的气体与传感电极发生反应，传感电极可以采用氧化机理或还原机理。这些反应由针对被测气 体而设计的电极材料进行催化。
通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的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。由于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。
2、氧化氮传感器氧化氮是氮的各种氧化物所组成的气体混合物的总称，常以NOX表示。在氧化氮中，不同形 式的氧化氮化学稳定性不同，空气中常风的是化学性质相对稳定的一氧化氮和二氧化氮，它们在卫生学上的意义 显得较其它形式氧化氮更为重要。在环境分析中，氧化氮一般指一氧化氮二氧化氮。我国监测氧化氮的标准方法 是盐酸萘乙二胺比色法，方法灵敏度为0.25ug/5ml,方法转换系数受吸收液组成、二氧化氮浓度、采气速度、吸 收管结构、共存离子及温度等多种因素的影响，未完全统一。传感器测定是近年发展起来的新方法。文献报道， 用交指型栅极电极场效应晶体管的微电子集成电路与化学活性电子束蒸镀酞花青铜薄膜相结合，获得了新型气体 敏感微传感器，可选择性检测mg/m3级二氧化氮和二惜内基甲基膦酸盐(DIMP)。
电化学氧传感器电路
电化学氧传感器电路摘要：一、电化学氧传感器电路简介1.电化学氧传感器的工作原理2.电化学氧传感器电路的基本构成二、电化学氧传感器电路的工作过程1.氧传感器产生电信号2.信号处理电路对电信号进行放大、滤波等处理3.信号输出电路将处理后的信号传输给其他设备三、电化学氧传感器电路的应用领域1.工业生产过程中的气体监测2.医疗设备中的血氧监测3.环保监测中的空气质量检测四、电化学氧传感器电路的发展趋势1.高灵敏度、高稳定性氧传感器的研发2.低功耗、高集成度电路的设计3.新型传感器材料的应用正文：电化学氧传感器电路是一种将电化学氧传感器与信号处理、信号输出等电路集成在一起的电子系统。
电化学氧传感器通过电化学反应将环境中氧气的浓度转换为相应的电信号，电路对这一信号进行放大、滤波等处理，并将处理后的信号传输给其他设备，从而实现对环境中氧气浓度的监测。
电化学氧传感器电路的主要构成部分包括：电化学氧传感器、信号处理电路和信号输出电路。
其中，电化学氧传感器是整个系统的核心部件，其工作原理是利用电化学反应将氧气的浓度转换为相应的电信号。
信号处理电路负责对传感器产生的电信号进行放大、滤波等处理，以消除噪声和干扰，提高信号的准确度。
信号输出电路则负责将处理后的信号传输给其他设备，如数据采集系统、显示器等。
电化学氧传感器电路在许多领域都有广泛的应用。
在工业生产过程中，它可以实时监测气体管道中的氧气浓度，从而预防爆炸和火灾事故。
在医疗设备中，如呼吸机、麻醉机等，电化学氧传感器电路可以实时监测患者的血氧饱和度，为临床治疗提供重要依据。
此外，在环保领域，电化学氧传感器电路也发挥着重要作用，如空气质量监测站就是利用电化学氧传感器电路来检测大气中的污染物浓度。
随着科技的发展，电化学氧传感器电路在灵敏度、稳定性、功耗等方面的性能将得到进一步提升。
未来，研究人员将致力于研发高灵敏度、高稳定性的氧传感器，以满足不断增长的市场需求。
同时，低功耗、高集成度电路的设计也将成为研究的热点，这将有助于降低系统的能耗，提高系统的可靠性和稳定性。
电化学传感器通用说明书-盛密科技
电化学传感器通用说明书1.电化学毒气传感器的工作原理电化学传感器是目前较为常见的有毒有害气体检测元件。
与其他检测原理的气体传感器（半导体气体传感器、催化燃烧式气体传感器、红外气体传感器等）相比较而言，电化学传感器具有选择性好、灵敏度高、响应时间短、性能稳定、耗电低、线性和重复性较好等优点，在当前的气体快速检测领域被广泛应用。
一般说来，电化学气体传感器包括下面几部分：可以渗过气体但不能渗过液体的扩散式防水透气膜；酸性电解液（一般为硫酸或磷酸）槽；工作电极；对电极；参比电极（三电极设计）；有些传感器还包括一个可以滤除干扰组份的滤膜。
