使用电化学传感器的单电源、微功耗有毒气体探测器电路设计
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
伽伏尼电池型气体传感器:
应用实例: 基于氧电极乙醇微生物传感器在线检测系统
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
（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；
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5 展望:
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。
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伽伏尼电池型气体传感器:
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。
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。
电化学气体传感器通用说明书
工作原理A氧气传感器氧气传感器采用隔膜式伽伐尼电池工作原理。
这类传感器通常包括具有催化活性的贵重金属阴极，易极化的活泼金属阳极，酸、碱、盐的水溶液、或其它离子导体构成的电解质，密闭外壳，管脚等。
氧气传感器的外壳是一个密闭容器并充满电解液，此密闭容器的顶部有一个毛细微孔，允许氧气通过并进入工作电极。
此时氧气将在传感器内部被电解，导致传感器内部导电离子浓度发生变化。
通过测量流过两电极的电解电流可以准确感知环境中氧气浓度的变化。
在适当的范围内，电解电流与氧气浓度呈良好的线性关系。
氧气在传感器中的电化学过程被描述为：当氧气到达工作电极时，立即如反应（1）被还原成氢氧根离子：O2+2H2O+4e→4OH-（1）这些氢氧根离子通过电解质到达阳极（铅），与铅发生氧化反应（2），生成对应的金属氢氧化物。
2Pb+4OH-→2Pb(OH)2+4e（2）总电池反应：O2+2Pb+2H2O=2Pb(OH)2（3）反应生成的电流大小相应地取决于氧气扩散速度，氧气的扩散速度则取决于氧分压和毛细孔孔径的大小。
可外接一只已知电阻来测量产生的电势差，这样就可以准确测量出氧气的浓度。
电化学反应中，活泼金属铅参与到氧化反应中被不断消耗和钝化，使传感器具有一定的使用期限，当所有可利用的活泼金属铅完全被氧化或钝化时，传感器将停止工作。
通常氧气传感器的预期使用寿命为1-2年，但也可以通过增加阳极铅的含量或限制接触阳极的氧气量来延长传感器的使用寿命。
B毒性气体传感器利用待测气体在电解池中工作电极上的电化学氧化过程，通过电子线路将电解池的工作电极和参比电极恒定在一个适当的电位，在该电位下可以发生待测气体的电化学氧化，由于氧在氧化和还原反应时所产生的法拉第电流很小，可以忽略不计，于是待测气体电化学反应所产生的电流与其浓度成正比并遵循法拉第定律。
这样，通过测定电流的大小就可以确定待测气体的浓度。
通常，三电极电化学式气体传感器主要由电极、电解液、电解液的保持材料、除去干涉气体的过滤材料、密闭外壳，管脚等零部件组成。
有害气体检测与报警系统设计
毕业论文(设计) 毕业论文题目：有害气体检测与报警系统设计学院：机械与电子工程学院姓名：李迪学号：0861103指导老师：朱兆优有害气体检测与报警系统设计摘要本文设计了一种对环境中ＣＯ浓度进行实时数据采集和处理，并能在浓度超标时报警的电路。
该电路通过单片机实现其控制功能。
整个报警电路由四大部分组成：采集模块、放大模块、模数转换模块、单片机。
报警器的主要工作流程为：用两类传感器（气体传感器和温度传感器）将所需的模拟信号采集放大后传送给A/D转换器，再经模数转换后给将数字信号传送至8051单片机，然后通过单片机内部的数据处理，判断是否需要启动蜂鸣器进行报警，预防恶性事故发生。
该系统详细介绍了系统实现的硬件、软件、数据库设计以及远程控制结构。
该报警器广泛应用于居民家庭和企事业单位，从而大大降低由ＣＯ所引起的中毒、火灾、爆炸等事故的发生率，保障了人们的生命和财产安全，具有重要的实用价值。
