凝胶电解液型电化学有毒气体传感器的性能分析_郝龙.pdf

16 电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月Electronics 电子学为了验证采用凝胶电解液的有毒气体传感器的性能特性，本文对研制的氨气传感器的灵敏度、线性范围、响应时间、重复性、选择性等特性进行充分测试。1 凝胶电解液热稳定性分析对前期研究制备的凝胶电解液进行差示扫描量热测试，曲线图如图1所示。从图1可以看出，制备的凝胶电解液的热稳定性良好，在室温范围内几乎没有失重情况，在大约100时才开始有较明显的失重现象，说明所制凝胶电解液具有良好的热稳定性和较小的挥发性。2 传感器特性测试电化学气体传感器主要的特性参数包括灵敏度、线性范围、响应时间、重复性和选择性。2.1 测试系统搭建及实验方案传感器特性测试系统3由标准气发生系统、信号变送电路、测试工装、信号采集装置、管路等组成，组成示意图见图2。选取凝胶电解液型氨气传感器进行测试，传感0 引言随着工业发展，在生物科学、能源储存、化工、军事等领域，氨、臭氧、氯气、二氧化硫、一氧化碳、硫化氢及光气等有毒气体1泄漏的风险与日俱增，有毒气体泄漏将会对空气、土壤、水等环境造成污染，危害人类健康甚至生命安全。因此，及时、准确、可靠地对环境中的有毒气体进行检测，对保障生命和财产安全极为重要。电化学气体传感器由于具有环境适应性好、体积小、功耗低、易集成等优点，在有毒气体检测领域具有广阔的应用空间。但目前市售的有毒气体传感器多采用水体系电解液，存在电解液易干涸的问题，导致传感器寿命短。另外，水体系电解液存在泄漏风险2，发生泄漏后，传感器失效的同时还会对仪器电路造成腐蚀。经前期研究，通过对有机电解液体系添加固定相研制了一种可用于检测有毒气体的凝胶电解液，胶体使溶剂的挥发大大减小，延长了传感器的寿命，同时不会发生电解液泄漏。作者简介：郝龙，北京航天试验技术研究所，高级工程师，硕士；研究方向：气体传感器技术、检测技术及自动化装置。收稿日期：2022-12-06；修回日期：2023-04-12。摘要：阐述基于凝胶电解液的电化学氨气传感器进行了充分的性能测试，测试结果表明：研制的传感器对氨气在(050)10-6体积分数内能保持良好的线性，响应速度较快，其中T90不大于100s，重复性不大 于2%，并具有较好的选择性。关键词：凝胶电解液，电化学，气体传感器，性能测试。中图分类号：TP212文章编号：1000-0755(2023)04-0016-03文献引用格式：郝龙，赵全，胡家伟，郑雪玲，张成，蔡颖颖.凝胶电解液型电化学有毒气体传感器的性能分析J.电子技术,2023,52(04):16-18.凝胶电解液型电化学有毒气体传感器的性能分析郝龙1，赵全1，胡家伟1，郑雪玲1，张成2，蔡颖颖2（1.北京航天试验技术研究所，北京 100074；2.北京航天凯恩新材料有限公司，北京 100074）Abstract This paper describes that the electrochemical ammonia gas sensor based on gel electrolyte has been fully tested.The test results show that the developed sensor can detect ammonia gas in(050)10-6 within a volume fraction.It can maintain good linearity and has a fast response speed,with T90 not exceeding 100s,repeatability not exceeding 2%,and good selectivity.Index Terms gel electrolyte,electrochemistry,gas sensor,performance test.Analysis of Gel Electrolyte Electrochemical Toxic Gas Sensor in PerformanceHAO Long1,ZHAO Quan1,HU Jiawei1,ZHENG Xueling1,ZHANG Cheng2,CAI Yingying2(1.Beijing Aerospace Experimental Technology Research Institute,Beijing 100074,China.2.Beijing Aerospace Kane New Materials Co.,Ltd.,Beijing 100074,China.)电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月 17Electronics 电子学器的正常检测范围为（050）10-6，实验包括以下3个部分。（1）基本性能测试。配制6种NH3气体体积分数，采用图2的测试系统对传感器进行测试,记录传感器的稳定值、响应时间，整理数据，分析传感器的灵敏度、线性、响应时间4。