电化学气体传感器具有检测气体种类多、浓度范围宽、体积小、价格低、测量精度较高、可用于现场检测等优点，在环境监测与安全生产等领域得到了广泛应用。如何进一步提升电化学传感器性能，是业内普遍关注的问题。其中，象所有其它原理的气体传感器一样，在测量混合气体时，如何避免交叉干扰，即最大程度降低干扰气体对目标气体测量的影响，尽量提高目标气体测量精度，是近年来电化学传感器研制方面一个重要的发展方向。本文仅就这一问题做一简单介绍。

电化学气体传感器原理

图一为一常见的三电极电化学传感器的原理图：在筒状传感器池体内，安装工作电极（WE）、对电极（CE，亦称“计数电极”）和参比电极（RE），在电极之间充满电解液，在传感器顶部封装有微孔透气隔膜，气体通过隔膜渗透入传感器内部。前置放大器与传感器电极的连接，在电极之间施加了一定的电位，使传感器处于工作状态。渗透入传感器内部的气体与电解质内的工作电极发生氧化（大多数气体）或还原反应，在对电极发生还原或氧化反应，电极的平衡电位发生变化，变化值与气体浓度成正比（比如说，某一型号的CO传感器，对应于1ppm的CO，其额定输出是0.07uA/ppm），从而直接测量出气体的浓度。

图一

从以上原理我们可以看出，电化学传感器是直接响应气体的体积浓度变化，而不是响应其压力的变化。

交叉干扰的概念及危害

交叉干扰（亦称“交叉敏感”）是和传感器对目标气体的特效性及选择性相关的一个概念，指的是传感器对非目标气体的干扰气体也有反应，从而导致读数误差（偏高或者偏低）。显而易见，交叉干扰从根本上直接影响测量值的准确度，是一定要重视、解决的问题。

交叉干扰，依干扰气体在传感器中反应的特性而定可分为负交叉干扰（干扰气体降低讯号输出）或者正交叉干扰（干扰气体增加讯号输出）；正交叉干扰会导致读数虚高，让操作人员产生误判；而从安全的角度考虑，在对毒害气体进行监测时，负交叉干扰甚至较之正交叉干扰问题更大一些，因为它将降低目标气的响应讯号，导致延误报警。

一般认为传感器对干扰气在其浓度临界值水平以内均呈线性响应。

表一为某一型号CO电化学传感器的交叉干扰数据：

表一

如表一示，对这一型号的CO传感器来讲，H₂S、NO₂、 H₂是干扰气体，其中NO₂是较严重的负交叉干扰，H₂是非常严重的正交叉干扰。

需要特别说明的是，对几乎所有的电化学CO传感器来讲，H₂都是非常严重的正交叉干扰，所以在测试可能混有未完全燃烧残余H₂的烟气中的CO浓度时，一定要选用具有“氢气补偿”功能（下文会具体介绍）的CO传感器。这一点对燃气具行业的烟气测试非常重要，这也是之前行业内某一型号的国产烟气分析仪测量的CO值经常偏高的具体原因。

如何将交叉干扰的影响降到最低

目前比较成熟通用的措施有四种：

• 选择特性电极材料及改进催化剂：这有利于提高传感器的选择性，从根本上降低交叉干扰；同时在每一电极上的反应大多是可以双向进行的，而选定特殊的电极材料、提高贵金属催化剂的活性也可以进一步催化反应的某一方向，提高传感器的灵敏度和缩短响应时间。
• 施加“偏置”电压：针对某些气体（如NO）的测试，控制工作电极的工作电位、给传感器施加一“偏置”电压使得工作电极在较参比电极电位更正的条件下工作，从而使得电化学反应活性较低的气体也能被氧化或者被还原；实验表明，在施加“偏置”电压后，除了改进传感器的灵敏度、响应时间等指标外，交叉干扰的情况也得到了改善。
• 内置化学过滤器：针对特定的应用场合和测试任务，特别设计的化学过滤器可以通过与干扰气体发生化学反应或将之吸附从而选择性的除去干扰气体，如烟气测试用CO传感器内置过滤器可以除去NO、NO2、H2S、SO2等干扰气体，烟气测试用的NO传感器内置过滤器可以除去SO2。

