電化學傳感器的參數定義
電化學傳感器的參數定義
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我們先從電化學EC傳感器的參數開始討論。
1. 量程范圍(RANGE)
定義:能夠保證傳感器規格書所列各項參數的最高氣體濃度。
量程范圍有多寬?
答：不同的氣體傳感器都有各自的量程范圍，低至1ppm，高至100%vol。1ppm量程的傳感器是測量特毒的毒氣，100%vol量程的是測量高濃氧氣。醫療氧傳感器的量程比較特殊，例如：200,000%mbar，這個單位的意思是在大約2個標準大氣壓下，傳感器最高能測到100%vol，計算式為2,000mbar*100%vol=200,000%mbar。(1標準大氣壓=1013mbar)
輸出和氣體濃度是什么關系？
EC傳感器有的是電流源，即輸出電流和被測氣體濃度成正比；有的是電壓源，即輸出電壓和氣體濃度成正比。這種“成正比”的關系在儀表行業稱為“線性”，即被測氣體濃度和輸出電流或電壓成線性。
什么是過載量程?
有些傳感器的規格書上除了量程，還有一個參數叫“過載量程”(OVERLOAD RANGE)。這個參數是告訴用戶：在這個濃度下，傳感器可以短時間(幾分鐘)測量而傳感器不會永久性損壞，但性能無法符合規格書上所列參數。如果超過過載量程，會造成傳感器永久損壞。
2. 靈敏度(SENSITIVITY)
定義：被測氣體改變一個單位濃度，傳感器輸出電流或電壓的改變量。
靈敏度單位是什么？
對毒氣傳感器來說，最常見的單位是nA/ppm或uA/ppm。對常量氧傳感器來說，其單位是uA@20.9%VOL O2，意思是在空氣中，輸出的電流是多少微安。對微量氧傳感器來說，其單位是mV@20.9%vol O2，當然，我不贊成微量氧傳感器放在空氣中測試，因為微量氧傳感器是測ppm級O2的，長時間暴露在空氣中，會讓它很快失效。對醫療氧氣傳感器來說，其單位是mV@20.9%vol O2，醫療氧氣傳感器的最大量程都是100%vol。
同一個型號的傳感器靈敏度誤差有多大？
具體需要看靈敏度后面的誤差范圍，例如，盛密科技的一氧化碳傳感器4CO-1000S的靈敏度是55±15nA/ppm。其中"±15nA"就是傳感器的個體差異。
靈敏度會變化嗎？在什么情況下會變化？
EC傳感器的靈敏度是會變化的，影響靈敏度的因素包括：溫度、濕度、壓力、流速、壽命、干擾氣體。以上參數，在規格書所定義的范圍內變化是不會影響傳感器壽命的，但如果超過了這些范圍，傳感器可能會受到不可逆的破壞。
3. 響應時間(Response Time)
定義：傳感器信號從零點上升到通氣平衡點一定百分比，所需的時間成為響應時間，通常用T90來描述。從零點上升到平衡信號值的50%所需要的時間稱為T50，從零點上升到90%所需的時間稱為T90，從零點上升到97%所需的時間成為T97。下圖是盛密科技CO傳感器4CO-500S的T90過程能力圖。
為什么響應時間很重要？
因為氣體傳感器主要是保護人身安全的。當氧氣或毒氣超過對人體有害的范圍，人員必須撤離該環境，撤離時間越短越好。因此，傳感器響應時間越短，就留給撤離人員越多的時間。
如何確定零點，如何確定平衡點呢？
