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Working principle and application characteristics of electrochemical gas sensor

来源:Drksir 时间:2023-03-23 13:41:13

Earlier electrochemical sensors date back to the 1950s, when they were used for oxygen monitoring. In the mid-1980s, small electrochemical sensors began to be used to detect a variety of different toxic gases in the PEL range, and showed good sensitivity and selectivity. At present, various electrochemical sensors are widely used in static and mobile applications for personal safety.


First, the working principle


An electrochemical sensor works by reacting with the gas under test and producing an electrical signal proportional to the concentration of the gas. A typical electrochemical sensor consists of a sensing electrode (or working electrode) and a reverse electrode, separated by a thin electrolytic layer. The gas first reacts with the sensor through tiny capillary holes, then a hydrophobic barrier, and finally reaches the electrode surface. This method allows the appropriate amount of gas to react with the sensor electrode to form a sufficient electrical signal while preventing electrolyte leakage from the sensor.


The gas diffused through the barrier reacts with the sensing electrode, which may adopt an oxidation or reduction mechanism. These reactions are catalyzed by electrode materials designed for the gas under test. A current proportional to the measured gas concentration flows between the positive and negative electrodes through a resistor connected between the electrodes. The gas concentration can be determined by measuring the current. Because of the current generated in this process, electrochemical sensors are often referred to as current gas sensors or micro-fuel cells.


In practice, due to the continuous electrochemical reaction on the electrode surface, the sensor electrode potential cannot be kept constant, which will lead to the degradation of sensor performance after a long period of time. Reference electrode is introduced to improve the sensor performance. The reference electrode is installed in the electrolyte, adjacent to the sensing electrode. A fixed stable constant potential is applied to the sensing electrode. The reference electrode can maintain this fixed voltage value at the sensing electrode. No current flows between the reference electrodes. The gas molecules react with the sensing electrode, and the reverse electrode is measured at the same time. The measurement results are usually directly related to the gas concentration. The voltage value applied to the sensing electrode enables the sensor to target the gas.


Two, the electrochemical sensor contains the following main components:


A. Breathable membranes (also known as hydrophobic membranes) : Breathable membranes are used to cover sensing (catalytic) electrodes and in some cases to control the molecular weight of gases reaching the electrode surface. Such barriers are usually made of Teflon films with low porosity. Such sensors are called coating sensors. Alternatively, it can be covered with a high-porosity Teflon film, while the capillary controls the molecular weight of the gas reaching the electrode surface. This type of sensor is called capillary sensor. In addition to providing mechanical protection for the sensor, the film also filters out unwanted particles. In order to transfer the correct molecular weight of the gas, it is necessary to select the correct pore size of the film and the capillary. The aperture size should allow sufficient gas molecules to reach the sensing electrode. The aperture size should also prevent liquid electrolyte leakage or rapid dryness.


B. Electrode: The choice of electrode material is very important. The electrode material shall be a catalytic material capable of performing semi-electrolytic reactions over long periods of time. Typically, the electrodes are made of precious metals, such as platinum or gold, which react effectively with gas molecules when catalyzed. Depending on the design of the sensor, the three electrodes can be made of different materials to complete the electrolytic reaction.


C. Electrolyte: The electrolyte must be sufficient to facilitate electrolytic reactions and effectively transfer ionic charges to the electrode. It must also form a stable reference potential with the reference electrode and be compatible with the materials used in the sensor. If the electrolyte evaporates too quickly, the sensor signal will weaken.


D. Filter: Sometimes a wash filter is installed in front of the sensor to remove unwanted gas. The selection of filters is limited, each filter has a different degree of efficiency. Most commonly used filter material is activated carbon, activated carbon can filter out most chemicals, but not carbon monoxide. By selecting the right filter material, the electrochemical sensor can be more selective to its target gas.


