气体电化学传感器公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Click to edit Master title style,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,气体电化学传感器,第1页,第1页,简介,构成,分类,参考文献,目,录,CONTENTS,问题讨论,展望,第2页,第2页,Company Logo,气体传感器,：能,感知环境中某种气体及其浓度,一个装置或器件，它能将气体种类和浓度相关信息转换成可测量信号。,气体电化学传感器,：把测量对象气体在电极处氧化或还原而测电流，得出气体浓度探测器。,气体电化学传感器,原理,：通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比电信号来工作。气体首先通过微小毛管型开孔与传感器发生反应，通过憎水屏障，到达电极表面。穿过屏障扩散气体与传感电极发生反应，传感电极采用氧化或还原机理。通过电极间连接电阻器，与被测气体浓度成正比电流会在正负极间流动，测定该电流即可拟定气体浓度。,1 简介：,第3页,第3页,2.构成,2.1 电化学传感器包含以下主要元件：,A.透气膜（赠水膜）：透气膜用于覆盖传感电极，在有些情况下用于控制抵达电极表面气体分子量。依据膜材料选择不同，又可将传感器分为镀膜传感器和毛管型传感器。前者普通采取低孔隙率特氟龙薄膜，后者则相反。薄膜不但能为传感器提供机械性保护，也可滤去不需要离子。透气膜需要选择正确类型及毛管孔径尺寸，以确保传送正确气体分子。孔径尺寸应能够预防也太电解质泄露或快速燥结，并允许足量气体分子抵达传感电极。,第4页,第4页,B.电极：电极材料普通为催化材料，能够长时间内执行半电解反应。通常电极采取贵金属制造，如铂或进，在催化后与气体分子发生有效反应。依据传感器类型不同，,C.电解质：电解质必须有能够促进电解反应，有效将离子电荷传送到电极能力。电解质与参考点击形成稳定参考电势并与传感器内使用材料兼容。若电解质蒸发太快速，传感器信号将减弱。,D.过滤器：普通为洗涤式过滤器，目标是滤除不需要气体。多数采取活性炭为滤材，但活性炭不能滤除一氧化碳。正确滤材有利于提升传感器选择性。,第5页,第5页,3.1 恒定电位电解池型气体传感器：保持电极与电解质溶液界面处于一定电位，经过改变其设定电位，有选择使气体进行氧化或还原，从而定量检测各种气体。对特定气体来说，设定电位由其固有氧化还原电位决定，但也会随电解时作用电极材质，电解质种类不同而改变。,3 按工作原理分类,第6页,第6页,工作过程：,（1）被测气体进入传感器气室：通过气体扩散或机械泵；先通过一个过滤器-提升选择性。,（2）反应物从气室到达工作电极前面多孔膜，并向电极-电解液界面扩散：工作电极普通不暴露在外，因此气体先通过多孔膜；多孔膜作用：预防泄漏，给电极提供结构支持，再次提升选择性。,（3）电活性物质在电解液中溶解：气体在电解液中溶解速率在很大程度上决定了传感器灵敏度和响应时间。,（4）电活性物质在电极表面吸附：待测气体扩散到催化剂电极表面发生氧化或还原反应，氧化或还原反应速率大小与气体在电极表面吸附密切相关。,（5）扩散速度下电化学反应：当扩散环节为速率控制环节时，整个反应能够由Cottrell方程描述。,恒定电位电解池型气体传感器,第7页,第7页,（6）产物脱附：假如产物解吸附速率慢，电极也许被反应物污染，电流信号会租不下降，造成电极中毒。,（7）产物离开电极表面扩散：净化电极，使电极回到初始清洁状态。,（8）产物排除：净化传感器内部空间。假如产物不是气体或易溶于电解液，使传感器内部成份改变，从而改变传感器信号响应。