以鋅空氣電池製作低成本高準確度的氧氣感測器

有天看到日本的國立科學博物館舉辦一個活動,是手作氧氣感測器(手作り酸素センサ),點下連結一看,似乎是一種低成本就可以製作的氧氣感測器,這讓我好訝異。市售的氧氣感測器,價格都是數千甚至上萬,怎麼有可能可以用低成本就作出一個呢?

經過一番搜尋後,我也跟著做出來了,算一算成本真的很低,一個甚至不到100元!這是怎麼做到的?

以下是相關的連結,有興趣的可以先自己看看,發明者是東京工業高等専門学校的高橋三男老師。


這個氧氣感測器的感測原理很簡單,就是測量鋅空氣電池的電壓而已,對!就這樣而已。
一般人對鋅空氣電池應該很陌生,我也是做了這個東西才知道有這種電池,這種電池的陽極使用了鋅合金。而陰極是空氣中的氧,最常使用的地方是用在助聽器內,所以你搜尋網路賣場找助聽器電池就可以找得到了,在線上購物網站買的話,一卡是6顆,售價大約是180元上下,所以單顆價格大約30元。

使用前的電池外有貼紙貼著,撕開貼紙後,氧氣進入電池,電池開始進行化學反應而放電。當電池周圍氧氣越少,產生的電壓就會越低。而其電壓和氧氣的濃度是呈現線性關係的(這在專利文件中可以看到有實驗的數據)

電池的電壓怎麼測?不是拿三用電表直接測量,那樣測量的電壓是開路電壓,你應該加上數個電阻並聯和串聯組成負載電阻來測量電阻兩端的電壓,這個負載電阻內還有一個是可變電阻,這樣你就可以調整負載電阻的電阻值,使電壓調整到 20.9 mV之間,這個數字恰好對應環境中的氧氣值。隨後進行實驗時就可以直接觀察三用電表上的電壓值來得知現在的氧氣濃度。






這張電路圖來自專利說明書,最左邊就是感測器的核心-一枚鋅空電池,規格是PR44,不過實際去醫材行買時,你要說規格是675才可以。

圖上電阻的規格如下
R1 4.7Ω 的電阻器
R2 和 R3都是 1Ω的電阻器
Rv是 10Ω 的可變電阻

由電阻的串並聯公式來計算,這三個電阻器產生的電阻值在0.45Ω~3.25Ω之間,適合使用般的1.4的鋅空電池。但有些鋅空電池的放電電流比較大,那麼在這樣的電路上會發生很難調整到20.9mV的情況,如此就需要調整電路圖把R3拿掉,這樣合成的電阻在 0Ω 到 3.2Ω。

每個電池在剛開始撕掉貼紙後,大概都需要等待一段時間讓化學反應穩定下來,才會有比較穩定的電壓,我的經驗大概是30分鐘,所以就是撕掉貼紙等待30分鐘再校正。

既然是使用電池來當感測器,我們就很關心這個感測器的使用壽命有多長?根據高橋三男在【「酸素が見える! 」楽しい理科授業】這本書上的資料,大概可以使用數百小時,不過我自己試作了一顆,隔天就沒電了。

接下來我介紹一下我的製作過程和材料
這是我使用的電池,特地跑去賣助聽器的地方購買的,也是那邊的人告訴我這個電池的型號是675




說起來難買的反而是電池扣,在電子材料行不容易買到PR44的電池扣,後來我想到這種電池的直徑是11.6mm,高5.4mm。那我乾脆買CR1220的電池扣吧,CR1220的電池直徑12mm,高2mm,我只要找能夠塞兩顆CR1220的電池扣,就可以把PR44大小的電池塞進去吧。



買回來試用了之後,果然可以,只是是靠著小卡榫卡住而已,如果可以的話還是找一下CR44的電池扣吧。

可變電阻要找 10Ω 的規格,而且要是插板式的



以下是製作一組的材料需求表,像電阻或電池,一買就是好幾個,但實際上使用只有用一兩個。其他線材或是鱷魚夾或跳線和麵包板、電路板那些我就沒列在裏頭了。
品名規格數量價錢單價需求
微調電阻10ohm570141
電阻1ohm20180.92
電阻4.7ohm20180.91
鈕扣電池扣cr1220570141
麵包板135351
鋅空電池PR44/6756180301


這是用洞洞板自己焊一個,比較穩固


不過製作上,若是使用麵包板會是比較方便的選擇。下圖就是只是用一個1歐姆的電阻,適用於大電量的鋅空電池,像我使用的那種鋅空電池就要用這種只用一個1歐姆的版本。


如果要改成兩顆一歐姆的版本也很簡單,就把一歐姆電阻插進去就好。如果為了測量方便,也可以把電池座和麵包板用杜邦端子線連接,這樣就可以單獨將感測器(電池)伸入要測量的容器中。例如這個 ブレッドボード式 酸素センサーキット所示。(連結內也有實驗的影片)









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