Electrochemical sensors can be manufactured in a variety of ways, ultimately depending on the gas to be detected and the manufacturer, however, the main characteristics of the sensors are very similar in nature. Some common characteristics of electrochemical sensors are described as follows:


1. On a three-electrode sensor, a jumper wire is usually used to connect the working electrode to the reference electrode. If it is removed during storage, it takes a long time for the sensor to remain stable and ready for use. Some sensors require bias between the electrodes, and in this case, the sensors are shipped with nine-volt battery-powered electronics. It takes 30 minutes to 24 hours for the sensors to stabilize and up to three weeks for them to remain stable.


2. Most toxic gas sensors require a small amount of oxygen to function properly. The sensor has an air hole on the back for this purpose. It is recommended to perform a recheck with the manufacturer in applications where non-oxygen background gas is used.


3. The electrolyte of the cell in the sensor is a aqueous solvent, which is isolated by a hydrophobic barrier, which prevents the leakage of the aqueous solvent. However, like other gas molecules, water vapor can cross the hydrophobic barrier. Under high humidity conditions, prolonged exposure may cause excess water to build up and lead to leakage. Under low humidity conditions, the sensor may dry out. Sensors designed to monitor high concentrations of gases have a low porosity barrier to limit the molecular weight of the gas passing through, so it is not affected by humidity. Like sensors used to monitor low concentrations of gases, this sensor has a high porosity barrier and allows the free flow of gas molecules.


Three, pressure and temperature


The electrochemical sensor is very little affected by the pressure change. However, because the pressure difference within the sensor can damage the sensor, the same pressure must be maintained throughout the sensor. Electrochemical sensors are also very sensitive to temperature, so internal temperature compensation is usually taken. But it is better to keep the standard temperature as much as possible. In general, the sensor reading is higher when the temperature is above 25°C; Below 25°C, readings are low. The temperature impact is typically 0.5% to 1.0% per degree Celsius, depending on the manufacturer and sensor type.


Iv. Selectivity


Electrochemical sensors are usually highly selective to their target gases. The degree of selectivity depends on the sensor type, the target gas, and the concentration of the gas the sensor is to detect. The best electrochemical sensor is the one that detects oxygen, which has good selectivity, reliability and long life expectancy. Other electrochemical sensors are susceptible to interference from other gases. Interference data are calculated using relatively low gas concentrations. In practical applications, the concentration of interference can be high, resulting in incorrect readings or false alarms.


Life. Expectancy


The life expectancy of an electrochemical sensor depends on several factors, including the gas to be detected and the environmental conditions in which the sensor is used. Generally, the prescribed life expectancy is one to three years. In practice, life expectancy depends mainly on the total amount of gas exposed during sensor use and other environmental conditions such as temperature, pressure and humidity.


Vi. Summary


Electrochemical sensors have very low requirements for working power supply. In fact, of all the sensor types available for gas monitoring, they have the lowest power consumption. Therefore, this sensor is widely used in mobile instruments containing multiple sensors. They are the most used sensors in finite space applications. The life expectancy of the sensor is predicted by its manufacturer based on conditions they consider normal. However, the expected life of a sensor depends heavily on environmental pollution, temperature and the humidity to which it is exposed.


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温振传感器的常见故障有哪些?