,特点：,都有供气体进入气室或薄膜；普通有三个电极；有例子导电性电解质溶液。,恒定电位电解池型气体传感器,第8页,第8页,应用实例：,一个基于,CAN,总线,CO,气体监测系统,电化学传感器输出微弱线性电流由高精度电流 电压放大器转变为电压信号，经过放大和滤波处理后，送入 单片机中模块进行模数转换，再经过数字滤波、温 湿度赔偿、标度变换等处理，使对应浓度值实时显示在 液晶屏上。处理之后数据经过 总线传输到远 端监控室，实现现场多点集中监控。另外在系统中设置 分级响应机制，对不同浓度 气体作出不同处理。系统工作模式设定和分级设置由键盘控制模块完成。,恒定电位电解池型气体传感器,第9页,第9页,电化学反应在工作电极上产生电流相同。控制个变量：电位和电流。当工作电极上电流比较小时候，采用,工作电极,和,参考电极,，此时参考电极既用来控制电位又用来构成电流回路。当流过工作电极电流较大，必须用一个辅助电极来和工作电极构成电流回路，以参考电极来准确控制电势差，减少误差。为减少测量误差提升准确度，选择,三电极电路,。开关型场效应管可达到传感器,周期性,工作要求。,设传感器工作电极输出电流为，两级放大电路放大倍数为，那么，电化学传感器模块输出,电压,就是：,V,out,=I,g,*A,0,应用实例：,一个基于CAN总线CO气体监测系统,恒定电位电解池型气体传感器,第10页,第10页,结论：,我国家庭住宅群或部分工业环境中所使用有害气体如检测仪器功效都单一，无法实现实时在线监测，不具备数据存储和远程传播能力。以前，国内针对新型监测仪器研究已有所进展如红外光谱检测法、取样光栅滤波法、气体传感器阵列和独立成份分析等。但针对上述问题处理仍然没有取得较好结果。与老式检测装置相比，本设计采用电化学传感器对进行采样和转化，系统选取具备优良低功耗性能 单片机作为处理器平台，其内置位模数转换器和 存储器，在确保监测精度同时减少了硬件设计复杂度。结合外围键盘控制接口和显示模块，提升了人机交互友好性。另外，气体检测数据可通过仪器 总线模块接口进行数据传播。为实现对CO在线监测以及后期数据储备，远程传播提供了也许性。,应用实例：,一个基于CAN总线CO气体监测系统,恒定电位电解池型气体传感器,第11页,第11页,3.2 伽伏尼电池型气体传感器：,通过测量电解电流来检测气体浓度。由于这种传感器本身就是电池，因此不需要由外界施加电压。,第12页,第12页,双层膜：,透气膜,（将电极、电解液与待测溶液分开）；液膜（,电解液,形成在透气膜与电极之间很薄膜，约515,m）。透气膜多为,聚四氟乙烯膜,。,氧气进入膜后在电极表面快速还原，外电路检测氧气,还原电流正比氧气浓度,。,绝缘材料,Ag/AgCl,参比电极,电解质溶液,透氧膜,伽伏尼电池型气体传感器：,第13页,第13页,Clark,电极是一个封闭式电极，它用一疏水透气膜将电解池体系与待测体系分开。待测氧能够通过透气膜扩散到电极内，而待测溶液中其它杂质不能透过，这样能够有效地预防电极被待测溶液中一些组分污染而中毒。,长处,：,稳定性好，膜不易损坏、抗污染。,缺点,：传感器响应时间较长（气体扩散到电极表面速度很慢，气体在液膜中扩散为整个电极过程控制环节），响应信号低，温度系数大。,伽伏尼电池型气体传感器：,第14页,第14页,应用实例：,基于氧电极乙醇微生物传感器在线检测系统,伽伏尼电池型气体传感器：,Clark氧电极工作原理,：,如图为设计乙醇微生物传感系统示意图,它主要是由微型控制器、固定化微生物反应器、C lark氧电极和数据统计器及计算机构成。乙醇样品通过泵作用下送入到搅拌器中,恒温搅拌器确保了在温度恒定条件下均匀搅拌液体和磷酸盐溶剂。数据统计器和计算机接受到实时监测数据,并进行分析,由溶解氧含量转换成乙醇浓度。计算机发送指令到微型控制器,通过微型控制器来控制恒温搅拌器与泵正常运转,从而实现整个传感器系统实时在线检测。