對于常規氣體傳感器，當它暴露在空氣中，3分鐘之內讀數變化不超過一個分辨率，即認為是平衡了。具體地說，對O2傳感器來說，讀數變化不超過±0.1%，即認為是平衡了；對CO傳感器來說，讀數變化不超過1ppm，即認為平衡了；對H2S傳感器來說，讀數變化不超過0.1ppm，即認為平衡了；對分辨率為10ppm的H2傳感器來說，讀數變化不超過10ppm，即認為平衡了。
有的傳感器通氣后讀數會一直上升，如何確定平衡點呢？
對于吸附性強的氣體，其傳感器的T90計算和CO、H2S常規氣體是不一樣的。例如，在NH3傳感器的規格書上“T90”后面會跟上一句“<60s calculated from 5 min. exposure time”。它的意思是說，通氣5分鐘，即認為是平衡，然后用5分鐘時候的靈敏度還計算T90時間。這里的“通氣5分鐘”也是有技術條件的：
A. NH3氣體流速為500±100ml/min；
B. 管路和流量計是特氟龍材質或不銹鋼的；
C. NH3濃度在量程范圍之內；
D. 流動的NH3氣體和傳感器之間不能有任何薄膜或鋼網的阻擋。
常見有吸附性的氣體包括：H2S、CL2、SO2、NH3、HCL、HF、F2等等。常見的沒有吸附性的氣體包括：O2、H2、CH4、CO、CO2等等。下圖是盛密科技的4NH3-100S的響應曲線，可以看出，T90時間可以控制在40Sec之內。
4. 恢復時間(Recovery Time)和歸零時間
恢復時間定義：恢復時間是表述傳感器從標準氣體回復到零點氣體時，信號回復快慢的一個參數。常用的是RT90，它的意思是，從傳感器通氣平衡狀態恢復到10%信號所花的時間。例如，CO標準氣是500ppm，當傳感器信號從500ppm回到50ppm(500ppm*10%=50ppm)的這段時間，就是RT90了。
歸零時間定義：歸零時間是表述從傳感器通氣平衡狀態恢復到3個分辨率的讀數所需要的時間。例如，CO傳感器的分辨率是1ppm，標準氣是500ppm，當傳感器信號從500ppm回到3ppm的這段時間，就是歸零時間了。
用不同濃度的標準氣體測試EC傳感器，RT90時間和歸零時間會不一樣嗎？
是會不一樣的。濃度越高，RT90時間和歸零時間越長。擴散的模式符合菲克定理。
不同的溫度下，EC傳感器的響應時間和恢復時間一樣嗎？
不一樣。溫度越高，響應時間和恢復時間越短，溫度越低越長。
所有的EC傳感器在規格書上都寫了RT90和歸零時間嗎？
到目前為止，少數傳感器有歸零時間。不過如果您問我的話，我會給您盛密科技傳感器的回零曲線的。
毒氣傳感器和氧氣傳感器RT時間的計算方法一樣嗎？
不一樣。毒氣傳感器從零氣往上升計算T90，從平衡標準氣下降計算RT90和歸零時間。而氧氣傳感器是從空氣20.9%vol下降到純N2計算T90，這主要是從工業人員安全考慮。
5. 分辨率(Resolution)
定義：分辨率是描述傳感器能夠分辨的最小的氣體濃度改變量的參數。分辨率和靈敏度和噪聲相關，類似電子技術里面的一個參數——信噪比。計算公式是：
分辨率=3 X 60秒信號標準差/靈敏度
如何計算信號標準差？
在傳感器信號被放大之后，會送入模數轉換器ADC。系統噪聲需要用標準差(STDEV)來衡量，STDEV可以通過Office Excel里的STDEV()函數來計算。下面的曲線中取101Sec ~ 160Sec的ADC CTS，計算標準差，得到1.7CTS。
如何計算靈敏度？
答：將傳感器和電路板系統的零點CTS平均值和通氣平衡后的CTS平均值相減，取絕對值，再除以通氣濃度即可得到。例如，零點CTS平均值為1952CTS，3ppm通氣平衡后的CTS平均值為2139CTS。問該系統的靈敏度是多少？
