第3章信息与电化学—电化学传感器

分辨率&分辨力
用来表示传感器能够检测被测量的最小量值的性能指标。
分辨率：
以满量程的百分数表示，是无量纲比率的量
分辨力：
以最小量程的单位值表示，是有量纲的量值
精度
指传感器的测量结果的可靠程度。
它以给定的准确度表示重复某个读数的 能力，误差愈小，则传感器的精度愈高。
传感器的精度由其量程范围内的最大基 本误差与满量程之比的百分数表示。
目标&要求
了解电势型、电流型、电导型及电容型电化学传感器的工作原理； 了解电化学传感器主要性能指标（如线性度、灵敏度等）的内涵； 了解固体电解质氧传感器的工作原理、基本结构及应用领域； 了解生物传感器的分类； 了解电化学生物（酶）传感器的发展及三代电化学生物（酶）传感器 的主要区别；
l 电化学传感器概述 l 离子传感器 l 电化学气体传感器 l 电化学生物传感器
第一节 电化学传感器概述
1 传感器基本概念及分类 2 电化学传感器的分类及工作原理 3 电化学传感器的性能指标
1 传感器基本概念及分类
传感器
GB7665-87：能够感受规定的被测量，并按照一定规则将其转化为可用输 出信号的器件或装置。 美国测量协会：对于特定被测量提供有效电信号输出的器件。
物理传感器
按检测对象分类
离气生 子体物 传传传 感感感 器器器
按工作方式分类
电电电 势流导 型型型 传传传 感感感 器器器
电势型传感器 电势型传感器就是把化学量转换为电势的电化学传 感器，测量电势就可以测量化学量。
M = D1 ＋ D2 ＋ d D1, D2 液体接界电势 d 膜相内扩散电势
电流型传感器
电流型传感器又称控制电势电解型传感器，是把化 学量转换为电流或电量的电化学传感器，通过测量电流 或电量就可以测定化学量。
辨
&
响 应 时 间
力
线性度
指传感器的输出与输入之间的线性程度。
(1) 可以大大简化传感器的理论分析和设计计算； (2) 可为传感器的标定和数据处理带来很大方便； (3) 可使仪表刻度盘均匀刻度，提高测量精度； (4) 避免非线性补偿环节。
灵敏度
指传感器的输出变化与输入变化的比值。
(1) 待测物在检测系统中的传质速度； (2) 电极材料的电化学活性； (3) 反应过程中每摩尔物质传递的电流； (4) 待测物在电解液中的溶解性和流动性； (5) 传感器的几何形状和样品进入的方法； (6) 膜电位的大小及达到平衡的时间长短； (7) 工作电极产生的噪声信号大小。
响应时间
指传感器可以获取测量信号的最短时间。
电位型传感器，响应时间取决于膜电位达到 平衡的时间长短；
电流型传感器的响应时间在很大程度上取决 于反应电阻R和界面电容C的RC时间常数，溶液电 阻影响瞬间输出电流的大小，所以对响应时间也 有一定影响。
第二节 离子传感器
1 离子传感器的基本结构 2 离子传感器的分类 3 酸度传感器（pH计）
伽瓦尼电池式气体传感器
选择适当的电极反应使其与气体分子的电极 反应配对组成电池，通过测定电池电流确定气体 含量的传感器。
固体电解质气体传感器
利用固体电解质的离子传导性，通过测定固体 电解质膜电势测定气体含量的传感器。
2 氧传感器
电流型氧传感器的结构
电解液
阳极 阴极
氧气透过性塑料膜 （如聚乙烯膜、Teflon膜等）
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
阴极：O2 + 2H2O + 4e 4OH阳极：4Ag + 4Cl- 4AgCl + 4e
电流型氧传感器的比较
伽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
测量方法： 线性扫描法 恒电势法
电导型传感器
电导型传感器是把化学量转换为电导的电化学传感 器，电解质溶液能导电，当溶液中离子浓度发生变化时， 其电导也随之改变，因此通过测量被测物的电导就可以 测定化学量。
Rx
源自文库
R1 R2
R3
3 电化学传感器的性能指标 电化学传感器
分
辨 线 灵 率精 性敏 度 度 分度
伸拉式pH探头
第三节 电化学气体传感器
1 气体传感器的类型 2 氧传感器（氧电极） 3 过氧化氢传感器（过氧化氢电极） 4 气敏电极
1 气体传感器的类型
半导体气体传感器
气 接触燃烧式气体传感器
体 传
恒电位电解式气体传感器
感 伽瓦尼电池式气体传感器
器
固体电解质气体传感器
恒电位电解式气体传感器
被测气体在恒电位条件下进行氧化或者还原， 通过测定电流强度确定气体含量的传感器。
将光、声、温度 和压力等物理信 息转化为可用输 出信号的传感器
化学传感器
将化学组分、含 量等化学信息转 化为可用输出信 号的传感器
2 电化学传感器的分类及工作原理
电化学传感器
将待测物质以适当形式置于电化学反应池中，测量其电化学性质（如 电位、电流和电量等）变化则可实现物质组成及含量的测定，基于此原理 的化学传感器称为电化学传感器。
1 离子传感器的基本结构
内部标 准溶液
玻璃电极
液膜及载体 离子选择性膜
固体膜
2 离子传感器的分类
3 酸度传感器（pH计）
参比电极 Ag/AgCl
SCE
高浓度H+ 溶液II
电位计
－
+
玻璃薄膜
H+
X-
X-
H+
参比电极
H+
-
+
M = D1 ＋ D2 ＋ d
低浓度H+ 溶液I
顶部插入式pH探头
3 第 章 信息与电化学
— 电化学传感器
目标&要求
掌握传感器基本概念及分类，掌握电化学传感器的定义及其分类； 掌握酸度传感器（pH计）的基本结构及工作原理； 掌握两种电流型氧传感器（恒电位电解式、伽瓦尼电池式）的工作原 理及结构特点； 掌握生物传感器的定义及基本构成，掌握电化学生物传感器的定义； 掌握基于氧传感器的生物（葡萄糖）电极的工作原理、基本结构及性 能特点；
阴极：O2 + 2H2O + 4e 4OH阳极：Pb + 2OH- Pb(OH)2 + 2e
固体电解质氧传感器
固体电解质（快离子导体）: 具有离子传导性的固体物质
将CaO或Y2O3按照10～15％(摩尔比）固溶于 ZrO2 中，得到稳定的 氧化锆，分别称为：
CSZ (Calsia Stabilized Zirconia) YSZ (Yttria Stabilized Zirconia)