图1电化学毒气传感器的结构图扩散进入传感器的气体在工作电极表面发生氧化或还原反应，在对电极发生与之相应的逆反应，在外部电路上形成电流。
由于气体进入传感器的速度由栅孔控制，所以产生的电流与传感器外气体浓度成比例，就可以直接测量当前毒气含量。
为了让反应能够发生，工作电极的电位必须保持在一个特定的范围内。
但气体的浓度增加时，反应电流也增加，于是导致对电极电位改变（极化）。
由于两电极是通过一个简单的负荷电阻连接起来的，虽然工作电极的电位也会随着对电极的电位一起变化。
如果气体的浓度不断地升高，工作电极的电位最终有可能移出其允许范围。
至此传感器输出信号将不再呈线性，因此两电极气体传感器检测的上限浓度受到一定限制。
对电极的极化所受的限制可以用引进第三电极（参考电极）和利用一外部的恒电位工作电路来予以避免。
在这样一种装置中，参考电极中无电流流过，因此这两个电极均维持在一恒定的电位。
对电极则仍然可以进行极化，但对传感器而言已不产生任何限制作用。
因此三电极传感器所能检测浓度范围要比两电极大得多。
下面以一氧化碳电化学传感器为例描述一下它的检测机理。
CO 在工作电极上的氧化：CO + H2O →CO2 + 2H+ + 2e-对电极通过将空气或水中的氧气还原对此进行平衡。
1/2 O2 + 2H+ +2 e-→H2O传感器中总的反应就可写成：2CO + O2→2CO2在检测过程中消耗的物质仅仅是CO分子、电能和氧气，这也是非消耗型传感器寿命较长的原因。
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四、电化学气体型传感器
传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工 作。典型的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。
气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是憎水屏障， 最终到达电极表面。采用这种方法可以允许适量气体与传感电极发生反应， 以形成充分的电信号，同时防止电解质漏出传感器。穿过屏障扩散的气体与 传感电极发生反应，传感电极可以采用氧化或还原机理。这些反应由针对被 测气体而设计的电极材料进行催化。
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4.1 组成
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到达电极表面的气体分子量。 此类屏障通常采用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，也可以用高孔隙率特氟隆膜覆盖， 而用毛管控制到达电极表面的气体分子量。此类传感器称 为毛管型传感器。除为传感器提供机械性保护之外，薄膜 还具有滤除不需要的粒子的功能。为传送正确的气体分子 量，需要选择正确的薄膜及毛管的孔径尺寸。孔径尺寸应 能够允许足量的气体分子到达传感电极。孔径尺寸还应该 防止液态电解质泄漏或迅速燥结。
D. 过滤器：有时候传感器前方会安装洗涤式过滤器以滤 除不需要的气体。过滤器的选择范围有限，每种过滤器 均有不同的效率度数。多数常用的滤材是活性炭。活性 炭可以滤除多数化学物质，但不能滤除一氧化碳。通过 选择正确的滤材，电化学传感器对其目标气体可以具有 更高的选择性。
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4.2 应用实例
电化学电极
电位型电极 电流型电极
离子选择电极 氧化还原电极
氧电极
电化学传感器
互补ssDNA
生物传感器在环境污染监测中的应用