,第15页,第15页,溶解氧传感部分是由金电极(阴极)和铂电极(阳极)及氯化钾或氢氧化钾电解液构成,氧通过膜扩散进入电解液与金电极和铂电极成测量回路。当给溶解氧分析仪电极加 0.6 0.8V 极化电压时,溶液中溶解氧分子扩散透过氧电极表面选择透过性膜,进入到电极内电解质溶液中,在电解质溶液中发生反应,阴极释放电子,阳极接受电子,产生电流,整个反应过程为：,阳极:2Pb+4OH-2Pb(OH)2+4e-,阴极:O2+2H 2O+4e-4OH-,依据法拉第定律:流过溶解氧分析仪电极电流和氧分压成正比,在温度不变情况下电流和氧浓度之间呈线性关系。当体系中存在乙醇时,被乙醇氧化菌所氧化,细菌呼吸活性增强,消耗体系中溶解氧,造成扩散进入氧电极表面溶解氧分子减少,进而电极输出值减少。溶解氧消耗量由溶解氧电极检测并转换为可输出电流信号。产生电流信号将会放大从而通过计算机实时统计分析。由于化学换能器探头独特性设计,只允许溶解氧分子通过,从而提升了制备耗氧反应微生物传感器选择性和灵敏度。,伽伏尼电池型气体传感器：,第16页,第16页,结论：,传感器采用是把乙醇作为唯一碳源生长繁殖菌株,含有较强专一性,以固定化该菌株进行了乙醇含量测定,测定结果表明该测定体系,含有相称稳定性不易受其它醇类物质干扰,含有较好选择性,。该微生物传感器响应时间为 60 s,在浓度范围含有灵敏、准确检测值,又含有操作简便、检测范围宽、重现性好等长处。可以便应用于各种酒精快速准确检测。,伽伏尼电池型气体传感器：,第17页,第17页,3.3 离子电极式气体传感器,：,气态物质溶解于电解质溶液并离解，离解生成离子作用与离子电极产生电动势，将此电动势取出以代表气体浓度。,H,+,H,+,第18页,第18页,以检测 NH,3,传感器为例阐明这种气体传感 器工作原理。其基本结构如图3示，作用电极是可测定 pH 值玻璃电极，参比电极是 Ag/AgCl电极，内部溶液是NH4Cl溶液。NH4Cl离解，产生铵离子 NH,4,+,，同时水也微弱离解，生成氢离子H,+,，而NH,4,+,与H,+,保持平衡。,依据能斯特（Nernst）方程，H+浓度产生电动势 E 可用下式表示：,E=E,0,+(2.3RT/F)log H,+,式中，E,0,电池原则电动势；R热力学参数；T绝对温度；H,+,氢离子浓度。将传感器放入 NH,3,中，NH,3,将透过隔阂向内部 浸透NH,3,增长，而H,+,减少，即 pH 值增长。通 过玻璃电极检测此 pH 值改变，就能知道 NH3 浓度。除 NH,3,外，这种传感器还能检测 HCN(氰化氢)、H,2,S、SO,2,、CO,2,等气体。,离子电极式气体传感器：,第19页,第19页,3.4 浓差电池式气体传感器,：,是基于固体电解质产生浓差电势来进行测量。,第20页,第20页,浓差电池式气体传感器基于固体电解质产生浓差电势来进行测量。利用能斯特公式可得其浓差电势大小为：,式中，,E,传感器浓差电势；,P,o,2,(I),气体参比氧分压值；,P,o,2,(II),气体被测氧分压值。浓差式,ZrO,2,氧传感器是比较成熟产品已被广泛应用于许多领域，尤其是汽车发动机空燃比 控制中,浓差电池式气体传感器：,第21页,第21页,3.5 电量式气体传感器,：被测气体与电解质溶液反应生成电解电流，将此电流作为传感器输出来检测气体浓度，起作用电极，对比电极都是pt电极。,以检测,Cl,2,为例来阐明这种传感器工作原理。将溴化物,MBr,（,M,是一价金属）水溶液介于两个铂电极之间，其离解成,Br,-,，同时水也微弱地离解成,H,+,，在两铂电极间加上适当电压，电流开始流动，后因,H,+,反应产生了,H,2,，电极间发生极化，电流停止流动。