化学量传感器的构成和分类方案

随着物理传感技术的快速发展,化学量传感器的信号由单纯的电信号延伸到光信号、热信号等多个领域。化学量传感器主要由化学物质敏感层和物理信号转换元件结合而成,化学物质敏感层负责对各种化学物质或化学试剂产生的刺激做出反应,物理信号转换元件则负责将这种相互作用转换为有用电信号。待测的相关化学物质与化学敏感层发生作用,物理信号转换元件再将其转换为电信号,电信号经过一系列信号放大等电路结构,最终得到响应的传感器信号。根据所用信号转换技术的不同,化学量传感器可以分为电化学传感器、光化学传感器和热化学传感器等。

1.电化学传感器

电化学传感器是将分析对象的化学信号转换成电信号的传感装置,第一个化学量传感器是用于测量氢离子浓度的玻璃pH电极,在这之后的发展过程中,人们对于化学量传感器的研究集中在将化学信息直接以电信号的形式表现出来。目前被人们了解并且有所应用的电化学传感器有电量传感器、离子选择传感器、固体电解质传感器等。表4.1为电化学传感器的分类。

光化学传感器

2.光化学传感器

光学传感器是建立在电磁辐射与物质相互作用的基础上的一种传感器设备,可以通过测量某些光学性质的变化来检测和确定物理或化学参数。该类型传感器包含了光源、光接收机以及反应池等,此外,还需要在平面集成光学元件(光源、波导、探测器等)。光化学传感器比较典型的有光学离子传感器、红外光学气体传感器、激光气体传感器和辐射传感器、低能离子流传感器和光纤化学传感器等。这里以光纤化学传感器为例,光纤化学传感器使用化学试剂来改变由光纤波导反射、吸收或传输的光的数量或波长。典型的光纤化学传感器包含三个部分:入射(导频)光源、光电探测器和传感器(探测器)。它是含有受分析物影响光学性质的试剂相膜或指示剂的光放大器,主要利用了光传输特性,使传感器的结构更加灵活、牢固和抗干扰能力更好。光纤化学传感器的特点主要有:一是具有全反射传输信号;二是具有红外至紫外光区的传输范围。表4.2为光化学传感器的分类。(www.xing528.com)

表4.1　电化学传感器分类

表4.2　光化学传感器分类

3.热化学传感器

热化学转换本质上是一种通用方法,基于一种常见的化学反应,即通过放热反应会产生热量。化学反应的热效应由放热反应的标准焓表示(标准焓表示在常温常压下,一摩尔反应物被化学反应转化时系统能量的变化)。催化反应特别适合于化学量传感器的应用,因为大量的反应物可以在一个小的催化反应器中转化,从而产生局部的温度变化。这种效应可以用温度传感器来量化。在稳定状态条件下,根据传感器的温度变化可以表明样品中分析物的浓度,而稳定状态可以通过将流体样品以恒定的速率送入反应器来实现。

热化学传感器在现代社会中得到了较为广泛的应用,这一类传感器应用的主要是物质在化学反应中会吸热或放热的特性或不同物质具有不同热导率、比热容等特性,具体的有热敏电阻传感器、热电效应传感器和热导率型气体传感器等。