（2）重复性测试。配制体积分数为1010-6 NH3气体，采用图2的测试系统对传感器进行测试进行5次测试。记录传感器的稳定值，整理数据，分析传感器的重复性5。（3）选择性测试。采用标准气体对传感器进行交叉干扰定量测试，将标准气通入测试工装5min，记录传感器的稳定值。考察了应用环境中较常见气体对于传感器性能的影响，测试气体种类包括CO、Cl2、SO2、H2S和NO2。2.2 基本性能分析选取的凝胶电解液型氨气传感器分别采用210-6、510-6、1010-6、2010-6、4010-6、5010-6 6种体积分数的NH3进行测试，其响应值随时间的变化由信号采集装置实时采集记录，记录间隔为1s。对记录的数据进行处理，以时间作为x 轴，传感器的响应值作为y轴进行绘图，得到传感器对不同体积分数的NH3的响应曲线如图3所示。从图3可以看出，随着NH3体积分数的增加，传感器的输出信号越大，并最终达到一个稳定值。另外，传感器对6种体积分数的NH3气体的响应速度均很快，响应时间（T90）小于100s，即在100s内传感器响应值从0上升到稳定值的90%。对信号采集装置记录的数据进行整理，得到被测传感器对不同体积分数NH3的响应稳定值和响应时间（T90），具体数据见表1，响应时间（T90）最大为73s。进一步对表1的数据进行处理，对数据进行线性拟合，将NH3体积分数与传感器的响应值进行拟合得到图4所示的传感器响应值与NH3体积分数的线性曲线。得到被测传感器响应值与NH3体积分数的相关系数R2=0.99956，表明在（050）10-6NH3体积分数内，被测传感器的响应值与NH3体积分数之间具有良好的线性关系。并建立被测传感器与NH3体积分数之间的关系见式（1）。图1 凝胶电解液差示扫描量热曲线图图2 传感器测试系统示意图图3 不同体积分数下的传感器响应曲线表1 传感器基本性能测试记录表18 电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月Electronics 电子学（1）式中，y为传感器的响应值，单位为mV；x为NH3的体积分数，单位为(10-6)。从式（1）中，可以得出被测传感器对NH3体积分数的平均灵敏度为53.7006mV/10-6。2.3 重复性测试重复性表示传感器连续多次测量所得结果一致性程度，是传感器的重要指标之一。对选取的NH3传感器采用1010-6体积分数的NH3气体连续进行5次测试，结果见图5。结果表明，被测传感器连续测试的响应值偏差不大，具有良好的重复性。重复性通过如式（2）进行计算。（2）式中，sr为单次测量的相对标准偏差；C-为6次测量的平均值，单位为10-6；Ci为第i次的测量值，单位为10-6。经计算，被测传感器对体积分数为1010-6的NH3重复性指标为1.9%。2.4 选择性测试选择性越好表明传感器对其他气体的抗干扰能力越高，在使用过程中，发生误报的概率就越小6，选择性是气体传感器一个重要的指标。分别选取低体积分数（1010-6）的NH 和高体积分数（5010-6）的CO、Cl2、SO2、H2S、NO2进行测试，结果见表2所示。从测试数据可以得出：被测传感器对体积分数为1010-6的NH 具有很高的灵敏度，而对体积分数为5010-6的CO、Cl2、SO2、H2S、NO2灵敏度却非常低，说明研制的传感器具有优异的选择性。3 结语为了验证凝胶电解液型NH3传感器的性能特性，本文通过试验对研制的NH3传感器的灵敏度、线性范围、响应时间、重复性和选择性等性能指标进行充分测试，并对测试结果分析。测试结果表明：研制的传感器对氨气在（050）10-6体积分数内能保持良好的线性，响应速度较快，其中T90不大于100s，重复性不大于2%，并具有较好的选择性，满足多数使用环境的需求。参考文献1 陈金合,慕晶霞，陈军.危险化学品目录汇编M.北京：化学工业出版社,2016.2 Gootzen J F E，Wonders A H，Visscher W，et al.A DEMS and Cyclic Voltammetry Study of NH3 Oxidation on Platinized PlatinumJ.Electrochim Acta，1998，43(12/13):1851-18613 马玉林,李尚松,张红霞等.电化学气体传感器综合实验设计J.实验技术与管理,2019,36(07):47-49+61.4 祁明锋,高知丰,陈凌飞,谷永谦.电化学氯乙烯气体传感器性能分析J.计测技术,2010,30(S1):128-130.5 于文双,刘玲,郭昀,衣志伟,钱永彪.H2S电化学气体传感器的敏感特性评价J.上海大学学报(自然科学版),2015,21(01):46-53.6 孙宇峰,黄行九,刘伟,孟凡利,刘锦淮.电化学CO气体传感器及其敏感特性J.传感器技术,2004(07):14-17.图4 响应值与体积分数的线性关系图5 传感器重复性测试曲线表2 传感器选择性测试记录表