計算公式：|2139-1952|/3 = 62.3 CTS/ppm
通過上面兩問和解答，我們就可以計算出來系統的分辨率了：
3*STDEV/靈敏度=3*1.7/62.3=0.08ppm
傳感器的分辨率和精度有什么關系？
并無直接關系。傳感器的分辨率是由上面的公式計算所得。傳感器本身并無精度的概念，所以傳感器的規格書上也沒有精度的參數定義。精度是描述儀器、儀表讀數和氣體真實值之間的差值，也叫準確性，表示方法有±xppm@100ppm，±5%Reading，±5%rel或±10%F.S.，諸如此類。
6. 重復性(Repeatability)
定義：在同一天之內，每小時通氣一次同樣濃度的標準氣，獲得6次通氣平衡的讀數，然后計算6次讀數的標準差。該標準差越接近于零，說明傳感器的重新性越好。下圖是盛密科技的4NH3-100S的6次重復性實驗曲線。
重復性在規格書上有定義嗎？
絕大多數傳感器在規格書上都不寫該參數，但傳感器在研發驗證的時候是一定要做此實驗的。儀器儀表在做認證的時候，也是一定要做此實驗的。
重復性和長期穩定性之間有什么關系？
重現性是考察傳感器一天之內的穩定性，長期穩定性是考察28天的穩定性。重復性不好的傳感器長期穩定性也不會很好，因為傳感器的讀數在一天之內都不夠確定，如何能相信它在長期之內獲得準確的讀數呢？
一天之內氣溫有變化，那怎么知道是溫漂還是重現性不良呢？
建議重現性測試在一個一天溫度變化不超過5℃的房間內進行，因為在5℃之內，傳感器的靈敏度幾乎是沒有變化的。這樣就可以排除傳感器因為溫漂而產生誤差的可能性了。
7. 基線偏移(Baseline Offset)
定義：基線偏移又叫零點偏移，它是一個統計量，同種傳感器，統計至少50只個體，按照3倍標準差計算出來的基線差異。例如，±2 ppm CO equivalent，其意義是：在室溫環境中，所有出廠的CO傳感器在純凈的空氣中的輸出信號，折合成CO讀數，都在[-2ppm, +2ppm]范圍之內。這個參數有些類似于運算放大器的失調電壓Voff，懂電子學的朋友們也許會知道得多一些。
如果我有一只傳感器，在測量的時候超出了基線偏移的范圍是不是就不能用了呢？
不是的。基線偏移的范圍是針對新傳感器的，在使用了一段時間之后，傳感器內部電極上都會有一定的污染物，造成讀數的偏高或偏低，這也很正常。只要其基線偏移值的數值不要和儀表的報警值相比擬，就可以標定之后繼續使用。
什么因素會影響基線偏移的值？
有很多因素都會影響它，例如：通入了高濃度的被測氣體，通入了其它的非被測氣體，被測氣體濕度變高，長時間超過傳感器工作溫度使用，前放電路本身的零點就不理想等等。下面就是不同濕度的曲線，和盛密4Cl2-10傳感器的響應曲線。規律還是很明顯的吧！
是不是傳感器的基線偏移值合格，傳感器就是合格的呢？
不是的。傳感器合格需要所有參數都符合規格書的要求，并不是僅僅通過基線偏移值來推論其它參數也合格。
8. 基線漂移(Baseline Shift)
定義：又叫零點漂移，也是一個統計量，指的是傳感器在不同的溫度下工作的時候，零點隨溫度變化的值。
在高低溫測試的時候，如何測定基線漂移？
先在20℃的時候標定傳感器的零點，然后讓溫箱降溫，測定傳感器低溫時的零點漂移，再升溫，測定高溫時的零點漂移。變溫的時候請注意：