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        温振传感器作为工业设备状态监测的核心部件,其故障会直接影响数据准确性,进而导致设备异常误判或漏判。以下是其6类常见故障及具体特征,方便运维人员快速排查:        一、数据采集类故障:核心功能失效        这是最直接影响监测效果的故障,表现为无法获取温度或振动数据:        温度数据异常:显示固定值(如0℃、200℃或传感器最大量程),或与设备实际温度偏差超过±5℃(排除环境干扰后);        振动数据异常:振动值长期为0(非设备停机状态),或无规则跳变(如突然从1mm/s跳到10mm/s,无设备工况变化);        根源:多为传感器内部芯片损坏(如温度采集NTC芯片、振动压电陶瓷片故障),或信号处理电路烧毁(如长期过压、过流)。        二、安装与连接类故障:外部因素导致数据偏差        非传感器本身损坏,而是安装或接线不当引发的“假性故障”,占比超30%:        安装松动:螺栓固定型传感器未拧紧(扭矩不足,如M5螺栓未达到8N·m),导致振动传递失效——设备振动时,传感器“悬空”,数据比实际低50%以上;        接触不良:贴片式传感器未贴紧设备表面(中间有油污、灰尘),或磁吸式传感器磁力衰减(吸附力<50N),导致温度传导受阻(数据比实际低1020℃);        接线故障:信号线(如485、模拟量线)虚接、短路,或正负极接反(部分传感器无反接保护),表现为“偶尔有数据、偶尔断联”,或直接无输出。        三、环境适应性故障:恶劣工况引发性能下降        温振传感器多用于工业现场(如车间、机房),环境因素易导致故障:        高温老化:长期工作在超过传感器耐受温度的环境(如传感器额定上限85℃,实际工况95℃),会加速内部元件老化,表现为“数据漂移越来越严重”(如每月温度偏差增加1℃);        潮湿锈蚀:在高湿度(>90%RH)或有冷凝水的场景(如冷藏设备附近),传感器外壳或接线端子锈蚀,导致信号短路或接触电阻增大(振动数据波动变大);        粉尘/油污污染:粉尘进入传感器探头(如振动加速度计的敏感元件),会阻碍振动传递;油污覆盖温度探头,会减缓温度响应速度(如设备升温10℃,传感器需30秒以上才显示变化,正常应<10秒)。        四、电源与供电类故障:能量输入异常        传感器依赖外部供电(如DC1224V),供电不稳定会直接影响工作:        欠压故障:供电电压低于传感器最低要求(如额定12V,实际仅8V),导致传感器“低功耗保护”,停止数据采集,或输出数据精度下降(振动值偏差超±20%);        过压烧毁:供电电压突然飙升(如电网波动、电源模块故障,电压达30V以上),击穿传感器内部稳压电路,表现为“通电后无任何反应”(指示灯不亮、无数据输出);        电磁干扰:附近有大功率设备(如变频器、电机),未做电磁屏蔽,导致供电线路引入杂波,表现为“数据有规律波动”(如与电机启动频率同步的跳变)。        五、结构与机械类故障:物理损伤导致功能失效        多为外力或长期磨损引发,常见于设备振动剧烈的场景(如破碎机、风机):        探头损坏:温度探头(如热电偶、PT100探头)被设备机械撞击弯曲、断裂,或振动探头(如加速度计)的金属外壳变形,直接导致对应参数无法采集;        外壳破裂:传感器外壳(多为铝合金或塑料)受重物撞击、跌落(如安装时失手掉落,高度>1米),导致内部元件暴露,易受粉尘、水汽侵蚀,进而引发二次故障;        线缆老化:传感器连接线(尤其是带线缆的型号)长期随设备振动弯曲,或被油污腐蚀,导致线缆内部铜芯断裂,表现为“移动线缆时数据恢复,静止时断联”。        六、校准与漂移类故障:长期使用后的精度失效        传感器并非“一装永逸”,长期使用会出现精度漂移,属于“隐性故障”:        零点漂移:无振动、常温环境下(如设备停机,环境温度25℃),传感器显示温度≠25℃(偏差超±2℃),或振动值≠0(偏差超±0.1mm/s),且无法通过重新校准修正;        灵敏度下降:振动传感器对设备微小振动的“感知能力”变弱——如设备轴承早期磨损(振动值从0.5mm/s升至0.8mm/s),传感器仅显示从0.5mm/s升至0.6mm/s,错过故障预警时机;        根源:多为传感器内部敏感元件(如压电晶体、铂电阻)长期疲劳,或校准参数丢失(如存储芯片故障),通常需要返厂重新校准或更换元件。
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温振传感器的市场前景如何?

