基于氧化锆的高精度氧传感器

陈新喜，袁开鸿

(1．南京理工大学电子工程学院，江苏南京　210094；2．湖南铁道职业技术学院，湖南株洲　412001)

0　引言

近年来，随着人们对汽车尾气的排放，天然气和石油以及生物能源等为燃料的燃烧控制系统，钢铁等材料中微量元素的含量测定等领域的关注，气体传感器的研究成为热点问题[1-2]。现有气体传感器的研究主要有以下几种方式：非分光红外气体传感器、热导传感器、色谱分析气体传感器等[3-5]。以上方法在研究其精度时，都须采用参考气体，并且参考气室的精密度直接影响着传感器的精度，并起主要作用。

文中在此基础上，介绍一种基于氧化锆的高精度氧传感器。该传感器采用小型氧化锆基础元件为核心，不需要参考气体，因此可以去除环境的限制，去除由于参比气室带来的测量误差[6-8]。该传感器可在高温、高湿和高氧压的条件下工作，并且精度更高。

1　物理学背景及其系统原理

1．1物理学背景

分压是指在混合气体中单一气体的压力。它相当于组分气体单独占有混合气体的总体积时所呈现的压力。

由道尔顿定律可知，在理想气体中，混合气体的总压(ptotal)等于各组分气体分压(pi)之和。

(1)

由方程(1)可知，单一组分气体的粒子数(ni)与混合气体的总粒子数(ntotal)之比等于单一组分气体分压(pi)与混合气体总压(ptotal)之比。

(2)

1．2二氧化锆(ZrO2)及其应用特性

在650 ℃以上高温时，稳定的二氧化锆(氧化锆)表现出2个特性：

(1)氧化锆能部分地电解产生移动的氧离子，成为固态氧电解质，氧化锆圆片涂上多孔电极连接到一个恒定直流电流源，使周围氧气离子通过该材质传输，在阳极释放大量氧，根据法拉第电解第一定律，该氧量与被传送的电荷成正比(电化学泵吸)：

(3)

式中，i为恒流；t为时间；z为氧离子化合价；F为法拉第常数，F=96 487 C/mol．

(2)ZrO2的作用就像电解质。如果氧化锆两边的氧气压力不同，就会产生电压(奈恩斯特电压)。

1．3奈恩斯特电压

电解质两边不同的离子浓度产生的电势称为奈恩斯特电压，这个电压与2种不同的离子浓度比的自然对数成正比。

(4)

式中：kB为玻尔兹曼常数；T为温度；e0为基本电荷；c1、c2为离子浓度。

两种特性之一被使用在许多不同的氧传感器中，而该传感器同时采用这两种特性，就不需要密封参考气体，使得传感器更加广泛地用于不同的氧压场合，并且去除了由于参比气室所带来的测量误差。

2　系统框图与元件构造

2．1传感器元件硬件原理

传感器的接口电路的结构框图如图1所示，主要包括加热控制、控制电路电压整流、恒流源、可逆恒流源、输出放大与滤波处理、电压参考与比较、信号调节与输出等环节[9-11]。

图1　接口电路结构框图

传感器的敏感元件需要达到需要的温度才能发挥特性，这就需要4 V或者4.35 V的直流电压 ，且测量电路必须尽可能地靠近传感器，因为低阻值的传感器需要很高的电流，这将在连接器和连接线上产生压降，所以可调电压源需要至少提供2 A的电流和产生极小的噪声。此外，因为氧化锆只有在650 ℃以上才表现特性，低于这个温度，氧化钴的阻抗增加是很明显的。因此，敏感元件未预热的情况下一定不能抽放电流，因为恒流源会试图产生必要的电压，这个电压产生的影响类似与零氧分压，这将导致传感器的损坏，因此在传感器控制电路供电之前，必须至少预热60 s．

在输出放大和滤波环节，因为传感器的奈恩斯特电压只是mV级的，实际应用会将此电压放大到一个更加敏感的操作范围，输出阻抗应该尽可能高，缓冲放大信号的噪音应该用低通滤波截断750 Hz的频率，重要的一点是不能对mV级的奈恩斯特滤波，因为这将装载传感器的负载电阻。

