电化学气敏传感器的原理及其应用

Principle and Application of Electro chemical Gas Sensor
HU Qian1, GE Si bo1, WANG Yi qing2, LI Wei2 ( 1. Institute of Auto control, Xi an Jiaotong University, Xi an 710049, China; 2. State Key Laboratory of Manufacturing System, Xi an Jiaotong University, Xi an 710049, China) Abstract: Introduced the operational principle and property of electro chemical gas sensor, and explainsed its structure and applica tion circuit in detail. Making use of distinct characteristic of invariant electric potential electro analysis sensor, designed initiative give wind gas control system which realizes filtration gas in difference environment. It has a skillful frame and possesses a broad application prospects in a medical rescue. Key words: gas sensor; invariant electric potential electro analysis sensor; anti gas mask 1 电化学气体传感器 [ 1] 电化学气体传 感器 利用 气敏电 极或 者气体 扩散 电极 等构 成一系列电池测量各种气体含量 , 其中气敏 电极测量一 些溶解 在溶液中气体的含量或 者用 于环境 监测 , 如 O2、 CO2、 SO2、 NH 3、 HCN、 HF 等气 体 , 尤其是固体电解质气敏传感器能适应高 温、 高 压等恶劣环境和高浓度的场合。这些气 体传感器 结构简 单 , 选 择性好 , 而且能快速响应 , 便于自动测量和控制。 2 恒定电位电解式传感器原理 该传感器的工作核心是恒定电位电 解式传感 器 , 它 是一种 湿式气体传感器。如图 1 所 示[ 2] , 它是 用透 气性 隔膜、 工 作电 极、 对电极、 参照电极和 电解 质溶 液组成 的密 封结构 的合 成树 脂容器。电路的功能是加电压于传感器 电解液中 的两个 电极 , 使所测气体进行氧 化或者 还原 , 测 量气体 电解 时产生 的电 流 , 然后推算出 气体的 浓度。加 在传 感器上 的恒 定电位 称为 给定 电位 , 但由于传感 器的阻 抗随 其结 构而定 , 故 检测到 气体 并产 生电解电流时 , 给 定电 位就 会发生 变化。给 定电 位变 化时 , 电 极的电解反应就不 会稳定 , 从 而导 致传感 器的 输出也 不稳 定。 因此在传感器中设置一个没有电解电 流的第三 电极 ( 参考电极 R) , 通过控制 使工 作 电极 ( W ) 和 参考 电极 之 间的 电位 保 持一 定 , 故工作电极和对电极 ( C) 的电位 保持一定 , 构成恒 电位仪电 路。其中 , 传感 器活 性 电极 材料 应 对目 标气 体 具有 最 优 敏感 性 , 而交叉敏感度则应降至最低。 图 2 为恒定电位电解式传感器的工 作原理图 , 传感器中参
摘要 : 主要介绍了电化学气敏传感器的工作原 理及特性 , 详细 阐述了气 敏传感器中 的恒电位 电解式传感 器的结 构以 及应用电路 。 利用不同的恒电位电解式传感器能检测酸性 、 碱性毒气的特点 , 设计了主动式送风防毒面具的 控制系统 , 成 功实现了在不同环境下的过滤通道的切换 , 从而达 到了过滤毒气的 目的 。 此控制 系统结构设 计巧妙 , 具有广 阔的应 用前 景。 关键词 : 气敏传感器 ; 恒电位电解式传感器 ; 防毒面 具 中图分类号 :TP212. 2 文献标识码 : B 文章编号 : 1002- 1841( 2007) 05- 0077- 02