BOD生物传感器，重要的水质有机污染 评价指标——稀释法 酚类微生物传感器：炼油、造纸以及各 种化工废水——4-氨基安替比林光度法分析。 硫化物、油类、芳香胺干扰测定 重金属监测：重金属离子可以被含有任 何含-SH的催化基团的酶加以监测，简单方便。
电化学生物传感器 敏感元件：生物体成分（酶、抗原、抗体、激素） 或生物体本身（细胞、细胞器、组织） 选择性 转换元件：电极(电化学电极、石英晶体、热敏电 阻器、微光管） 敏感性
1、由选择性好的生物材料(例如酶）构成分子识别 元件，不需样品处理 2、体积小，可实现在线监测 3、响应快，样品用量少，敏感材料可以多次使用 4、成本低，便于推广普及
生 物
敏感元件
酶传感器 细胞传感器 微生物传感器
传 感 器
DNA传感器
酶传感器 酶与适当的膜、粒子表面或内部结合（固定 化），将装有酶膜的酶传感器插入试液中，被 测物质在固定化酶膜上发生催化反应，生成电 活性物质（O2，H2O,CO2等），测量消耗或生 成的电活性物质，将浓度转变为电信号，由此 测定未知浓度。
电流型传感器
氧化还原反应与电势有关，通过控制电极电 势从而有选择地使溶液中某成分发生化学氧化或 还原反应。电流通过时，电极会发生极化现象， 电极电势偏离平衡电势，通过控制电极电势，测 量的电流信号与发生电极氧化或还原的物质浓度 有关。
电导型传感器
溶液离子变化 电导变化
根据检测对象不同分为 1、离子传感器 2、气体传感器 3、生物传感器
惰性电极
燃料电池型微生物细胞传感器工作原理示意图
DNA传感器 利用单链DNA（ssDNA）作为敏感元件 通过共价键合或化学吸附固定在固体电极表 面，加入电活性指示剂共同构成检测特定基 因的装置
电化学传感器工作指南及电路图
电化学传感器工作指南及电路图本公司有毒气体检测传感器的开发始于1981年，以一氧化碳传感器的研制为开端。
之后对各式各样新传感器都进行了开发。
直至最进开发的臭氧和氧化乙烯传感器，形成了系列的传感器产品，并以其可靠、稳定和耐用等特点斐声海内外。
此类传感器系一微型燃料电池，设计成为免维护型并且能长时间稳定工作的产品。
所采用的技术立足于己于人本公司早期氧传感器的工作基础，系直接响应气体的体积浓度变化，而不是响应其压力的变化。
该类传感器设计的最大特点是采用了气体的扩散势垒，该势垒能限制气体流向敏感电极的流星。
敏感电极能与到达电极的电化学活性仍有余裕。
这一高的电化学活性保证了传感器的长寿命和很好的温度稳定性。
两电极系统基于电化学原理工作的传感器其最简单的一种型式就是两电极系统。
其工作电极和对电极由一薄层电解液隔开并经由一个很小的电阻联通外电路。
当气体扩散进入传感器后，在敏感电极表面进行氧化或还原反应，产生电流并通过外电路流经两个电极。
该电流的大小比例于气体的浓度，可通过外电路的负荷电阻予以测量。
为了让反应能够发生，敏感电极的电位必须保持在一个特定的范围内。
但气体的浓度增加时，反应电流也增加，于是导致对电极电位改变（极化）。
由于两电极是通过一个简单的负荷电阻连接起来的，虽然敏感电极的电位也会随着对电极的电位一起变化。
如果气体的浓度不断地升高，敏感电极的电位最终有可能移出其允许范围。
至此传感器将不成线性，因此两电极气体传感器检测的上限浓度受到一定限制。
三电极系统对电极的极化所受的限制可以用引进第三电极，参考电极，和利用一外部的恒电位工作电路来予以避免。
在这样一种装置中，敏感电极曲线相对于参考电极保持一固定值。
在参考电极中无电流流过，因此这两个电极均维持在一恒定的电位。
对电极则仍然可以进行极化，但对传感器而言已不产生任何限制作用。
因此三电极传感器所能检测浓度范围要比两电极大得多。
大部分有毒气体传感器（3/4/7系列）均属三电极系统。
电化学传感器工作指南及电路图
电化学传感器工作指南及电路图引言本公司有毒气体检测传感器的开发始于1981年，以一氧化碳传感器的研制为开端。
之后对各式各样新传感器都进行了开发。
直至最进开发的臭氧和氧化乙烯传感器，形成了系列的传感器产品，并以其可靠、稳定和耐用等特点斐声海内外。
