在现代工业安全、环境监测与智能生活中，有一类“嗅觉”异常灵敏的电子器件，它们持续“呼吸”着周围空气，精准识别特定气体分子的存在与浓度——这就是电化学气体传感器。作为气体检测领域的核心技术之一，电化学传感器以其高灵敏度、优异选择性、低功耗及快速响应的特点，成为守护安全与健康的隐形哨兵。

电化学传感器的工作原理：

电化学传感器核心是利用目标气体在传感电极上发生电化学反应，产生与气体浓度成正比的电信号。
典型的三电极电化学传感器包含以下关键部件：电解质，电极，气体透气膜

• 电解质：负责在电极间传导离子，是电化学反应发生的介质。

  电极：通常包含工作电极（目标气体在此发生氧化或还原反应，其表面涂有特殊的催化剂，加速特定气体的反应），对电极（与工作电极配对，发生与之相反的滑雪反应，以形成完整的电流回路。），参比电极（提供一个稳定，已知的电势基准，确保工作电极的电势恒定，从而使输出信号仅与气体浓度相关，实现高精度和稳定性的关键）。

• 气体透气膜：覆盖在工作电极外侧的一层疏水性微孔膜，允许目标气体分子扩散进入，同时防止液态电解质泄漏或干燥，并阻挡灰尘、水分液滴等污染物。

电化学气体传感器为什么能进行选择性检测？

关键在于传感器中工作电极的催化剂材料和施加的工作电压。通过选择合适的催化剂和精确控制工作电极相对于参比电极的电压，可以“引导”目标气体发生反应，而其他气体在该电压下不发生反应或反应很弱，从而实现高度的选择性，如同“一把钥匙开一把锁”。

电化学气体传感器按检测气体对象分类：

• 有毒气体传感器：检测ppm级（百万分之一）浓度的CO、H₂S、NO₂、SO₂、Cl₂、HCN、PH₃等，选择性与低检测限是核心。

• 氧气传感器：缺氧型：0-25% Vol，用于安全防护；富氧型：0-100% Vol，用于医疗、燃烧控制。

• 挥发性有机物传感器：检测VOCs等挥发性有机化合物。

• 其他特殊气体传感器：如H₂、HF、甲醛等。
  

电化学传感器的关键性能指标：

• 量程范围：气体传感器能准确检测、输出有效数据的浓度范围区间，测试不同的气体有不同的量程，在不同场合测特定环境中的气体量程范围也是不同的。量程低至1ppm，高至100%vol。
  

  过载量程：传感器短期承受的超量程极限浓度，在此浓度下传感器不会永久性损坏，但检测结果失效，过载后需恢复至量程内才能正常工作，如果超过过载量程，则会造成传感器永久损坏。

• 气体浓度单位：
  

  %VOL：体积百分比浓度，指被测气体体积占混合气体总体积的百分比。适用于高浓度气体，如检测二氧化碳、氧气时使用该单位。
  

  %LEL：爆炸下限百分比。指气体浓度占其爆炸下限浓度的比例，常用于可燃气体安全检测（可燃气体与空气混合时，遇到最小点火能量，发生爆炸的最低浓度）
  

  PPM：百万分之一浓度，表示一百万体积的空气中所含污染物的体积数，适用于低浓度有毒气体。
  

  PPB: 十亿分之一浓度。
  

  mg/m3:质量体积浓度
  

  umol/mol:摩尔分数浓度，等同ppm，多用于国际标准与精准检测。

• 灵敏度：输出信号变化与气体浓度变化的比值，被测气体改变一个单位浓度，传感器输出电流或电压的改变量。

• 响应时间：响应时间（T90）： 达到90%读数所需时间，关乎反应速度。当氧气或毒气超过对人体有害的范围，人员必须撤离该环境，撤离时间越短越好。因此，传感器响应时间越短，就留给撤离人员越多的时间。

• 分辨率：分辨率是描述传感器能够分辨的最小的气体浓度改变量的参数

• 重复性：在同一天之内，每小时通气一次同样浓度的标准气，获得6次通气平衡的读数，然后计算6次读数的标准差。该标准差越接近于零，说明传感器的重复性越好。

• 选择性/交叉灵敏度： 抗其他气体干扰的能力。 

• 稳定性与寿命： 正常工作的时长，是使用成本的关键。
  

电化学传感器的核心应用场景：

• 工业安全： 石油化工、煤矿、冶金等场景中的有毒/可燃气体预警泄漏、有限空间作业实时监控等。

• 环境监测： 大气网格化监测（NOx， SO2， O3）、室内空气质量（CO2， VOC）、环保排放污染源排放监控，企业废气达标检测等。

• 燃气安全监测： 家用燃气（天然气/液化气）泄露检测、新能源汽车电池热失控预警（检测CO， H2）、智能空气净化器等。

• 新兴领域： 农业大棚气体监控、医疗诊断呼吸分析（潜力方向）、实验室安全等。
  

总结：

电化学气体传感器，以其体积小、低功耗、响应快且精准、灵敏的特性，已成为连接气体环境与数字世界的可靠桥梁。

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