【关键词】：可燃气体、报警器、单片机、数据采集与记录、浓度测量Design and implementation of intelligent flammable gas leakage detection alarm systemAbstractIn this dissertation, an electric circuit is designed to collect and process the data of ＣＯ density, and the alarm is sent out when the density beyond the critical value. The control function of the electric circuit is complished by a microcontroller. The whole electric circuit of alarm is composed by four parts: data acquisition module, data enlarge module, A/D module and microcontroller. The technological process of the alarm is as follows: The analogue signals are collected by two kinds of transducers, and then the signals are transmitted to the ADC after enlargement. The data signals are transmitted by ADC to the 8051 microcontroller. The judgment of the buzzer alarm is made after the fata processed by 8051. Main work in this dissertation is :completing the choice of the machines, the design of the connection and the development of the procedure for data processing,realizing the autom atically monitor ＣＯ density. As a result it can prevent fatal accidents. It designed with visual Basci and 8051 microcontroller ,and the design of hardware , software, data base and distance controll of this system are put forward. The annunciator can be widely used in fam ilies and companies. The occurrence rates of the accidents such as poisoning fire, burst, etc are deeply reduced. Tt has an important and pratical value.[key words]:combustible gas; annunciator;data processing; microcontroller; density measurement; detection ; alarm; distance control目录1绪论 (6)1.1本课题的研究背景与意义 (6)1.1.1研究的背景 (6)1.1.2研究的意义 (6)1.2报警器的结构与安装 (7)1.2.1报警器的构成与应用 (7)1.2.2报警器的布点 (7)1.2.3报警器的安装 (8)1.3可燃性气体报警仪国内外发展情况 (9)2系统的功能模块与硬件结构 (10)2.1系统的功能模块 (10)2.2系统的硬件结构 (11)2.2.1主控机 (11)2.2.2模拟信号的数据采集 (12)2.2.3模拟信号的放大处理 (12)2.2.4从机及A/D转换电路 (13)2.2.5ADC 5G14433 与单片机的接口 (14)2.2.6数码显示电路 (15)2.2.7系统报警系统的组成与程序代码 (18)2.2.8信号调理电路 (21)3系统软件的总体设计 (22)3.1系统流程设计 (22)3.2数据库设计 (23)3.2.1数据库系统设计 (23)3.2.2系统的实现 (23)4远程温度数据采集控制 (24)5结论 (25)致谢 (26)参考文献 (27)1 绪论1.1本课题的研究背景与意义1.1.1研究的背景燃气(人工煤气、天然气、液化石油气)的普及，提高了生产效率、市民的生活质量，但在使用燃气的过程中，因燃气泄漏、废气等原因造成的燃气爆炸、中毒等意外事故时有发生，给人们的生命和财产安全带来了严重的威胁，因此安全使用燃气一直是燃气主管部门工作的重中之重。
一种单电源电荷灵敏放大器的设计
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值 ,由 于 栅 极 无 电 流 产 生 ,其 直 流 电 压 等 于 运 放 6脚输出电 压,而 场 效 应 管 的 源 极 电 压 被 设 计 小 于 栅 极 电 压 ,使 栅 源 电 压 为 负 ,从 而 保 证 场 效 应管正常工 作。 另 外 为 保 证 运 放 正 常 工 作,漏 极电压设计等于运放虚地电压。
7 结束语
本文介绍的单电源电荷灵敏放大器已应用 在 半 导 体 个 人 剂 量 仪 中 ,经 长 期 使 用 ,电 路 性 能 稳定。单电源的电荷灵敏放大器为仪器便携、 低功耗、电池 供 电 设 计 提 供 了 基 础。 电 路 在 实 际 使 用 中 ,在 噪 声 、电 磁 兼 容 等 性 能 方 面 还 有 待 提高。
能 量 成 正 比,并 消 除 了 探 测 器 结 电 容 和 分 布 电 容的影响。采用集成运算放大器设计的电荷灵 敏 放 大 器,为 降 低 噪 声 一 般 在 放 大 器 加 一 级 结 型 场 效 应 管 输 入 级,再 根 据 实 际 电 路 要 求 选 择 合适的集成运算放大器。
1 电路原理
5 电路性能
电路主要 性 能 测 试 结 果,电 荷 灵 敏 度 ACQ =2×1012V/C;上 升 时 间 小 于 50ns;最 高 计 数 率 大 于 500kHz;
噪声电压小于2mV;信 噪 比 5 倍(241Am); 工作电流小于1mA;工作电压:在 2.7～5.5V; 在 0～50℃ 之 间 平 均 温 度 系 数 为 0.08%/℃ 。
电化学气体传感器的工作原理和结构图
电化学气体传感器的工作原理和结构图目前，气体传感器的应用日趋广泛，在物联网等泛在应用的推动下，其技术发展方向开始向小型化、集成化、模块化、智能化方向发展。
其中工业领域就是气体传感器一个应用领域，用以使人员和设备免受危险气体导致的直接和间接威胁。
无论是使用便携式气体报警器还是固定式气体检测仪，对于确保设备在其使用年限内安全运转有可能造成的巨大成本问题，用户必然有着深切体会。
而在工业领域应用较多的是电化学气体传感器。
下面小编就简单介绍一下电化学气体传感器的相关知识。
电化学气体传感器的工作原理小小的传感器中，是被水性凝胶电解质（一般是硫酸：H2SO4）浸湿的电极，当所探测的气体（比如一氧化碳：CO，或者硫化氢：H2S）进入传感器内与电解质发生氧化或者浓度变化时，工作电极在催化剂作用下产生微弱电流。
电流经过与传感器相连接的放大器放大，从而显示目标区域的气体浓度。
电化学传感器典型结构图大多数电化学气体传感器应用于扩散模式，在这种模式下，周围环境中的气体样本通过传感器正面的小孔进入传感器（通过气体分子自然流动）。
而有些设备通过一个抽气泵将空气/气体样本抽进传感器内。
在气孔部位安装有聚四氟乙烯薄膜来阻挡水或油进入传感器内。
传感器的测量范围和灵敏度可以通过在设计时调整进气孔尺寸随之变化。
大一些的进气孔可以提高设备的灵敏度和分辨率，而小一些的进气孔虽然降低了灵敏度和分辨率，但是可增大测量范围。
氧气传感器的工作原理与之前所描述的电化学氧气传感器工作原理类似，但是，氧气传感器的使用年限是可预测的，所以，更换周期也可以进行预设——一般为2~3年。