此类传感器系一微型燃料电池，设计成为免维护型并且能长时间稳定工作的产品。
所采用的技术立足于己于人本公司早期氧传感器的工作基础，系直接响应气体的体积浓度变化，而不是响应其压力的变化。
该类传感器设计的最大特点是采用了气体的扩散势垒，该势垒能限制气体流向敏感电极的流星。
敏感电极能与到达电极的电化学活性仍有余裕。
这一高的电化学活性保证了传感器的长寿命和很好的温度稳定性。
两电极系统基于电化学原理工作的传感器其最简单的一种型式就是两电极系统。
其工作电极和对电极由一薄层电解液隔开并经由一个很小的电阻联通外电路。
当气体扩散进入传感器后，在敏感电极表面进行氧化或还原反应，产生电流并通过外电路流经两个电极。
该电流的大小比例于气体的浓度，可通过外电路的负荷电阻予以测量。
为了让反应能够发生，敏感电极的电位必须保持在一个特定的范围内。
但气体的浓度增加时，反应电流也增加，于是导致对电极电位改变（极化）。
由于两电极是通过一个简单的负荷电阻连接起来的，虽然敏感电极的电位也会随着对电极的电位一起变化。
如果气体的浓度不断地升高，敏感电极的电位最终有可能移出其允许范围。
至此传感器将不成线性，因此两电极气体传感器检测的上限浓度受到一定限制。
三电极系统对电极的极化所受的限制可以用引进第三电极，参考电极，和利用一外部的恒电位工作电路来予以避免。
在这样一种装置中，敏感电极曲线相对于参考电极保持一固定值。
在参考电极中无电流流过，因此这两个电极均维持在一恒定的电位。
对电极则仍然可以进行极化，但对传感器而言已不产生任何限制作用。
因此三电极传感器所能检测浓度范围要比两电极大得多。
大部分有毒气体传感器（3/4/7系列）均属三电极系统。
电化学生物传感器
电化学生物传感器生物分子的分析检测对获取生命过程中的化学与生物信息、了解生物分子及其结构与功能的关系、阐述生命活动的机理以及对疾病的有效诊断与治疗都具有十分重要的意义。
如何高效、快速、灵敏地检测这些生物分子，是当前生命科学领域中面临的一个十分重要的问题。
解决这些问题的关键就在于发展各种新型的分析检测技术。
生物传感器的出现为有效地解决这些问题提供了新的工具，为生命科学及其相关领域的研究提供了许多新的方法1电化学生物传感器的基本结构及工作原理1.1 基本结构通常情况下，生物传感器由两个主要部分组成即生物识别元件和信号转换器。
生物识别元件是指具有分子识别能力，能与待测物质发生特异性反应的生物活性物质，如酶、抗原、抗体、核酸、细胞、组织等。
信号转换器主要功能是将生物识别作用转换为可以检测的信号，目前常用的有电化学、光学、热和质量分析几种方法[1]。
其中，电化学方法就是一种最为理想的检测方法。
图1 电化学生物传感器的基本结构1.2 工作原理电化学生物传感器采用固体电极作基础电极，将生物敏感分子固定在电极表面，然后通过生物分子间的特异性识别作用，生物敏感分子能选择性地识别目标分子并将目标分子捕获到电极表面，基础电极作为信号传导器将电极表面发生的识别反应信号导出，变成可以测量的电信号，从面实现对分析目标物进行定量或定性分析的目的。
2电化学生物传感器的分类由各种生物分子(抗体、DNA、酶、微生物或全细胞)与电化学转换器(电流型、电位型、电容型和电导型)组合可构成多种类型的电化学生物传感器，根据固定在电极表面的生物敏感分子的不同，电化学生物传感器可分为电化学免疫传感器、电化学DNA传感器、电化学酶传感器、电化学微生物传感器和电化学组织细胞传感器等。
2.1 电化学免疫传感器电化学免疫传感器是一种将免疫技术与电化学检测相结合的标记免疫分析方法。
它是以抗原．抗体特异性反应为基础，将抗原/抗体反应达到平衡状态后的生物反应信号转换成可测量的电信号并通过基础电极将其导出。
电化学传感器工作指南及电路图
电化学传感器工作指南及电路图本公司有毒气体检测传感器的开发始于1981年，以一氧化碳传感器的研制为开端。
之后对各式各样新传感器都进行了开发。
直至最进开发的臭氧和氧化乙烯传感器，形成了系列的传感器产品，并以其可靠、稳定和耐用等特点斐声海内外。