温振传感器的市场前景如何?

        温振传感器市场前景极为广阔,整体呈现出市场规模持续增长、应用领域不断拓展、技术创新层出不穷等显著特点。以下是针对这些特点的具体分析和详细阐述:        一、市场规模增长显著        根据168report简乐尚博的权威报告,2023年全球5G无线温振传感器市场规模已经达到了128亿美元,这一数字充分体现了市场对温振传感器的旺盛需求。而展望未来,预计到2028年,这一市场规模将飙升至547亿美元,展现出极其强劲的增长势头。在2023年至2028年的五年间,该市场的复合年增长率(CAGR)高达33.8%,这不仅表明了市场的快速增长潜力,也反映了行业发展的蓬勃活力。此外,Global Info Research的调研数据进一步佐证了这一点。数据显示,按收入计算,2024年全球5G无线温振传感器的市场规模大约为2665百万美元,而到2031年,这一数字预计将增长至4266百万美元。在2025年至2031年期间,年复合增长率(CAGR)将达到7.0%。这些数据清晰地描绘出温振传感器市场的巨大发展潜力,同时也揭示了其在全球范围内的广泛应用前景。        二、应用领域不断拓展        温振传感器最初的应用主要集中在传统的工业设备监测领域,用于检测机械设备的运行状态和健康状况。然而,随着技术的不断发展和市场需求的变化,温振传感器的应用领域逐渐扩展到了更多新兴领域,包括智能家居、环境监测、物流运输等。例如,在智能家居领域,温振传感器可以用于监测家电设备的运行状态,从而实现智能化管理和故障预警;在环境监测领域,它可以实时采集温度和振动数据,为环境保护提供科学依据;在物流运输领域,它可以帮助监控运输过程中货物的状态,确保运输安全。此外,在工业领域,温振传感器的需求也在不断增长,尤其是在能源行业(如风电、火电)、轨道交通、智能制造等细分领域。这些领域的快速发展为温振传感器提供了更加广阔的市场空间,同时也推动了行业的进一步创新和发展。        三、技术创新驱动发展        未来,温振传感器的发展将朝着多个前沿方向迈进,其中包括微型化与低功耗设计、AI与大数据融合、多功能集成、无线与自供能技术等。以5G无线温振传感器为例,它的出现解决了传统有线监测方式中布线复杂、实时性不足以及覆盖范围有限等痛点问题。通过5G技术的支持,这种传感器具备高实时性和广覆盖的特性,能够满足更多应用场景的需求。例如,在工业设备监测中,5G无线温振传感器可以实现实时数据传输和远程监控,极大地提高了监测效率和准确性。此外,AI与大数据技术的融入使得温振传感器能够进行更深层次的数据分析和预测,从而帮助企业更好地实现设备的预测性维护,降低运营成本。这些技术创新不仅提升了温振传感器的性能,还为其在更多领域的应用奠定了坚实基础。        四、政策支持力度加大        各国政府对物联网、智能制造等领域的高度重视为温振传感器行业的发展提供了良好的政策环境。例如,欧盟出台了《工业设备安全监测新规》,明确规定功率超过200kW的旋转设备必须安装实时温振监测系统,以确保设备的安全运行。在美国,职业安全与健康管理局(OSHA)将设备预测性维护纳入安全生产评分体系,进一步推动了温振传感器在工业领域的普及。在中国,《“十四五”智能制造发展规划》明确提出,到2025年前,重点行业的设备监测覆盖率需达到70%以上。这些政策的出台不仅为温振传感器行业的发展提供了强有力的政策支持,还为企业采用相关技术创造了有利条件,从而加速了市场的扩张和技术的进步。        五、降低成本提高效率        5G无线温振传感器在部署和使用方面具有显著优势,能够大幅降低企业的综合成本并提高运营效率。传统的有线温振传感器在安装过程中需要复杂的布线操作,单台设备的部署时间通常需要8小时甚至更长。而5G无线温振传感器则采用了磁吸式或螺栓固定安装方式,使单台设备的部署时间缩短至15分钟以内,部署效率得到了极大提升。与此同时,其综合部署成本也降低了70%以上,为企业节省了大量的人力和物力资源。此外,5G无线温振传感器的高精度监测能力使得故障检出率提升至92%,非计划停机时间减少了75%。这不仅有效降低了企业的运维成本,还显著提高了生产效率。正是这些显著的优势,促使越来越多的企业开始积极采用温振传感器,进一步推动了市场的快速发展。        综上所述,温振传感器市场正处于高速发展的阶段,其规模不断扩大、应用领域日益丰富、技术创新持续推进,并且受到政策的大力支持。这些因素共同构成了温振传感器行业蓬勃发展的强大动力,也为未来的市场增长奠定了坚实的基础。
2025.09.09
中国温振传感器市场潜力:五大维度解析未来增长空间

