电化学传感器（5）---氧气传感器

MEM2 氧传感器

1.膜式氧传感器的工作原理

         氧气通过毛细管扩散到达感测电极的表面。采用这种方法，进入传感器的气体量由扩散控制。

 

         到达感测电极的氧气减少，因此消耗电子，导致电流。对电极通过氧化水来平衡感测电极的反应。由此在对电极处产生质子。这些通过电解质向传感电极迁移。恒电位电路将感应电极的电位维持在-600mv相对于参考电极电位。这种负偏置电位对于操作这种电流型燃料电池是必要的。与其他偏置传感器相反，当电路接通时，元件氧传感器在几分钟内稳定。

         与电流传感器相反，这种类型的传感器没有易损部件，也不会随着时间的推移而改变内部。周围的氧气对储存寿命没有影响，传感器与铅基传感器相反。

2.为氧传感器设计一个恒电位电路

         为了操作电化学传感器，需要控制电路，称为恒电位电路。对于3电极传感器，主要目的是维持参考电极（ref）和感测电极（sens）之间的电压，以控制电化学反应并传送与传感器产生的电流成比例的输出信号。对Cnt电极上的电位（cnt）并不重要，只要该电路能够提供足够的电压和电流来维持感测电极的正确的电位即可。

         电阻器r11，r12，r13必须以在运算放大器ic2的正输入端提供+ 600mV。由于输出电路的偏置效应，感测电极的电位保持在0V，因此在sens和ref之间的偏差为-600mv。

         虚拟地的参考电压应该被选择为适当的，以允许反电极的足够的电压摆动。Cnt与Sen之间的最大电压为1.3V，例如，如果电源电压为2.5V，并且ic2的相应最大电压为2.0V，则虚拟地的参考电压必须低于0.7V。

         电化学传感器的测量电路是跨阻抗结构的单级运算放大器ic1。传感器电流在rgain上反射，产生相对于虚拟地gnd的输出电压。c2降低高频噪音。负载电阻（rload =10 ohm）的推荐值是最快响应时间和最佳信噪比之间的折衷。运算放大器ic1的输入失调电压将加到传感器偏置电压上（因为传感电极将从0v偏移），所以输入失调应保持低。一个运算放大器应选择低输入失调电压温度漂移，以免在温度变化时影响偏置电压。

         控制运算放大器ic2将电流提供给反电极以平衡感测电极所需的电流。因为柜台正在氧化，它将一个电流汇入ic2。因此ic2需要有足够的电流吸收能力。ic2的反相输入连接到参考电极，不得从参比电极汲取任何显着的电流。建议使用输入偏置电流小于5纳安的运算放大器。

3. 本质安全考虑

         传感器电流在氧浓度的推荐工作范围内线性增加，并作为传感器输出进行测量：

         传感器灵敏度[μa/％] x o2浓度[％] =输出信号[μa]

         正常工作时的最大电流（0-30％o2）：<4 mA

         正常工作时最大电压（0 -30％o2）：<1.4 v

 

MEM3 氧传感器背景气体兼容性

 

         膜传感器的氧传感器具有酸性电解质，使其耐高浓度的二氧化碳。与具有碱性电解质的o2传感器（溶液）相反，co2的存在对传感器寿命没有影响。膜传感器的氧传感器对二氧化碳没有交叉敏感性，即使在高浓度的二氧化碳下也是最适合测量氧气的。