图5
防毒面具工作原理图
3. 2. 1
气体检测及报警
正常状态下 , 两个 传感器 均输 出低电 平 , 当酸 性 气体 传感 器或者碱性气体传感器 检测到毒气阈值 浓度点后 , 恒电位 传感 器的输出端输 出高电平 , 报警信号 灯接通 , 同时 , 相应的继 电器 动作 , 接通过滤通道切换电机。 传感器通电初期其 电阻 值的输 出有 一个小 于 90 s 的 过渡 时间 , 因此在电路设计的时候 , 考虑到此过 渡状态 , 为了防 止两 个传感器同为高 电平 状态 , 采用 ULN2003 芯片 , 设 计 为两 路互 锁状态 , 避免了切换电机频繁切换的不稳定状态。 3. 2. 2 过滤通道切换 此通道的 直流电机 M 接收不同传感器检测信号 , 实 现正反 转 , 带动压杆切断碱性气体或酸性 气体的过 滤通风通 道。当通 道切断后 , 同时安装 在通 道两侧 的光 敏开 关信号 也被 切断 , 电 机停转 , 实现了毒气过滤通路的转换。 3. 3. 3 抽风机和头罩 抽风系统负责把毒 性气体从两种气体 检测通道 中抽入 , 经 相应过滤系统 过滤为洁净空气后 , 从头罩中被人体吸入。 此外 , 还可实现对讲系统与欠压 报警等功 能。由于对 讲机 会产生强大的发射功率 , 因而产生随 发射功率 变化的强干 扰性 电磁场。可以采取对对 讲机发射电路安装 严密的屏 蔽罩 , 确保 发射天线尽可能地远离 传感器 , 并从 电路上切 断与通道转 换的
可以通过防毒面具内的 受话器和耳机与 旁人交流 , 若想与 较远 距离医疗分队 人员通 讯 , 可以 按下挂 在腰 间的 对讲 机听 / 讲切 换按钮 ; 当防毒面具 的工 作电池 不足 以维 持以上 功能 时 , 面具 上的电源欠 压 指示 灯亮 , 且蜂 鸣 器报 警。工 作 原 理如 图 5 所 示。
收稿日期 : 2006- 07- 03
收修改稿日期 : 2006- 07- 12
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Instrument Technique and Sensor
May 2007
随温度而发生变化 , 因此 还可 以增 加一部 分温 度调节 电路 , 调 节热敏电阻可以避免传感器受到温度变化的影响。 3 毒性气敏传感器在防毒面具中的应用 在毒性气 体的 检 测中 , 一 般 情况 下 按照 其 气体 水 溶 液的 pH 值划分为酸性毒气和碱性 毒气。因考 虑到应 用防毒 面具使 用的某种特定环境中酸性和碱性气体 出现的不 定性 , 故 在防毒 面具的设计中 , 应用了 2 种可以检测酸 性和碱性 气体的 电化学 传感器 , 例如 选用 电 化学 CL2/ C - 20 氯气 传 感器 和 NH3/ C1000 氨气传感器。这 类传 感器体 积小 巧 , 敏感度 高 , 适用 于医 学或者军事防毒领域。 3 . 1 毒性传感器功能特性 图 3 [3] 为 CL2/ C- 20 氯气 传感 器的底 视图 , 它 是一种 恒电 位电解式传感器 , NH3/ C- 1000 氨气传感器也和此图类似。 毒性 传感器 的功能 特性主要 有测量 范围、 最大 负荷、 工作 寿命、 输出信号、 分辨率、 温度范围、 压力范围、 压力系数、 T80 响 应时间、 相对湿度范围、 典型曲线范围 ( 洁净 空气 ) 、 最大 零点漂 移、 长时间输出漂 移、 偏置电 压、 线性 度输出 等 , 由于 温度 和湿 度对不同传感器影响程度不同 , 在 不同的工 作环境下还 要考虑 到传感器的适应度 , 温度灵敏度曲 线就能反 映传感器在 不同温 度环境下的敏感程度 , 如 图 4 [3] 所 示。图 4 显 示了 在不同 温度 下的 3 次漂移 , 这种 灵敏度 是在 20 用一 个百 分比 信号 表达 的。交叉浓度指标也可以反映传感器对 于掺杂气 体的敏 感度 , 如表 1 所示 , 可看出 H 2S 对检测碱性气体干扰最大。