此类传感器系一微型燃料电池，设计成为免维护型并且能长时间稳定工作的产品。
所采用的技术立足于己于人本公司早期氧传感器的工作基础，系直接响应气体的体积浓度变化，而不是响应其压力的变化。
该类传感器设计的最大特点是采用了气体的扩散势垒，该势垒能限制气体流向敏感电极的流星。
敏感电极能与到达电极的电化学活性仍有余裕。
这一高的电化学活性保证了传感器的长寿命和很好的温度稳定性。
两电极系统基于电化学原理工作的传感器其最简单的一种型式就是两电极系统。
其工作电极和对电极由一薄层电解液隔开并经由一个很小的电阻联通外电路。
当气体扩散进入传感器后，在敏感电极表面进行氧化或还原反应，产生电流并通过外电路流经两个电极。
该电流的大小比例于气体的浓度，可通过外电路的负荷电阻予以测量。
为了让反应能够发生，敏感电极的电位必须保持在一个特定的范围内。
但气体的浓度增加时，反应电流也增加，于是导致对电极电位改变（极化）。
由于两电极是通过一个简单的负荷电阻连接起来的，虽然敏感电极的电位也会随着对电极的电位一起变化。
如果气体的浓度不断地升高，敏感电极的电位最终有可能移出其允许范围。
至此传感器将不成线性，因此两电极气体传感器检测的上限浓度受到一定限制。
三电极系统对电极的极化所受的限制可以用引进第三电极，参考电极，和利用一外部的恒电位工作电路来予以避免。
在这样一种装置中，敏感电极曲线相对于参考电极保持一固定值。
在参考电极中无电流流过，因此这两个电极均维持在一恒定的电位。
对电极则仍然可以进行极化，但对传感器而言已不产生任何限制作用。
因此三电极传感器所能检测浓度范围要比两电极大得多。
大部分有毒气体传感器（3/4/7系列）均属三电极系统。
电化学传感器 应用电路
电化学传感器应用电路的实际应用情况1. 应用背景电化学传感器是一种基于电化学原理的传感器，可以用来检测物质的浓度、pH值、氧气含量等。
它由电极和电解质组成，通过测量电极上的电流或电势变化来获取被测物质的信息。
电化学传感器具有灵敏度高、响应速度快、稳定性好等优点，因此被广泛应用于环境监测、生物医学、食品安全等领域。
电化学传感器的应用电路是将传感器与其他电路元件相连，以实现对被测物质的检测和监控。
应用电路的设计和实现对于电化学传感器的性能和应用效果具有重要影响。
下面将详细介绍电化学传感器应用电路的实际应用情况。
2. 应用过程电化学传感器的应用过程包括传感器的选择、应用电路的设计和实现、数据采集和处理等步骤。
2.1 传感器的选择在应用电化学传感器之前，首先需要选择合适的传感器。
根据被测物质的性质和应用需求，选择具有合适特性的电化学传感器。
常见的电化学传感器包括氧气传感器、pH传感器、离子传感器等。
传感器的选择需要考虑其测量范围、灵敏度、稳定性、响应时间等因素。
2.2 应用电路的设计和实现选择合适的传感器后，需要设计和实现相应的应用电路。
应用电路的设计目标是使传感器能够正常工作，并提供稳定的电流或电势输出。
具体的设计步骤包括电路拓扑选择、元件选型、电路参数计算等。
2.2.1 电路拓扑选择根据传感器的特性和应用需求，选择合适的电路拓扑结构。
常见的电路拓扑结构有电流源模式、电压源模式、电阻负载模式等。
不同的电路拓扑结构适用于不同的传感器和应用场景。
2.2.2 元件选型根据电路拓扑结构和设计需求，选择合适的电子元件。
例如，选择合适的运算放大器、电源、滤波电路等。
元件的选型需要考虑其性能参数、工作温度范围、功耗等因素。
2.2.3 电路参数计算根据传感器的特性和应用需求，计算电路中各个元件的参数。
例如，根据传感器的灵敏度和测量范围，计算电路中放大器的增益；根据传感器的工作电流和电压范围，计算电路中电源的输出能力等。
第六章电化学传感器.
1
K
1
a
pb
p2 O2
电池反应：[Pb]Ag-Pb + 0.5O2=PbO(s)
由电池电动势，可以求出待测极的平衡PO2值，由PbO(s)的标准生成自 由能可以求出K，从而求的apb.