与有毒气体传感器不同，氧气传感器长期持续暴露在目标气体中。
在通常的耗氧监测应用中，传感器工作环境的氧气浓度为20.9%，这就会在铅阳极上引起化学反应，从而造成阳极的逐渐消耗。
所以，传感器通过与氧气反应持续产生电流的能力取决于电解质中铅的含量。
通过增加“温度补偿”这一关键机制，气体探测设备制造商确保了传感器的性能。
烟雾报警电路设计设计说明
目录摘要 (1)第1章绪论 (2)1.1 论文研究背景、目的和意义 (2)1.1.1 论文研究背景 (2)1.1.2 论文研究目的和意义 (2)1.2 国内外发展状况 (2)第2章方案论证 (4)2.1 设计方案的介绍 (4)2.1.1 方案一 (4)2.1.2 方案二 (5)2.2 设计方案的选定 (5)第3章单元电路设计 (7)3.1 电源电路设计 (7)3.1.1 变压器 (7)3.1.2 桥式整流电路 (8)3.1.3 滤波电路 (8)3.1.4 三端集成稳压电路 (9)3.2 烟雾检测电路设计 (10)3.2.1 气体传感器的介绍 (10)3.2.2 烟雾传感器的选定 (10)3.2.3 半导体烟雾传感器简介 (11)3.2.4 烟雾检测电路 (13)3.3 555时基集成电路 (14)3.3.1 555时基电路简介 (14)3.3.2 555时基电路的工作原理 (15)3.3.3 555时基电路的工作模式 (16)3.4 声光报警电路 (17)3.5 整机电路的工作原理 (17)第4章电路仿真与调试 (19)第5章印制板制作与整机装配调试 (22)5.1 印制电路板设计 (22)5.2 印刷板制作工艺流程 (22)5.3 整机装配与调试 (23)结论 (25)参考文献 (26)附录1 整机电路原理图 (27)附录2 元件明细表 (28)摘要为了提前发现并阻止火灾的发生，提高人们的警觉性，防止和减少火灾引起的事故。
设计出以模数电和传感器技术为设计方法，基于实用、广泛和典型的原则，由三端集成稳压电路、半导体电阻式烟雾传感器、555集成电路等元器件构成的烟雾报警电路，可实现烟雾检测和声光报警功能。
并且运用电子仿真软件进行电路仿真、实物制作来实现设计的功能。
电路选用半导体烟雾传感器MQ-2型，对烟雾进行检测。
运用555集成电路实现声光报警，及时提醒用户。
本设计是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、使用寿命长等优点的烟雾报警电路，且具有一定的实用性。
一氧化碳探测报警传感电路设计(1)
一氧化碳探测报警传感电路设计(1)论文关键词：气敏传感器UL281 单稳延时电路稳压电路热清洗蜂鸣报警论文摘要：CO是人们日常生活生产中常见的有毒气体，无色无味，不易被人们发现，当人处在CO气体之中是十分危险的，甚至威胁到生命安全。
在我国北方冬季用煤炭取暖的居民危害最大的就是一氧化碳中毒，因为该气体易在不能充分燃烧的条件下产生。
设计出能检测到CO气体并能报警的电路是十分必要的，在满足基本要求的基础上，电路的设计还要考虑到传感器部分要具有良好的温度、湿度稳定性。
根据生产生活需要设计CO探测报警电路，选用对CO有极高灵敏度的气敏传感器UL281作为报警电路探头，结合UL281结构及其功能，设计与之功能特点相匹配的电路，这些电路由单稳延时电路、稳定电源供电电路、探测电路（热清洗电路）、电压输出电路、报警电路和元件损坏电路。
将电源接通经过热清洗后将传感器放置在清洁空气中，由于敏感元件的电阻很大，IC2放大倍数近似于1。
因此用电压表测量H、L点之间的电压很小，电路不报警，可调节电位器RP2，可改变IC3的负输入电压，电路最终完成之后，调节滑动变阻器RP2，使IC3的负输入电压为。
将传感器放大装有300ppm气样的密封塑料袋内，调节RP1，使IC2的输出为。
此时电压比较器IC3正输入大于负输入，其输出正饱和而使VT3导通报警。
第一章概述第一节传感器的概述及组成一、引言CO是人们日常生活生产中常见的有毒气体，无色无味，不易被人们发现，当人处在CO气体之中是十分危险的，甚至威胁到生命安全。
我国的CO报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化程度也越来越高，其系统复杂、成本较高。