图二即为装置有化学过滤器的某一型号CO传感器。

图二

显而易见，内置过滤器的的材料寿命是有限的，但一般来讲，过滤器和传感器的期望寿命相当。这是因为，内置过滤器被放置在扩散栅板的后面，而气体通过栅板进入的可能性比通过气体主通道要小得多，因此小量的化学物质能够使用很长的时间。但在某些恶劣条件下，这可能比较困难，所以一般推荐使用带有可更换内置过滤器的传感器。同时，一些最新型号的气体分析仪，如德图340型烟气分析仪，其传感器所用的内置过滤器，除了性能更优越外，也更智能化，在主机菜单中可直接显示其预期剩余工作寿命，对用户来讲就更方便了。

• 内置交叉干扰系数自动补偿：这是建立在大量实验数据基础上的一种解决方法，即在传感器的生产过程中已经用标准气测试过该传感器针对某些干扰气体的交叉干扰系数，并将该系数内置于传感器的设置中，在测量时即可进行自动补偿。

需要注意的是，实验表明，即使是同一型号、同一生产批次的传感器，其针对某一干扰气体的交叉干扰系数彼此之间也是有差异的。著名的电化学传感器生产商City的测试表明，这一差异最大甚至有可能达到50%。同时，某些通用型号的的气体传感器，即使已内置了对某些干扰气体的交叉干扰系数，但它可能会被装在各种用途、型号的气体分析仪上，用于测试千差万别的气氛，就有可能出现覆盖不到的情形，导致测试偏差。

因此，一些负责任的厂家，都是选用真正适应于测试用途的专用传感器，并对每一只传感器都进行单独测试并内置交叉干扰系数。比如说，国内燃气具行业用的比较多的德国德图的各型号的烟气分析仪，都是这样进行处理的。

       CO传感器的氢气补偿问题

       如上文所述，对于大多数电化学CO传感器来讲，氢气是严重干扰气体，其交叉干扰系数甚至可以达到60%！显然，较之其它干扰气体，需要采用更彻底的解决办法。这可以通过在三极传感器的基础上引入第四极“辅助电极”从而进行氢气补偿来得到解决。

       具体来讲，当含有一氧化碳和氢的混合气体通入传感器时，一氧化碳和氢气在工作电极发生反应，不过一氧化碳反应完全而氢气只部分反应，剩余氢气分流至辅助电极，这样工作电极上产生的信号反映的是两种气体的浓度，而辅助电极上产生的信号只反映了氢气的浓度，这样将它们相减就可得出一氧化碳浓度。这个过程是由一个模拟电路或一个微处理软件来完成的。

    实验表明，经过以上氢气补偿处理后，氢气的交叉干扰系数可以降低到1%以下，效果是非常显著的！

    补充及其它

    近年来，电化学气体传感器的研制得到了长足的发展，在抗干扰方面尤其如此。除了抗干扰气体交叉干扰外，针对环境及被测气体的温度、湿度、压力等参数（尤其是极限条件下，或者这些参数快速变化情形下）带来的干扰，业内都多有理论研讨或者工艺实践。从而，以电化学气体传感器为测试元件的各种气体分析仪，也得到了日益广泛的应用。

    有趣的是，现在有厂商利用电化学气体传感器交叉干扰这一特性，研制了可同时测量双气体甚至多气体的单一传感器，这也算是“化害为利”了！

    抗气体交叉干扰是各种原理的气体传感器普遍面临的问题，优质的电化学传感器在这方面技术、手段已很成熟、完善，同时又具有体积小、价格低的优点，因而以其为基础的各种气体分析仪有着广泛的使用范围。对应于一般性的测试任务，相信这类气体分析仪的应用也会更加普及。