中国温振传感器市场潜力:五大维度解析未来增长空间

        在工业智能化转型的关键阶段,温振传感器作为设备状态监测的核心组件,是保障工业生产安全、提升运维效率的“刚需产品”。中国凭借全球领先的工业规模、政策端的强力支撑以及技术创新的持续突破,已成为全球温振传感器市场增长的核心引擎,其市场潜力可从以下五大维度清晰洞察。        一、市场规模:增速领跑全球,占比持续提升        中国温振传感器市场已进入“规模扩张+份额提升”的双增长阶段,数据表现尤为亮眼:        当前体量:2023年全球5G无线温振传感器市场规模达128亿美元,中国市场贡献47亿美元,占比36.7%,稳居全球最大单一市场;同期全球温振一体工业级传感器市场销售额22.01亿美元,中国市场以“亿元级”规模成为重要增长极。        未来预期:据行业预测,20232028年中国5G无线温振传感器市场年复合增长率将达39.2%,远超全球平均水平;到2030年全球温振一体工业级传感器市场规模增至33.09亿美元时,中国市场占比有望突破40%,进一步巩固领先地位。        二、政策驱动:顶层设计护航,强制标准催生需求        国家层面的政策规划与行业标准,为温振传感器市场提供了明确的增长路径:        规划引领:《“十四五”智能制造发展规划》明确提出“2025年前重点行业设备监测覆盖率超70%”,而温振传感器是设备监测的核心硬件,这一要求直接推动新能源汽车、光伏、高端装备等领域的批量采购。        标准落地:国内多地已出台地方性强制标准,例如长三角地区要求200kW以上工业电机必须加装温振监测装置,珠三角地区将温振传感器纳入家电制造设备安全考核指标,政策红利持续释放。        三、需求支撑:重点行业爆发,应用场景持续拓宽        中国庞大的工业体系为温振传感器提供了多元化的需求场景,核心行业需求尤为突出:        新能源领域:风电行业中,中国超80万台风机需对齿轮箱、轴承进行实时监测,单台风机安装温振传感器后可年均降低维护成本4.2万美元;光伏逆变器、储能电站的设备安全监测,也带动传感器需求快速增长。        传统工业升级:国家电网在特高压变电站的温振传感器部署密度达每平方公里12台;石油化工行业的压缩机、泵体,轨道交通领域的列车车轮与轴承,均需通过温振传感器实现故障预警,市场需求呈“刚性增长”。        四、技术创新:本土企业突破,产业链优势凸显        技术创新能力的提升,不仅提高了中国温振传感器的市场竞争力,也进一步打开了增长空间:        核心技术突破:本土企业在关键技术上持续发力,例如华为凭借自研5G芯片,其温振传感器在国内风电、电网市场占有率达43%;部分企业研发的新型压电材料,将振动检测精度提升15%,高精度温度传感技术可将测量误差控制在±0.1℃以内。        跨界融合升级:5G、物联网、AI技术与温振传感器深度融合,形成“传感器+数据平台”的一体化解决方案。例如某企业推出的智能温振传感器,可通过AI算法分析设备历史数据,提前180天预测故障,实现从“被动监测”到“主动预警”的转变。        五、区域布局:核心市场领跑,中西部潜力释放        中国区域经济发展特点,决定了温振传感器市场呈现“核心集聚、梯度扩散”的格局:        核心区域:华东、华南地区是当前主要需求市场,预计2030年两地市场份额占全国60%以上。其中长三角聚焦汽车制造、电子信息产业,需求以高精度温振传感器为主;珠三角侧重家电制造、装备制造,中高端传感器需求旺盛。        潜力区域:中西部地区随着产业转移加速,市场潜力逐步释放。成渝地区的电子制造、航空航天产业,中部省份的高端装备制造,均已开始大规模部署温振传感器,成为新的增长极。        总结:多轮驱动下,中国市场潜力持续释放        综合来看,中国温振传感器市场在规模增长、政策支持、需求爆发、技术创新与区域拓展的多轮驱动下,未来5-10年将保持高速增长态势。随着传统工业转型升级与新兴产业不断崛起,温振传感器的应用场景将进一步拓宽,中国不仅是全球最大的消费市场,也有望成为全球温振传感器技术创新与产业集聚的核心枢纽。
2025.09.08
东方氢能公交出征世运会,车载氢气传感器为其保驾护航