1. 溫度變化速度不要超過0.5℃/分鐘。達到目標溫度后，保溫2小時再進行測試。
2. 測量溫度不要超過傳感器的工作范圍。
3. 電路的零點需要在事先測量過，并需要在測量后扣除。
基線隨溫度漂移的趨勢是怎么樣的？
EC傳感器在低溫和室溫的條件下，基線比較一致，是一個比較接近零點的值。在高溫的時候，零點會升高比較多，例如SO2傳感器，因此算法上需要做零點溫度補償，否則儀器的零點會不準，嚴重的會引起誤報警。
靈敏度溫度漂移的量和基線漂移的量是成正比的嗎？
不成正比。EC傳感器的變化只有在高溫的時候才明顯，而傳感器的靈敏度在低溫時較低，在高溫時較高，這是化學反應的普遍規律。
9. 負載電阻 (Load Resistor)
定義：EC傳感器和感應電極相連接的電阻，一般稱為RL或Rload。
問：這個電阻有什么作用？
答：這個電阻有兩個作用：
1. 見下圖，Rload將IC2的反向輸入端和感應電極隔離開，從而實現本質安全的電路設計。
2. Rload負載可以減小信號的噪聲。
Rload是一定的嗎？
不一定，但有一個大概的范圍，從5ohm到33ohm。
不同阻值的Rload對電路的性能有什么影響？
Rload越大，輸出信號Vout噪聲越小，但電路的響應速度就會越慢；Rload越小，Vout噪聲越大，電路的響應速度越快。所以，選擇這個電阻需要多做測試，選擇最合適的阻值。
10. 偏置電壓 (Bias Voltage)
定義：偏置電壓是感應電極電壓值和參考電極電壓值的差，即Vbias=VS-VR，如上圖。
偏置電壓是隨便定義的嗎？
不是的。不同氣種的傳感器對應的是不同的偏置電壓：
1. 偏置電壓為零的傳感器有CO、H2S、SO2、H2、Cl2、NO2、PH3、SiH4、AsH3、ClO2、COCl2、F2、HCN、HF、O3、B2H6、SeH2、TBM和THT。
2. 偏置電壓為+300mV的傳感器有NO、ETO。盛密的HCL傳感器是+200mV偏壓的。
3. 有一種傳感器是-600mV偏壓的，它就是三電極氧氣泵原理的O2傳感器。
VS和VR是隨便選擇的嗎？
不是的。無論VS還是VR都不要選擇電源的上軌和下軌，而要離上軌和下軌一定的安全距離，例如0.7V的電壓差。只有這樣，才能讓傳感器的線性達到最佳。
Vbias的精度應該選擇多少？
為了保證儀表信號的一致性，我推薦Vbias的精度在±10mV之內。
11. 壓力范圍(Pressure Range)
定義：EC傳感器能夠正常工作的大氣壓范圍，通常用mBar來表示。
注：一個標準大氣壓是101.3kPa，合1013mBar。
當壓力變化的時候，傳感器讀數會如何變化？
一般來說，當壓力緩慢變化的時候，傳感器的靈敏度會呈線性變化。
當壓力快速變化的時候，傳感器讀數會如何變化呢？
一般說來，傳感器從常壓快速變化到高壓的時候，靈敏度會瞬間變高，然后恢復到正常讀數。這樣的現象也同樣出現在將傳感器從高溫轉移到低溫環境的時候，其原理是一樣的。
當傳感器從高壓快速變化到低壓的時候，靈敏度會瞬間變低，然后恢復到正常的讀數。這樣的現象也同樣出現在將傳感器從低溫轉移到高溫環境的時候，其原理是一樣的。
為什么氧氣傳感器在壓力變化的時候，讀數變化特別明顯？
這是O2傳感器固有的一個現象。但這種現象會20sec之內消失。
12. 濕度范圍(Humidity Range)
定義：傳感器能夠正常工作的濕度范圍。
問：在什么環境下，EC傳感器壽命最長？