2007 年 第 5期
仪 表 技 术 与 传 感 器
Instrument Technique and Sensor
2007 No 5
电化学气敏传感器的原理及其应用
胡 茜1 , 葛思擘1 , 王伊卿2 , 李 伟2
710049) ( 1. 西安交通大学自动控制研究所 , 陕西 西安 710049; 2 . 西安交通大学机械制造系统国家重点实验室 , 陕西西安
[ 1] 宁新宝 , 黄 德培 . 物 理化 学生 物传 感器 . 南京 : 南京 大学 出版 社 , 1991. [ 2] [ 3] 彭军 . 传感器与检测技术 . 西安 : 西安电子科技大学出版社 , 2003. 深圳市富 安达智 能科 技有限 公司 . Specificat ion sheet for sensor type CL2/ CL- 20, NH3/ CL- 1000. http: / / www. fuanda. com. 作者简介 : 胡茜 ( 1981! ) , 研究生 , 主要 研究方 向为 DSP 与运 动控 制系 统。
表1
气体 CO H2 SO2 H 2S 200 200 20 20
ຫໍສະໝຸດ Baidu
NH3/ C- 1000 氨气传感器交叉体 积分数
- 6
体积分数/ 10
灵敏度/ 10
- 6
0 0 ~ 7 ~ 30
气体 NO NO2 Ethylene
体积分数 /10
- 6
灵敏度/ 10
- 6
80 20 200
~ 15 ~ 2 0
共地连接 , 外加射频 接地 滤波电 路 , 这样 才能从 根本 上消 除电 磁场的干扰。 4 结束 语 利用此恒定电位电 解式传感器设计的 防毒面具 小巧精 致、 方便携带 , 经多次测试表明故障发 生率低 , 且抗干扰 性能强 , 在 医学救援方面 具有重要作用。同时 , 此 种电化学 光敏传感 器也 可广泛用于航 空航天、 安 全防 火、 汽 车电 子、 矿藏 开采、 畜 牧园 林等其他领域 , 前景十分广阔。 参考文献 :
3 . 2 防毒面具设计原理 防毒面具用在 毒性 气体 浓度大 于人 体所能 承受 的安 全毒 气浓度环境中 , 它 通过气 敏传 感器 检测毒 气 , 使毒气 通过 滤块 吸收有毒气体后 , 成为洁 净空 气通 过吸气 活门 进入面 罩内 , 气 流经口鼻罩或阻水罩引导进入呼吸道内。 该防毒面具用 在医 学人 员救助 演习 的碱性 或者 酸性 气体 的检测环境 中 , 故 选 用了 CL2/ C - 20 氯气 传 感器 和 NH3/ C1000 氨气传感 器。若医疗人员佩戴 防毒面具进入无毒区 时 , 防 毒面具不工作 , 正 常空气 进入 呼吸 通道 ; 若进 入碱性 毒气 或者 酸性毒气区 , 并且当毒气体积分数 在传感器 能检测到的 范围内 时 , 报警信号灯闪烁 , 风机转动 , 碱性 或者酸性 过滤通道 自动切 换到相应挡进行毒 气过滤 ; 医 疗人 员在救 助伤 员的过 程中 , 还
图2 恒定电位电解式传感器的工作原理 图1 恒电位电解式气敏传感器结构
考电极为 R, 电池 E 提供基准电 压 , R 确定参 考电极 电压 , 同时 由外部电压保 持电路也确定了工作电 极 ( W) 与对电 极 ( C) 相对 于 R 之间的电压。当传感器 检测到毒气后 , 毒气在阴阳 电极间 通过内部电解池发生氧化还 原的化 学反应 , 在 阴极 ( W) 发 生还 原反应 , 失去电子 ; 在 阳极 ( C) 发生 氧化 反应 , 得到 电子 , 因 此 , W- C 间电位随即 发生了 变化 , C 端 电位上 升 , W 端电 位下 降。 运算放大器 A1 构成了 R 和 C 端的 负反馈 电路 , 调 整参考 极 R 的电 位 , 直 到 R- C 端电位 差保持 到原状 态恒定 电位即可。 W 极电化反应 产生 的电 流 , 经 过 R 2 负 反 馈调 节 , 即 可从 输出 端 Uo 得到毒性气体浓度与电解电 流的线 性比率 曲线。气敏 传感 器的灵敏度与温度有着 很大的关系 , 无论是同 类敏感材料 的不 同掺杂 , 还是对于不 同的 气体敏 感的 不同 敏感材 料 , 其阻 抗都