氧化鋯傳感器原理

氧化鋯氧濃差電池用于實際檢測中，主要需要解決的問題是，氧化鋯檢測頭，反應(yīng)電極及將被測氣體與參比氣(空氣)嚴格隔離的問題(也叫做氧探頭的密封問題)。實際應(yīng)用過程中，最難以解決的是密封問題和反應(yīng)電極問題。

氧探頭是利用氧化鋯陶瓷敏感元件來測量各類應(yīng)用環(huán)境下的氧含量的，通過它以求實現(xiàn)工業(yè)加熱爐燃燒過程自動控制，以及熱處理可控氣氛爐對零件的質(zhì)量控制。下面介紹氧化鋯陶瓷是如何來完成測氧功能的。

氧化鋯傳感器，系直插加熱式，全不銹鋼結(jié)構(gòu). 具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好等特點。它不僅可測量鍋爐燃燒過程中殘余氧量，而且還可用于熱力學的研究，氣體制造廠氧含量的連續(xù)監(jiān)測、均熱爐燃燒過程的控制、化工廠等生產(chǎn)過程中氧量的控制分析等。它在減少環(huán)境污染、節(jié)能提高燃燒效率方面起著積極的作用，還作為工程管理和質(zhì)量控制的重要手段，在電力、石化、冶金、化肥等生活鍋爐工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。此傳感器具有測量精度高，重現(xiàn)性與互換性好，結(jié)構(gòu)牢固，使用壽命長等特點。

氧氣傳感器采用兩個氧化鋯盤，在其中間是一個密封空間。其中一個盤起的功能是可逆氧氣泵，依次充滿樣品氣和抽空此小空間。另一個盤用于測量氧分壓差比率，得到相對應(yīng)的傳感電壓。氧化鋯盤作為氧氣泵運行時，需要的700 °C 的溫度由加熱元件產(chǎn)生。氧氣泵使小空間范圍內(nèi)達到額定的最小和最大壓力所花的時間和環(huán)境中氧分壓值具有對應(yīng)關(guān)系。

氧化鋯式氧傳感器主要由氧化鋯(ZrO2)、和護套組成。氧化鋯式氧傳感器有加熱式的和非 加熱式的兩種。加熱式的氧傳感器在鋯管中間有加熱棒， 鋯管是由陶瓷體制成、固定在帶有安裝螺紋的固定套中。導(dǎo)人排插入排氣管中，它的內(nèi)表面與空氣相通，外表面與廢氣相通。鋯管的內(nèi)、外表面覆蓋一層多孔性鉑膜作電極，為防止廢氣腐蝕鉑膜，在鋯管外表面的鉑膜層上覆蓋一層多孔陶瓷層，并有一個防護套管，套管上開有槽口或孔。氧傳感器的接線端有一個金屬護套，上面開有孔，使鋯管內(nèi)表面與空氣相通，電線將鋯管內(nèi)表面鉑極經(jīng)絕緣套從傳感器引出。

氧化鋯式氧傳感器的工作原理如下:鋯管的陶瓷體是多孔體，氧氣可以滲入該多孔體固體電解質(zhì)內(nèi) 。溫度較高時，氧氣發(fā)生電離。只要鋯管內(nèi)(大氣)外(廢氣)側(cè)氧含量不一樣，存在氧濃度差，則在固體電解質(zhì)內(nèi)部氧離子從大氣一側(cè)向排氣一側(cè)擴散，使鋯管形成微電池，在鋯管鉑極間產(chǎn)生電壓。當混合氣稀時，排氣中氧含量多，兩側(cè)氧濃度差小，產(chǎn)生的電壓小;當混合氣濃時，排氣中氧含量少，CO、CH、NOx的含量較多，這些成分在鋯管外表面的鉑的催化作用下，與氧發(fā)生反應(yīng)，消耗廢氣中殘余的氧，使鋯管外表面氧濃度變成零，這樣使得鋯管內(nèi)、外兩側(cè)的氧濃度差突然增大，兩極間產(chǎn)生的電壓也增大。

因此，氧傳感器產(chǎn)生的電壓在過量空氣系數(shù)λ=1上下產(chǎn)生突變，λ>1時，氧傳感器輸出電壓幾乎為零，λ<1時，氧傳感器輸出電壓接近1V。在發(fā)動機混合氣閉環(huán)控制過程中，氧傳感器相當于一個濃度開關(guān)，根據(jù)混合氣空燃比的變化向ECU輸入寬度變化的電脈沖信號，ECU根據(jù)氧傳感器反饋信號，控制噴油量，使排氣中有害氣體的成分減到最少。