系统框图如图2所示。

图2　系统框图

2．2传感器元件构造

传感器核心元件是传感元件，由2个二氧化锆方片组成，二氧化钴方片上涂有一层薄薄的多孔铂金作为电极，铂电极提供被测氧气所需的催化剂，允许氧离子在氧化锆中输入输出。图3为传感元件及截面图。

图3　传感元件以及截面图

这两个氧化锆方片通过铂金环隔开，形成一个密封的传感室，在外表面另有2个铂金环，连同中间的铂金环一起给元件提供电气连接。外面的氧化铝圆片起到过滤并防止任何颗粒进入传感器，以及除掉任何未燃尽气体的作用。这可以避免产生不稳定的测量读数。元件组件由一个加热器线圈包围，加热至工作所需的700 ℃，元件和加热器一起被封在一个多孔不锈钢壳里以过滤较大粒子和灰尘，也可保护传感器不受机械损伤。

3　系统测试与信号处理进程

3．1系统测试

系统的测试环节如图4所示。V1～V5所对应的奈恩斯特电压值如表1所示。

图4　传感器测试环节图

表1　阈值对应的奈恩斯特电压值

3．2信号处理进程

氧传感器启动例行程序时，每次都需要切换传感器关闭或启动电源循环。如果启动传感器泵电流控制信号时，检测单元的二氧化锆是冷的，这将有助于防止不可逆的氧传感器损害。在系统初始化时，重要的是确保泵电流和信号处理被停用。启动例行程序流程图如图5所示。

启动后第一个过程应确保加热器启用升温。开始加热延时60 s．延时完成以后开启泵电流控制信号和信号处理工程，以允许传感器开始泵循环。

某些应用可能需要停止传感器以保证在操作过程中的安全性、维护或能量效率。正确的停止程序如图6所示。

图5　启动例行程序流程

图6　停止例行程序流程

第一个进程应该是关闭泵电流控制信号和信号处理。加热器关闭，进行冷却延时。当然，系统降温延迟是一个可选的进程，它的选择取决于对应用的要求。目的是防止在潮湿的环境下，关机过程中在传感器上形成冷凝。

其性能参数指标见表2。

表2　性能参数表

4　实验室测试数据及结论

在实验室进行了长期的验证试验，对其中的一批传感器，在不同的条件下，根据测量值，对标准值进行了比较，其测量数据如表3所示。测量结果显示，符合传感器设计的性能参数精要求，精度高。

表3　实验室测量数据

参考文献：

[1]路顺，林健，陈江翠．氧化锆氧传感器的研究进展．仪表技术与传感器，2004(3)：1-4．

[2]夏风，钱晓良．氧传感器的工作原理及应用．传感器技术，2001，20(5)：12-15．

[3]简家文，张益康．汽车用氧传感器的工作原理以及应用．传感器技术，2002，21(3)：55-57．

[4]李颖林．氧传感器．汽车维修与保养，2004 (4)：38-41．

[5]耿卫芹，钱晓良．氧传感器的失效与防护．传感器技术，2002，21(10)：8-10．

[6]文华，朱玉琛，张玉广，等．氧传感器的发展与应用．舰船防化．2008 (3)：15-18．

[7]武强，刘其中，褚雷阳．极限电流型氧传感器的研究．传感器与微系统，2006，25(6)：46-48．

[8]石敏，刘宁．ZrO2基固体电解质氧传感器的研究现状及发展趋势．合肥工业大学学报，2003，26(3)：388-392．

[9]路顺，林健，张舜．ZrO2氧传感器多孔保护层研究．玻璃与搪瓷，2006，34(5)：7-10．

[10]申长江．氧传感器的发展过程．世界汽车，2002(9)：22-24．

[11]赵青，常爱民，巴维真．汽车用氧传感器介绍与研究进展．仪表技术与传感器，2002(11)：6-10．