问题：请教：有谁知道用于电解质溶液中气体测定的传感器？
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时间：2005-05-24 20:49:56 编辑加入/取消收藏订制/取消短消息举报该贴

比如食盐水中二氧化碳的测定。

回复人：wgx_2002,▲ (生物电分析) 时间：2006-10-28 22:06:37 编辑	1楼
我觉得分数给的有点低了，个人意见，仅共参考！

回复人：智能仪表,▲ (诚信，承诺，信誉。承诺不实现，信誉也不见。) 时间：2007-05-12 08:31:06 编辑	2楼
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回复人：xiupeiyang,▲▲▲▲ (一个化学爱好者，希望通过交流来提高自己!!!) 时间：2005-05-25 22:10:24 编辑

3楼

氧传感器的研究与应用
姚素薇　　郭萌
摘要：氧传感器具有低成本、结构简单、高灵敏度等优点，在工业、农业、医学和环境等领域具有广泛的应用。用于测量气体中氧分压和水中溶解氧浓度的氧传感器的基本原理相同，只是结构和所用材料有所区别。电化学氧传感器在其实际应用中存在着气候影响、残余电流以及寿命与可靠性等问题，针对这些具体问题，人们也在实际运用中采取了不同的方法加以解决。
关键词：氧气；溶解氧；氧传感器；
中图分类号： TP212.2 文献标识码：A

一．引言
　　氧元素是地球上含量最多的元素之一，它以多种形式在自然界中广泛存在。
　作为维持人和动植物生命活动必不可少的元素，氧的缺乏不但会威胁人类，也会严重威胁到自然界其他生物的生存，例如在水产养殖中，水中含氧量过低就会给鱼类等水中生物的生存、繁殖带来很大的威胁 [1,7] 。
氧不仅与人和动植物的生存息息相关，也与化学、生化反应及物理现象关系密切。例如，在污水处理中，水体中溶解氧含量的多少能反映出水体受污染的程度，因此溶解氧的含量成为衡量水体污染的一个重要指标；在生命科学领域，生物耗氧量（ BOD ）也是研究生命活动的一项重要指标 [1,8] 。因此，氧是需要人们控制与测量最多的一种元素 [1,2] 。
一些传统的测氧方法如气相色谱法、磁式氧分析仪等能够精确地分析氧的浓度，但其成本高、装置复杂、使用和维修都比较麻烦，在一些需要原位、在线测量的场合使用会受到很大限制。对于此等情况，氧传感器也就逐渐成为人们注目的焦点。
目前，氧传感器年产量已占全部气体传感器的 39% ，居首位，仅汽车工业用氧传感器每年就达数千万只 [4] ，它在医、农、林、渔业都具有广泛的应用前景 [3,6].

二、氧传感器的结构与原理
氧传感器种类很多，现在研究最多的是气体氧传感器，它用于测量气相中氧的浓度或氧分压，还有用来测量水中溶解氧浓度的溶氧分析仪等其它类型。这些氧传感器结构不同，但均采用电化学原理。
1 、气体氧传感器
这种氧传感器基本上分为两大类，一类是固体电解质氧传感器。以二氧化锆氧传感器为例，它以对氧离子有较高导电能力的 ZrO 2 作基质 [5] ，两面设有对氧有催化还原作用的铂电极，将其置于含氧的参比气体和待测气体中，就形成了氧的浓差电池：参比气体 | Pt ， ZrO 2 ， Pt | 待测气体。其电池反应为： O 2 ( 参 )→O 2 ( 测 ) 。按能斯特公式测得此电池电动势 E 及已知参比气体中氧的分压 P O2 ，即可求得待测气体中氧含量：
（ 1 ）

式中， E —电池的电动势；E 0 —电池的标准电动势；R —热力学参数；F —法拉第常数；T —绝对温度；P o 2 （测）—待测气体中氧气分压；P o 2 （参）—参比气体中氧气分压。
由于电池电动势 E 与待测气体中氧含量成对数关系，故信号不易处理，研究者在此基础上对其进行改进，又研制成了极限电流型氧传感器（电化学泵氧传感器）。它是靠外加电压驱动电池反应的，当外电压增至某一值时，气相氧扩散至电极表面的速度跟不上电极还原反应的速度，回流中出现饱和的电流值，此电流不随外加电压增大而增加，被称为极限电流，其大小与氧浓度呈线性关系。此类传感器具有灵敏度高、响应快、信号易于处理、不带有参比气体和易于微型化的优点，已成功地用于汽车乏氧检测中，节能效果很显著 [4] 。
另一大类为催化电化学氧传感器，它是根据与氧气有关的催化电极的反应来测定待测气氛中氧浓度的。它也有两种型号：一种为电极恒电位电解式，另一种为原电池型氧传感器，两者都以对氧有催化还原活性的金属（如 Pt 、 Ag 、 Au 等）为阴极，以不能极化的金属，（如 Pb 、 Cu 、 Cd 等）为阳极，电解质一般采用碱或酸及其盐的溶液。近几年来，随着实际应用的要求，这两种氧传感器都在向两电极系统方向发展，尤其是利用透氧高分子薄膜来测定气体中或溶液中氧浓度的隔膜型氧传感器发展最迅速 [6] 。