6.2.2 三相固体电解质传感器
这是将含有待测元素的化合物掺入固体电解质中，烧成后成为独立相 ，构成三相固体电解质（对ZrO2基固体电解质而言）。组成电池时， 固体电解质中待测元素的氧化物能参与有待测元素的参与的化学反应
β－D－葡萄糖＋O2＋H2O → 葡萄糖酸＋H2O2 ② 由于酶膜附近氧量减少，到达铂阴极的氧 量也减少，导致氧还原电流变小。 ③ 而氧还原电流减少的量与测定溶液中葡萄 糖的浓度成正比。
酶在电极表面固化方法：
直接法：将酶通过化学修饰方法直接固定在电极表面。 间接法：先将酶固定在载体上，再组装在电极上。
阴极反应：O2＋2H2O＋4e － → 4OH － 阳极反应：Pb＋4OH――4e－ → PbO2＋2H2O 总反应：Pb＋O2 → PbO2
两电极间产生电位差而形成电流，其电流与氧气浓度成正比，因此 通过测定电流可得出氧气浓度。
此测量仪器不需外接电源，体积小，重量轻。安全性能好，能连续 测量，已广泛用于采煤工作面、瓦斯抽放管道、火灾地区的氧测量 ，也用于石油化工、隧道、船舶、仓库等类作业环境中的氧监测。
1889年发现了ZrO2掺杂Y2O3的氧离子导体，氧离子有较高的迁移 率和较低的激活能，随后开展了氧浓差电池的研究。
1957年C. Wagner发表了用固体电解原电池测定高温下金属卤化物、 氯化物和硫化物标准生成自由能的论文，引起科学家们的极大兴趣。
1961年Weissbast做成了第一台ZrO2测氧传感器，并被誉为当时世 界钢铁冶金领域中三大重大科研成果之一。
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电化学传感器工作指南及电路图引言本公司有毒气体检测传感器的开发始于1981年，以一氧化碳传感器的研制为开端。
之后对各式各样新传感器都进行了开发。
直至最进开发的臭氧和氧化乙烯传感器，形成了系列的传感器产品，并以其可靠、稳定和耐用等特点斐声海内外。
此类传感器系一微型燃料电池，设计成为免维护型并且能长时间稳定工作的产品。
所采用的技术立足于己于人本公司早期氧传感器的工作基础，系直接响应气体的体积浓度变化，而不是响应其压力的变化。
该类传感器设计的最大特点是采用了气体的扩散势垒，该势垒能限制气体流向敏感电极的流星。
敏感电极能与到达电极的电化学活性仍有余裕。
这一高的电化学活性保证了传感器的长寿命和很好的温度稳定性。
两电极系统基于电化学原理工作的传感器其最简单的一种型式就是两电极系统。
其工作电极和对电极由一薄层电解液隔开并经由一个很小的电阻联通外电路。
当气体扩散进入传感器后，在敏感电极表面进行氧化或还原反应，产生电流并通过外电路流经两个电极。
该电流的大小比例于气体的浓度，可通过外电路的负荷电阻予以测量。
为了让反应能够发生，敏感电极的电位必须保持在一个特定的范围内。
但气体的浓度增加时，反应电流也增加，于是导致对电极电位改变（极化）。
由于两电极是通过一个简单的负荷电阻连接起来的，虽然敏感电极的电位也会随着对电极的电位一起变化。
如果气体的浓度不断地升高，敏感电极的电位最终有可能移出其允许范围。
至此传感器将不成线性，因此两电极气体传感器检测的上限浓度受到一定限制。
三电极系统对电极的极化所受的限制可以用引进第三电极，参考电极，和利用一外部的恒电位工作电路来予以避免。
在这样一种装置中，敏感电极曲线相对于参考电极保持一固定值。
在参考电极中无电流流过，因此这两个电极均维持在一恒定的电位。
对电极则仍然可以进行极化，但对传感器而言已不产生任何限制作用。
因此三电极传感器所能检测浓度范围要比两电极大得多。
大部分有毒气体传感器（3/4/7系列）均属三电极系统。
由于控制了敏感电极的电位，恒电位电路还能提高传感器的选择性和改进其响应性能。
这一电路同时也用来测量流过敏感电极和对电极之间的电流。
电路可以作成体积很小的低功耗装置。
本章后部将提供一些与此有关的电路。
四电极系统图1三电极系统进一步发展导致了四电极系统传感器的产生（A3/A7系列）。
这一类型的传感器增加了另一个工作电极，称之为辅助电极。
辅助电极的讯号可以用来抵消温度变化的影响或者用来提高传感器的选择性。