东方氢能公交出征世运会,车载氢气传感器为其保驾护航

        第十二届世界运动会将于2025年8月7日在四川成都开幕,东方氢能24辆氢燃料电池公交车将为赛事交通保障助力。这些绿色公交的安全运行,离不开车载氢气传感器的保驾护航。        一、氢气特性与传感器的重要性        氢气是氢燃料电池的核心能源,虽清洁高效,却属于易燃易爆气体。一旦泄漏并与空气混合达到一定浓度,遇明火或静电就可能引发爆炸。因此,在氢燃料电池公交车运行中,对氢气的安全监测至关重要,车载氢气传感器便承担起这一关键使命。        二、车载氢气传感器的工作与作用        车载氢气传感器如同“安全卫士”,被精准安装在氢气储存罐、供气管道及燃料电池堆等关键部位。其基于多种先进技术工作,以电化学式传感器为例,利用氢气与电解液的化学反应产生电流信号,能灵敏感知氢气浓度变化。        当氢气泄漏时,传感器可迅速捕捉并将信号传输至控制系统。控制系统会立即启动安全措施:切断氢气供应、启动通风系统降低氢气浓度,同时触发警报装置提醒人员疏散,保障安全。        在保障燃料电池稳定运行上,传感器也发挥着重要作用。它实时监测燃料电池内部氢气浓度并反馈数据,控制系统据此调整氢气供应量,确保电池处于最佳工作状态,维持公交车稳定高效运行。        此外,传感器能检测尾气中氢气浓度,帮助技术人员了解燃料电池工作状况,及时发现潜在问题,为车辆维护保养提供依据,保证车辆在赛事期间以最佳状态运行。        三、传感器的卓越特性与重要意义        此次出征的公交车配备的氢气传感器,经严格筛选与测试,具备高灵敏度、快速响应、抗干扰能力强及适应复杂环境等特性。在车辆行驶面临的振动、温度大幅变化等复杂工况下,能稳定工作,精准监测氢气浓度。        在全球倡导绿色出行、发展氢能产业的背景下,东方氢能公交搭载先进车载氢气传感器出征世运会,既展示了我国氢能源交通领域的创新成果,也为氢燃料电池汽车安全应用树立典范,助力世运会实现绿色、安全、高效的交通服务目标,为氢能源交通工具的广泛普及奠定基础。
2025.08.08
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