此时若将传感器与,Cl,2,接触，,Br,-,被氧化成,Br,2,，而,Br,2,与极化而产生,H,2,发生反应，其结果，电极部分,H,2,被极化解除，从而产生电流。该电流与,Cl,2,浓度成正比，因此测量该电流就能检测,Cl,2,浓度。除,Cl,2,外，这种方式传感器还能够检测,NH,3,、,H,2,S,等气体。,第22页,第22页,4 问题讨论：,上述传感器大都是以水溶液作为电解质溶液，它存在下列几点问题：,（1）、电解液蒸发或污染常会造成传感器信号衰降，使用寿命短（普通来说，电化学传感器寿命只有一年左右，最长但是两年）；（2）、催化剂长期与电解液直接接触，反应有效区域，即气、液、固三相界面容易发生移动，会使催化活性减少；,（3）、在干燥气氛中，尤其是在通气条件下，传感器中电解液很容易失水而干涸，致使传感器失效；,（4）、存在漏液、腐蚀电子线路等问题；,（5）、为了确保传感器有一定使用寿命，电解液用量不能太少，限制了该类传感器微型化。,第23页,第23页,为避免由于水溶液电解液引起上述问题，人们将注意力转向,固体电解质,和,湿敏传感器,。当前已有,有机凝胶电解质气体传感器、固体聚合物电解质气体传感器、高温陶瓷型、高分子电阻湿敏传感器、高分子电容湿敏传感器,等产品问世。,伴随人们对电化学传感器进一步研究和进一步发展，电化学气体传感器研究将向下列方向发展：高灵敏度、高稳定性、长使用寿命、便携式、微型化、智能化。能够预见，电化学传感器明天必将海阔天空。,5 展望：,第24页,第24页,参考文献,1.P ilon e G J.Determ ination of ethanol in w in e by m icrom etric and spectrophotom eter d ich rom ate m ethods-collaborative study J.JA ssoc ofAn alCh em,1985,68(2):188-190.,Nak anek,Yamash itat,Iw akorak,et a.l Properties and structure of Po ly(vinyl alcohol)/silica com posites J .J Appl Po lem ics,1999,74:133-138.,2.Zhang Y i,J ia M inp ing.Adaptive w indow length variance estim a-tion in mu lt-isensor data fus ion application J.Journal of Tran s-ducer Techn ology,21(8):1398-1401.,3.孙书利,吕 楠,白锦花,等.多传感器时滞系统信息融合最优Kalman滤波器 J.控制理论与应用.,25(3):501-505.,4.GaoW ei,W en J ingx in,Jiang Nan.A study of data fus ion based on com b in ing rough setw ith BP neu ral netw ork C N in thIn ternational Con ference on H ybrid In telligen t Sys tem s,10:103-106.,5.谭韦君，丁万山基于红外传感器和 大气有害气体浓度监测系统传感技术学报，（）：,6.宋凯，裵建星，王祁，等基于气体传感器阵列和独立 成份分析易燃气体检测仪器仪表学报，（）：,7.李涛，李辉，宋庆丰，等基于 总线技术工业 环境监控系统研究制造业自动化，（）：,8.王浩川，张志强 气体浓度分布式监控系统研究 与设 计 核 电 子 学 与 探 测 技 术，（）：,第25页,第25页,Thank you!,第26页,第26页,