用了第四电极可以使传感器的讯号更稳定，对被测量气体有着特性的响应。
温度影响即使不存在反应气体，传感器的敏感电极也会显示一个很小的讯号电流称之为“基线电流”。
虽然在校准时可以调零调去，但极限电流随温度的变化呈指数变化。
因此校准后大的温度改变将导致仪器的零点产生些许漂移。
在大多数情况下，尽管温度在较宽的范围内变化，仪器零点漂移仍是很小可以忽略不计。
然而如果需要仪器有很高的分辨率，特别是检测气体浓度非常低的情况下，零点的漂移与可能严重影响测量值。
在这种情况下采用四电极系统可以补偿任何基线的漂移。
四电极系统中，敏感电极和辅助电极的基线极为接近。
由于环境状况对于两个电极都是一样的，敏感电极由于温度变化产生的基线漂移在辅助电极上也产生同样大小的漂移。
当敏感电极暴露在目标气体中时，将会产生一个增加的讯号，其大小与气体浓度成正比。
所有目标气体都在敏感电极上反应，因而辅助电极上信号保持不变（即处于其基线水平）。
这样尽管基线与校准时的水平相比有所漂移，只要从讯号中减去这一基线信号值就可以得到补偿了基线的输出值，它完全是由暴露的气体产生的。
选择性当一A3E/F一氧化碳传感器置于一氧化碳和氢的混合气体中时，二者均在敏感电极上发生反应。
一氧化碳全部反应，而氢则只有部分反应，未反应的氢扩散到达辅助电极。
这样一来敏感电极的讯号为这两种气体浓度的函数，而辅助电极的输出则主要是由氢产生的。
和上述补偿基线漂移的道理一样，辅助电极的讯号可以用来补偿氢在敏感电极上的反应。
反应机理气体扩散进入传感器就在敏感电极上发生反应，或则为氧化反应（大多数气体），或则为还原反应（二氧化氮、氯和臭氧）。
每一反应均可用标准化学方程式的形式表示。
例如，一氧化碳在敏感电极上的氧化可用方程式表示如下：CO+H2O→CO2+2H++2e-根据目标气体在敏感电极上反应的不同，对于其它气体也可以导出类似的方程式：硫化（H2S）：H2S+4H2O→H2SO4+8H++8e-二氧化硫（SO2）：SO2+2H2O→H2SO4+2H++2e一氧化氮（NO）：NO+2H2O→HNO3+3H++3e二氧化氮（NO2）：NO2+2H++2e-→NO+H2O氢（H2）：H2→2H++2e-氯（CL2）：CL2+2H++2e-→2HCL氰化氢（HCN）：2HCN+Au→HAu(CN)2+H++e-氯化氢（HCL）：HCL→1/2CL2+H++e-氧化乙烯（C2HO）：C2H4O+2H2O→C2H4O3+4H++4e-臭氧（O3）：O3+2H++2e-→O2+H2O氨（NH3）：12NH3+L2+6H2O→2LO3+12NH4++10e-磷化氢（PH3）：PH3+4H2O→H3PO4+8H++4e-在对电极上发生的反应则正好与敏感电极上的反应平衡。
例如敏感电极上发生氧化反应，对电极上就会与氧被还原并生成水。
反之，如果敏感电极上发生还原反应，对电极上的反应则与之相反（即水被氧化）。
这样这一反应的标准方程式可以写成：1/2O2+2H++2e-⇔H2O两个电极的反应方程式可以结合起来并简化成总的电池反应。
例如在一氧化碳的情况下，总个电池反应可写成：2CO+O2 2CO2这一总方程式说明供应给传感器的气体是反应的燃料，逸出的气体则是反应的产品。
换言之，传感器仅仅是反应的催化剂，它的任何一部分都没有消耗（氨和氰化氢除外，见后）。
注：氨和氰化氢使用了一种新型电解液。
其反应机理不象通常的那些传感器那样直接的氧化或者还原。
这对传感器的性能有重要的影响，特别是对其输出漂移和使用寿命。
这类传感器适宜于检漏，而不适宜于高浓度和连续检测在第一部分所列该类传感器的特中援引了每月总的目标气接受量不宜超过的特定水平值。
选择性本公司传感器的设计保证了对被测气体有很高的特效性，交叉干扰的影响降低到了最小。
这是由下列技术的结合达到的1）选择特性电极催化剂电极材料的选择对于传感器中的反应有很强的影响。
每一电极反应大多是可以双向进行的，可以利用特殊选定的电极材料催化反应的某一方向。
2）控制敏感电极的工作电位三电极系统的最大好处在于能给传感器施加一“偏置”电压使得电化学反映活性较低的气体也能被氧化或者被还原。
