一种四电级微型环境监测终端设计.docx

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一种四电级微型环境监测终端设计

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1常见的电化学气体传感器技术及优缺点分析

1.1二电极系统

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。

1.2三电极系统

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。

1.3四电极气体传感器技术方案

三电极系统进一步发展导致了四电极系统传感器的产生。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。

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。

2四电极传感器技术研究

四电极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。

2.1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。

2.2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。

2.3利用化学过滤器选择性地除去干扰气体

传感器装有内置过滤器，除去那些也能在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。

3四电极传感器采样电路设计

四电极传感器的四个电极分别为：工作电极，对电极，参考电极，辅助电极，第四个电极作为辅助电极，用于补偿零点电流，使其具有高信号电平，低零点电流的特性，分辨率可低至小于10ppb，响应快，反应时间短，抗干扰，工作范围较广等明显优势，四电极传感器的采样电路如下图所示。

图1四电级传感器采样电路设计图

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-全文完-