答：對于EC傳感器來說，最適宜的溫度和濕度是20℃和50%RH。在這個溫度和濕度的時候，傳感器內部既不會吸水，也不會失水，傳感器的壽命最長。
EC傳感器最怕什么溫度和濕度環境？
EC傳感器最怕的是高溫高濕和高溫低濕環境。在高溫高濕的環境下，傳感器內部迅速吸收環境中的水分，最終電解液稀釋，并漏出傳感器，造成失效。在高溫低濕的環境下，傳感器內部迅速失水，最終電解液干涸，造成失效。
在現實環境中，哪些場合是高濕或低濕的呢？
高濕環境包括：煤礦、地下金屬和非金屬礦、下水道、熱帶雨林地區。低濕的環境包括：一些降水少的戈壁和沙漠地區，例如中東和中國西北。銷售到這些地區的EC傳感器和儀表壽命都不會很長，需要加強售后服務。
在高濕和低濕地區，如何選用EC傳感器呢？
需要選用電解液容量較大的傳感器，例如7系列固定儀表專用傳感器和3系列排放檢測級傳感器。因為這兩種傳感器體積大，內部電解液也較多，所以，耐干和耐濕性能都比體積小的傳感器好得多。
13. 長期漂移(Long Term Output Drift)
定義：傳感器的靈敏度隨著時間的變化的量，一般以%來表示。
EC傳感器的靈敏度一般是會上升還是下降？
如果殼體完好無損的話，EC傳感器的靈敏度一般都是下降的。例如含鉛的氧氣傳感器，其靈敏度會隨著時間不斷下降。但長效無鉛的氧氣傳感器靈敏度下降的速度會慢很多，在5年之內信號下降不超過5%。
如果發現某傳感器靈敏度大幅上升，會是什么問題？
如果發現靈敏度大幅上升的不正常現象，有可能是傳感器殼體損壞了。有氣體漏進傳感器，造成輸出電流增大。這種現象一般發生在氧氣傳感器上。但是，在斷定“靈敏度大幅上升”之前，需要讓傳感器平衡時間超過24小時，不要在上電幾分鐘之內就斷定傳感器靈敏度上升了。對于絕大多數傳感器，在上電的最初幾分鐘，輸出信號都會比正常工作的時候大些。
傳感器靈敏度下降多少，就需要更換了？
為確保安全，當傳感器靈敏度下降1/3就必須更換傳感器了。下面是盛密4H2S-100型號的傳感器半年的測試數據，測試條件為45℃，90%RH。
14. 保存溫度(Storage Temperature)
定義：傳感器在沒有使用的時候，對傳感器壽命最有利的溫度。EC傳感器最合適的保存溫度是0℃ ~ 20℃。
如果采購來的傳感器長期不用，是不是需要買一個冰箱儲存傳感器？
最好有一個冰箱，放在冷藏室，而不要放在冷凍室。但將傳感器拿出冰箱時要注意，不要立即打開包裝，因為此時打開包裝，傳感器內外會有冷凝水產生。其實茶葉柜會是一個比較好的選擇，因為茶葉柜的溫度大約4℃，非常適合放電化學傳感器。
用戶買到儀器后，會將儀表和傳感器放在庫房中，過很長時間才會拿出來用。需要提醒用戶什么呢？
請在儀表使用說明書中注明，儀表需要放在沒有陽光直射，溫度較低的地方，最好保持在0℃ ~ 20℃。
工作溫度和保存溫度之間有什么區別呢？
EC傳感器的工作溫度一般都在-40℃ ~ 50℃之間，根據型號不同，在常溫情況下，壽命短則7個月，長則5年。而保存溫度是讓傳感器在開包裝之前，壽命盡量延長。
下面介紹一系列對儀表研發人員密切相關的參數——本質安全相關參數。這部分比較難懂，是專門為硬件工程師和認證工程師準備的“干貨”。相關標準可以參考GB3836.4和IEC60079-11。
15. 開路電壓(Open Circuit Voltage)
定義：當傳感器開路時，感應電極和對電極之間能達到的最高電壓差。
這個參數有什么用?