这样一种施加有偏压的器件能促进那些在通常条件下在参考电极电位下不能发生的反应。
3）利用化学过滤器选择性地除去干扰气体有些传感器装有内置过滤器可以除去那些也能字敏感电极处发生反应的气体。
这类内置过滤器组成各不相同，尺寸也各不一样，依传感器的使用条件而异。
本章后面将详细论述。
（1）（2）（3）注：STEL为短期暴露限值，TWA为长期暴露（8hr）限值。
（1）资料来源：Health and Safety Executive(HSE)-EH40/95（2）资料来源：Deutsche Forschungsgemeinschaft(DFG)-1993（3）资料来源：Occupational Safety and Health Adminisration(OSHA)-Code lf Federal Regulations 29 CFR1910.1200,July 1993（4）括号中的分钟数值表示在该浓度水平下最长允许暴露时间。
（5）氢为可燃性窒息气体，其最低爆炸限的数值为4% 。
4）采用四电极系统在A7E/F一氧化碳传感器中采用了四电极系统，用以消除氢对传感器输出的影响，前面已经论及过了。
安全监测为了个人人身安全，需要与一种仪器，当有毒气体的浓度达到短时间暴露允许限值（STEL）和长时间暴露允许限值（TWA）时能予以报警。
下表所列为经常监测的几种主要气体的允许暴露限值。
该表仅仅作为一种指导。
其具体数值在使用前必须予以核对。
在安全监测方面为了监测仪的小型化需要有较小的元件，传统的3型系列传感器由于其体积小结构紧凑最为合用。
它结合了3、4型系列的小体积和7型系列结构紧凑两方面的特点。
这些传感器的代码中用数字字头来区分，例如7E 4CO 就是用7和4来区分的。
安全检测用传感器至少每六个月应该效一次。
对于那些安全极为重要的场合，工作的传感器实施效准应更勤一些（例如两周），关于效准细节见后。
安全检测仪通常可以分为两种类型-----便携式监测仪和定点监测仪。
下表所列为安全检测中推存使用的传感器类型。
对于适合于便携式监测仪器的传感器以P，而适宜于己于人定点检测仪器的传感器则标以F。
P6P7操作线路a）两电极有毒气体传感器2E/F传感器是一个两电极低浓度一氧化碳气体传感器。
与三电极系统相比其性能受到一定限制，然而其工作电路却是简单得多。
传感器实际上是一只电流发生器。
传感器两电极的输出可以简单地用一只低值负荷电阻（例如33Ω）串接于传感器两端然后测量电阻两端的压降，不需要任何外电源，另外传感器也可以采用电流跟随器型式工作，即用一运标放大器将电流输出转换成电压输出。
在这一情况下采用低值负荷电阻（例如10Ω）可以缩短响应时间。
图2是该原理的简图。
图中负荷电阻用R Load表示。
运标放大器断路时传感器两端用一结型场效应管（J-FET）短接。
图2 两电极传感器工作电路ICI--该放大器用作电流电压转换器，对其失调性能要求不严格。
OP-77或其类似放大器均可用。
b）三电极系统1）标准操作（无偏压）图3为推存用于任一个三电极传感器的电路图，可用于检测下列气体：一氧化碳（CO）、硫化氢（H2S）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、氯（CL2）、氢（H2）、氰化氢（HCN）和臭氧（O3）。
对于那些在敏感电极上氧化的气体线路的输出为正------CO、H2S、SO2、H2和HCN，而对那些在敏感电极上还原的气体则输出为负------NO2、CL2和O3 。
对于需要偏压操作的其它所有传感器这一标准电路要予适当修改（见后）。
对电极的作用只是完成一个电化学电路，其电位值相对于工作电极和参考电极而言是不固定的。
在静态条件下，电解液只有微小电流流过，因此对电极电位接近其静止电位。
而在气体检测时，电流升高，这时对电极相对于参考电极而言便极化了对CO、H2S、SO2、H2和HCN为负，NO2、CL2和O3为正。
图3三电极系统标准工作电路ICI----这一放大器失调电压必须该很低，或者将其凋零。
PMI-OP77和OP-90，Intesil或Teledyne 7650和Linear Technology LT1078均可用。