三电极电化学传感器等效电路模型的研究

论文摘要

目前,电路仿真在电路设计与实现过程中是非常重要的一个步骤,因为仿真分析不仅可以缩短研发时间,而且可以降低研究费用。电化学传感器本身没有仿真模型,因此构建可用于电路仿真分析的传感器的等效电路模型显得十分重要。等效电路模型要能够体现电化学传感器的特性,并且能够用于仿真分析。目前化学领域对传感器等效电路模型的研究主要是用于电化学反应机理的分析,而电学领域的研究使用的等效电路模型为通用的简化模型,不能很好的体现特定传感器的特性,因此针对COD在线监测仪使用的BDD膜电极构建特定的等效电路模型十分必要。本文在总结了电学和化学领域对于传感器等效电路模型研究的基础上,使用交流阻抗法构建了可用于电路仿真分析的电化学传感器等效电路模型。首先,对BDD膜电极进行了电学和化学特性测试评估,以验证BDD膜电极的质量；第二,通过交流阻抗实验获得交流阻抗数据,并使用Zview软件对其进行等效电路拟合,获得初步的等效电路模型；第三,等效电路模型的转换和化简,对等效电路的阻抗进行频域分析,分别获得可用于电路仿真的低频模型和高频模型；第四,对等效电路元件特性进行分析,并对元件值随着溶液浓度变化的规律进行总结,便于电路仿真时的参数设置；最后,使用等效电路低频模型对恒电位电路进行直流工作点仿真,使用等效电路高频模型对恒电位电路进行稳定性仿真,对比仿真结果与实验结果,验证等效电路模型的可等效替代性。结果表明本研究构建的等效电路模型可以很好地体现传感器的特性并可用于电路仿真分析,具有很好的可等效替代性。本论文使用交流阻抗法构建了以BDD膜电极为工作电极的三电极电化学传感器的等效电路模型,通过恒电位电路直流工作点仿真与实际电流测量实验结果比较,误差为7.02%,具有很好的可等效替代性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.3 本文研究目的及论文结构
• 2 相关理论及技术介绍
• 2.1 三电极电化学传感器特性测试方法介绍
• 2.1.1 电化学传感器化学特性测试方法介绍
• 2.1.2 电化学传感器电学特性测试方法介绍
• 2.2 电化学阻抗谱介绍
• 2.3 电路系统稳定性补偿方法介绍
• 2.3.1 电路系统稳定性判定方法
• 2.3.2 电路系统稳定性补偿方法
• 3 三电极电化学传感器的测试分析
• 3.1 电化学传感器的特性测试与分析
• 3.2 电化学传感器的化学特性测试与分析
• 3.3 电化学传感器的电学特性测试与分析
• 3.3.1 线性度
• 3.3.2 灵敏度
• 3.3.3 重复性
• 3.3.4 精度
• 3.4 小结
• 4 三电极电化学传感器等效电路模型构建
• 4.1 三电极电化学传感器等效电路研究的目标及技术路线
• 4.1.1 三电极电化学传感器等效电路研究的目标
• 4.1.2 三电极电化学传感器等效电路模型研究的技术路线
• 4.2 交流阻抗实验
• 4.2.1 交流阻抗实验介绍
• 4.2.2 交流阻抗实验结果与讨论
• 4.3 三电极电化学传感器等效电路模型的构建
• 4.3.1 等效电路理论模型的推导
• 4.3.2 等效电路的拟合结果
• 4.4 等效电路元件分析与规律总结
• 4.4.1 法拉第阻抗和电极极化电阻
• 4.4.2 电层电容和CPE元件
• 4.4.3 溶液电阻和Warburg阻抗
• 4.5 等效电路模型转换
• 4.6 小结
• 5 三电极电化学传感器等效电路模型的仿真应用
• 5.1 直流工作点仿真及实验对比
• 5.1.1 直流工作点仿真
• 5.1.2 电流测量实验
• 5.1.3 误差分析
• 5.2 恒电位电路系统稳定性补偿及仿真分析
• 5.2.1 恒电位电路系统的稳定性补偿
• 5.2.2 恒电位电路系统的稳定性仿真分析
• 5.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