當儀表在拿本質安全認證的時候，認證機構會假設儀表內的有源器件是開路的，當它瞬間短路的時候所能達到的最高電壓除以回路中的電阻得到最大電流，然后計算放電的功率，放電的能量，為本質安全的評估提供參考。EC傳感器是有源器件，是必須考察的對象。
如何避免產生最大開路電壓?
要分成兩類傳感器進行討論:
1. 含鉛氧氣傳感器。在氧氣傳感器的兩端有效連接負載電阻，使傳感器兩個電極時刻保持導通狀態，只要不將傳感器拔出，最大開路電壓就不會產生。
2. 控電位型EC傳感器。適當選擇連在感應電極上的負載電阻，只要開路電壓經過負載電阻之后不至于打出電火花就可以了。
EC傳感器的最大開路電壓能夠到多少伏?
含鉛氧氣傳感器的最大開路電壓是0.9V；毒氣傳感器的最大開路電壓是1.2V。這個實驗用戶自己也可以做，不過至少要測量10個樣品哦。
16. 最大短路電流(Short Circuit Current)
定義：當傳感器短路時，感應電極和對電極之間能達到的最高電流值。
這個參數有什么用?
當儀表在拿本安認證的時候，電路上如果沒有限流電阻，認證機構會假設儀表內的非電阻器件都是可以短路的，評估傳感器瞬間短路的時候所能達到的最高電流是否會產生電火花，為本質安全的評估提供參考。EC傳感器是有源器件，是必須考察的對象。
如何避免產生最大短路電流?
和EC傳感器三個電極連接的3根線，最好有隔離電阻作限流。
EC傳感器的最大短路電流能夠到多少安培?
含鉛氧氣傳感器的最大短路電流是0.5A；毒氣氧氣傳感器的最大短路電流是1A。具體請參看傳感器的規格書。
17. 交叉干擾(Cross Sensitivity)
定義：檢測某特定氣體的EC傳感器對其它氣體也有響應，并不能做到對單一氣體響應。簡寫“X$”。
問：傳感器規格書最后的交叉干擾表準嗎？
不準。傳感器制造廠商為了盡可能地免責，會將X$寫得大一些。但這些數字并不是隨意放大的，廠家會根據至少3個批次的傳感器，根據統計規律，確定最大的X$系數。
X$系數如何解讀?
第一列是干擾氣體，第二列是測試時干擾氣體的濃度，第三列是干擾氣體在本傳感器的響應校正因子。校正因子大于1的代表該氣體在此傳感器上的響應值比環氧乙烷小，校正因子小于1的代表該氣體在此傳感器上的響應值比環氧乙烷大。
如果干擾氣體濃度不固定，X$的系數會固定嗎？
一般說來，在干擾氣體濃度較小的時候，X$系數相對固定，但隨著濃度的增加，X$也會變化。因此，靠X$來測非目標氣體是沒有保證的。
18. 干擾氣體過濾器(Filter)
定義: EC傳感器為過濾掉一些干擾氣體，會在傳感器內部放置物理的或化學的過濾器，從而盡量減少交叉干擾。
EC傳感器上有一層白色的膜，它有過濾干擾氣體的作用嗎？
沒有。白色的膜是透氣防水膜，有透氣、防塵和防水的作用，對干擾氣體沒有過濾作用。干擾氣體的過濾膜在傳感器內部，不打開是看不到的。
一般的傳感器內置過濾膜能過濾些什么氣體?
一般的過濾膜能過濾掉一些吸附性強的氣體，例如H2S、SO2和NO2。象H2和CO這樣的小分子氣體、非吸附性的氣體是過濾不掉的。
內置的過濾器會失效嗎?
會失效。無論是物理方法還是化學方法的過濾器，都會失效。所以EC傳感器不能長時間在有干擾氣體的環境中工作。當物理過濾器吸附飽和了，或化學過濾器反應耗盡了，也就不具有過濾干擾氣的作用了。
全文完。
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