2 、测量溶解氧的浓度的氧传感器
溶解氧 (DO) 是指溶解在水中的氧气，它在河流、湖泊、海洋中都大量的存在，是检测水质和环境污染程度的重要指标。用传统的化学法（如碘量滴定法）测定水溶液中的溶解氧 (DO) 是很费时的，且成本高，不能连续测量 [7] ，而用滴汞电极 (DME) 的极谱分析最为简单。但是， DME 的一些特性又影响了它在现场工作中的应用。金与铂电极能克服 DME 遇到的某些困难，但在一些生物介质中就失效 [10] 。为了消除上述困难，膜覆盖氧电极诞生了，它最初是由 Clark 在 1956 年提出的，故而得名 Clark 氧电极 [14] 。这种电极利用膜可渗透氧但不能渗透水和有机及无机溶质的原理，保护电极不与这类还原物质紧密接触，从而使传感器的灵敏度不受影响。
当前用来测量水中溶解氧浓度最常用的仪器就是电化学传感器（例如 Clark 传感器） [9] 。它主要有两种类型：一是根据电池原理而设计的，本身就是个电池，不需外加电压，可通过测量电解电流来测量溶解氧浓度。测量时将其放入待测溶液，水中溶解氧透过透氧膜，溶解于膜与电极之间的电解液薄层中，当两输出端接上负载电路时，氧在阴极表面上发生还原反应。对于结构和透氧膜确定的传感器而言，在一定温度下，氧传感器的电流只与试样中的氧分压成正比，因此，测定电流即可知氧浓度。
另一种用来测量水中溶解氧的浓度的传感器为电极恒电位电解式氧传感器。在其两电极之间加一适当的极化电压，此时溶解氧透过高分子膜，在阴极上发生还原反应，产生了正比于试样溶液中氧浓度的电流。当电极结构固定时，在一定温度下，扩散电流的大小只与样品氧浓度成正比例关系，测得电流值大小，便可知待测试样中氧的浓度。

三、实际应用中的问题及解决方法
电化学氧传感器在其实际应用中存在着气候影响、寿命与可靠性以及残余电流等问题，针对这些具体问题，我们在实际运用中采取了不同的方法加以解决。
1 、气候对氧传感器的影响 [11]
在正常情况下，气候条件的变化 ( 温度、湿度和气压的波动 ) 会对氧传感器性能的稳定性产生不同程度的影响。温度的变化会对透氧膜的透氧率产生影响，从而影响扩散电流。用热敏电阻补偿可以抵偿一部分温度波动而产生的偏差，使之变为原来的 1/2 ～ 1/3 。还有些氧传感器表面的透气膜粘附水气的能力强，其透氧量会随湿度升高而减少，造成氧传感器性能降低，所以选择氧传感器的透气膜时，应选择对水气的粘附力不强，对水气的粘附性也较稳定的透气膜。大气压波动会同步地引起传感器性能波动，目前许多国家正在研究消除大气压波动对氧传感器性能影响的方法，方法之一是利用池壁来安装压力缓冲器，这种压力缓冲器实质上是一张不透气的膜，利用这张膜的缓冲性可减少大气压波动对氧传感器性能的影响。

2 、化学氧传感器的寿命与可靠性 [12]
由于受电极结构、电解质材料及生产工艺的影响，电化学式氧传感器的可靠性偏低，满足不了使用要求，为客观反映电化学式氧传感器保持其性能指标的能力，分析和评价电化学式氧传感器的可靠性，建立传感器可靠度随时间变化规律模型及特征参数间关系就具有重要意义。做法之一就是从同批产品中随机抽样，先进行使用寿命试验，再根据试验数据进行寿命分布模型统计推断和失效分析。失效分析的主要指标是灵敏度、测量范围和测量精度。按企业标准 Q ／ UN2585 — 298 规定，氧传感器测量精度＜ ± 1% 时，灵敏度变化及测量范围的变化都能由测量精度反映出来。所以寿命试验中的检测参数确定为测量精度，若传感器的测量精度超出 ± 1% ，即判为该传感器失效。

3 、残余电流问题 [13]
当气样的含氧量为零时，传感器的扩散电流并不为零，这个电流我们称之为残余电流或漏电流 ( I c ) 。在传感器状态为新且电解液纯洁时， I c 很小且可以忽略。但随着使用过程中传感器被杂质的感染及酸碱度的变化， I c 逐渐变大，这将对仪表的测量精度造成影响。因此，仪表设计中应设有残流校正（利用高纯氮气或氨气定期校正残流），使得仪表在使用过程中保证测量的高精度。