而在居民住宅区、机房、办公室等小型单位场所，需要设置一种单一、廉价实用的CO探测报警装置，基于此种现象，应用所学的电路知识设计出一种简单易于实现，低成本的CO报警电路，不仅对于所学知识是一次综合复习的机会，而且更是练习如何应用所学的书本知识解决实际生产生活问题的能力，这是相当必要的。
化学实验知识：电化学传感器的制备和性能研究方法探究
化学实验知识：“电化学传感器的制备和性能研究方法探究”电化学传感器的制备和性能研究方法探究电化学传感器是一种能够将化学反应转化为电信号的传感器，可以用于检测和分析各种物质。
其广泛应用于医药、环境监测、食品安全等领域，已成为现代生产、科研和生活中不可缺少的工具之一。
本文将重点介绍电化学传感器的制备方法和性能研究方法。
一、电化学传感器的制备方法1.构建电极电化学传感器的核心是电极，因此电极的构建是电化学传感器制备中最重要的一步。
电极有多种类型，格式也不尽相同。
一般而言，电极的制备需要先选择合适的电极材料，并在其表面进行修饰或与其他物质相结合，以提高其敏感性、选择性和稳定性。
常见的电极材料有碳材料、金属材料、半导体材料等。
2.选择电解质电化学传感器在测量过程中需要一种适当的电解质来提供离子交换，以促进电化学反应的发生。
选择电解质时需要考虑其缓冲能力、稳定性和对电极的影响等因素。
常用的电解质有磷酸盐缓冲溶液、硝酸钠缓冲溶液等。
3.分析电化学反应在制备电化学传感器时，需要对电化学反应进行分析，以确定电化学反应的类型和产物。
常见的分析方法有循环伏安法、恒电位法、交流阻抗法等。
4.电化学传感器的组装电化学传感器的组装需要将构建好的电极与选择好的电解质和分析设备相结合。
通常，将电极浸泡在电解质中进行测量，可以通过连接外部电路控制电位或电流进行测量。
同时，还可以通过控制测量条件，如温度、光照等来改变电化学反应的速率和类型，从而达到更精确的检测效果。
二、电化学传感器的性能研究方法1.性能参数的测量为了对电化学传感器的性能进行研究，需要确定其性能参数，如检测范围、灵敏度、选择性、响应时间等。
这些性能参数的测量需要建立完善的检测方法，并严格控制实验条件，以确保测量结果的准确性和可重复性。
2.对干扰物的抑制和选择性的提高电化学传感器在实际应用中常常会受到其他物质的干扰，因此需要对干扰物进行抑制，以提高检测的选择性。
这可以通过在电极表面选择合适的修饰剂，根据不同物质的特性和化学反应选择合适的电解质等来实现。
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使用电化学传感器的单电源、微功耗有毒气体探测器电
路设计
电路功能与优势：图1 所示电路是使用电化学传感器的单电源、低功耗、电池供电、便携式气体探测器。
本示例中使用Alphasense CO-AX 一氧化碳传感器。
对于检测或测量多种有毒气体浓度的仪器，电化学传感器能够提供
多项优势。
大多数传感器都是针对特定气体而设计，可用分辨率小于气体浓度
的百万分之一（ppm），所需工作电流极小，非常适合便携式电池供电的仪器。
图1 所示电路使用双通道微功耗放大器ADA4505-2，该器件在室温下的最大输入偏置电流为2 pA，每个放大器的功耗仅为10 A。
此外，ADR291 精密、低噪声、微功耗基准电压源的功耗仅为12 A，可建立2.5 V 共模伪地基准电压。
ADP2503 高效率、降压/升压调节器支持两节AAA 电池的单电源供电，在节能模式下的功耗仅为38 A。
图1 所示电路（不包括AD7798 ADC）的总功耗在正常条件下（未探测到气体）约为110 A，在最差条件下（探测到2000 ppmCO）约为460 A。
AD7798 工作时的功耗约为180 A（G = 1，缓冲模式），节能模式下仅为1 A。
由于电路功耗极低，两节AAA 电池便可提供合适的电源。
当连接到ADC 和微控制器或者内置ADC 的微控制器时，电池寿命可从6 个月以上到一年以上不等。
电路描述：图2 显示电化学传感器测量电路的原理示意图。
电化学传感
器的工作原理是允许气体通过薄膜扩散到传感器内，并与工作电极（WE）相
互作用。
传感器参考电极（RE）提供反馈，以便通过改变辅助反电极（CE）
上的电压保持WE 引脚的恒定电位。
WE 引脚上的电流方向取决于发生的反应。