四、结论
近年来，随着人们健康环保意识的增强以及各国对有毒气体排放和污染物排放方面的严格立法，各种气态氧或溶解氧监测装置正在得到越来越广泛的应用，所以氧传感器的研究也成为了热点。目前，在世界范围内，氧传感器市场正处于急速扩张的状态，氧传感器的研究也呈现如下趋势：
(1). 传感器的薄膜化。由于薄膜型传感器价格便宜、性能优异，因而成为一个非常活跃的研究领域 [1] 。
(2). 低工作温度氧传感器的研究。由于许多氧传感器必须在较高的温度下才能正常工作，因此，这些氧传感器的结构中一般都设置有加热装置，给制造和使用带来许多不便。为此，研制低工作温度用氧传感器也就成为近年来新的研究领域 [1] 。
(3). 探索新材料和敏感新机理，或者对现有材料进行改性和复合，研制机械强度高、寿命长、可宽温区工作的传感器，不断拓宽应用领域。
(4). 随着微电子、微机械加工技术的发展，氧传感器的结构形式不断改进，正朝着小型化、微型化、集成化和全固态化方向前进。
(5). 随着微型计算机和固态电路的发展，智能化、多功能化和单片化的传感器正在研制当中 [15] 。

参考文献：
[1] 杨邦朝，简家文，段建华，张益康 . 氧传感器原理与进展 [J]. 传感器世界， 2002 ， Vol.8(9) ： 6-10
[2] 杨邦朝，简家文，张益康 . 氧传感器与现代生活 [J]. 世界产品与技术， 2001 ， (1) ： 37-41
[3] 湾山哲朗．化学传感器 [M] ．化学工业出版社， 1990
[4] 宋国庆，刘红宇，李恒一，宋国欣 . 新型氧传感器及应用 [J]. 黑龙江电子技术， 1999 ， (3) ： 47-49
[5] 陈家林，万吉高，王开军，陈亮维，马骏 . 氧传感器用 ZrO 2 ---Y 2 O 3 固体电解质电导性能的研究 [J]. 贵金属， 2001 ， Vol.22 （ 1 ）： 21-24
[6] 罗瑞贤，刘恩辉，陈蔼藩 . 原电池型氧传感器的研制 [J] 北京化工学院学报（自然科学版）， 1994 ， Vol.21 （ 4 ）： 71-79
[7] 于泉，孙慧明，王贵安 . 测定溶解氧用传感器 [J]. 黑龙江大学自然科学学报， 1995 ， Vol.12 （ 3 ）： 61-64
[8] 李明 . 溶解氧测量传感器及其应用 [J]. 电子与仪表， 1997 ，（ 4 ）： 30-32
[9] T.C. Chou, K.M. Ng ， S.H. Wang . Gold-solid polymer electrolyte sensor for detecting dissolved oxygen in water[J] . Sensors and Actuators ， 2000 ， Vol . B 66 ： 184–186
[10] 许孙曲，邓春阳 . 用于测定水中溶解氧的电化学传感器的设计与评价 [J]. 传感器技术， 1990 ， V ol.34 （ 6 ）： 551 — 554
[11] 林化新，孙金凤 . 氧传感器 ( 探头 ) 性能受气候影响的研究 [J] . 化学传感器， 1990 ， Vol.10 （ 2 ）： 69-76
[12] 张洪泉 , 郭建英 . 电化学式氧传感器寿命特征分析 [J]. 哈尔滨理工大学学报， 2002 ， Vol.5 （ 1 ）： 9-13
[13] 王孝良 . 采用极谱式氧电极的高精度微机化测氧仪 [J] . 自动化与仪器仪表， 1998 ，（ 2 ）： 22-24
[14] 朱建中 . 微型 C1ark 氧传感器的进展 [J]. 传感器世界， 1996 ， Vol.2 （ 9 ）： 5-10
[15] 侯加林，王会明，聂宜茂 . 智能型溶解氧分析仪的研制 [J]. 电子与自动化， 1998 ， Vol . 27(4) ： 12-14

The Research And Application Of Oxygen Sensors
Abstract ： Oxygen sensors, which have a lot of advantages including low cost, simple structure and high sensitivity, are now applied in many fields such as industry, agriculture, medicine and environment. Oxygen sensors measuring partial pressure of oxygen in atmosphere and those measuring dissolved oxygen in water are based on the same principle, and their differences only lie in the structure and material. The influences of climate, residual current, life and reliability are the major problems existing in the practical uses of oxygen sensors, and here we have different solutions for each of them.

Keywords ： oxygen ； dissolved oxygen ； oxygen sensor

作者简介：
姚素薇，天津大学化工学院，教授，博士生导师，从事纳米材料方面研究。
电话： 022-27401794 （办）， 022-27402018 （宅）
通信地址：天津大学化工学院应用化学系邮编： 300072
E-mail ： yaosuwei@263.net
郭萌，天津大学化工学院，硕士研究生。
E-mail ： chineseguomeng07@sina.com

回复人：asjxcn,▲▲▲ () 时间：2005-05-26 19:16:43 编辑	4楼
一篇好的综述，可开拓视野，给人启迪，谢谢。姚老师是天大纳米中心主任（博导），专业涉猎很广，方向好像是电沉积。

回复人：maqinghe,▲▲▲ (我为化学而生) 时间：2005-05-31 00:06:07 编辑	5楼
接受答案了。

得分人：xiupeiyang-2,

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