陳新喜，袁開(kāi)鴻

(1．南京理工大學(xué)電子工程學(xué)院，江蘇南京　210094；2．湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲　412001)

0　引言

近年來(lái)，隨著人們對(duì)汽車尾氣的排放，天然氣和石油以及生物能源等為燃料的燃燒控制系統(tǒng)，鋼鐵等材料中微量元素的含量測(cè)定等領(lǐng)域的關(guān)注，氣體傳感器的研究成為熱點(diǎn)問(wèn)題[1-2]。現(xiàn)有氣體傳感器的研究主要有以下幾種方式：非分光紅外氣體傳感器、熱導(dǎo)傳感器、色譜分析氣體傳感器等[3-5]。以上方法在研究其精度時(shí)，都須采用參考?xì)怏w，并且參考?xì)馐业木芏戎苯佑绊懼鴤鞲衅鞯木?，并起主要作用?/p>

文中在此基礎(chǔ)上，介紹一種基于氧化鋯的高精度氧傳感器。該傳感器采用小型氧化鋯基礎(chǔ)元件為核心，不需要參考?xì)怏w，因此可以去除環(huán)境的限制，去除由于參比氣室?guī)?lái)的測(cè)量誤差[6-8]。該傳感器可在高溫、高濕和高氧壓的條件下工作，并且精度更高。

1　物理學(xué)背景及其系統(tǒng)原理

1．1物理學(xué)背景

分壓是指在混合氣體中單一氣體的壓力。它相當(dāng)于組分氣體單獨(dú)占有混合氣體的總體積時(shí)所呈現(xiàn)的壓力。

由道爾頓定律可知，在理想氣體中，混合氣體的總壓(ptotal)等于各組分氣體分壓(pi)之和。

(1)

由方程(1)可知，單一組分氣體的粒子數(shù)(ni)與混合氣體的總粒子數(shù)(ntotal)之比等于單一組分氣體分壓(pi)與混合氣體總壓(ptotal)之比。

(2)

1．2二氧化鋯(ZrO2)及其應(yīng)用特性

在650 ℃以上高溫時(shí)，穩(wěn)定的二氧化鋯(氧化鋯)表現(xiàn)出2個(gè)特性：

(1)氧化鋯能部分地電解產(chǎn)生移動(dòng)的氧離子，成為固態(tài)氧電解質(zhì)，氧化鋯圓片涂上多孔電極連接到一個(gè)恒定直流電流源，使周圍氧氣離子通過(guò)該材質(zhì)傳輸，在陽(yáng)極釋放大量氧，根據(jù)法拉第電解第一定律，該氧量與被傳送的電荷成正比(電化學(xué)泵吸)：

(3)

式中，i為恒流；t為時(shí)間；z為氧離子化合價(jià)；F為法拉第常數(shù)，F(xiàn)=96 487 C/mol．

(2)ZrO2的作用就像電解質(zhì)。如果氧化鋯兩邊的氧氣壓力不同，就會(huì)產(chǎn)生電壓(奈恩斯特電壓)。

1．3奈恩斯特電壓

電解質(zhì)兩邊不同的離子濃度產(chǎn)生的電勢(shì)稱為奈恩斯特電壓，這個(gè)電壓與2種不同的離子濃度比的自然對(duì)數(shù)成正比。

(4)

式中：kB為玻爾茲曼常數(shù)；T為溫度；e0為基本電荷；c1、c2為離子濃度。

兩種特性之一被使用在許多不同的氧傳感器中，而該傳感器同時(shí)采用這兩種特性，就不需要密封參考?xì)怏w，使得傳感器更加廣泛地用于不同的氧壓場(chǎng)合，并且去除了由于參比氣室所帶來(lái)的測(cè)量誤差。

2　系統(tǒng)框圖與元件構(gòu)造

2．1傳感器元件硬件原理

傳感器的接口電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括加熱控制、控制電路電壓整流、恒流源、可逆恒流源、輸出放大與濾波處理、電壓參考與比較、信號(hào)調(diào)節(jié)與輸出等環(huán)節(jié)[9-11]。

圖1　接口電路結(jié)構(gòu)框圖

傳感器的敏感元件需要達(dá)到需要的溫度才能發(fā)揮特性，這就需要4 V或者4.35 V的直流電壓 ，且測(cè)量電路必須盡可能地靠近傳感器，因?yàn)榈妥柚档膫鞲衅餍枰芨叩碾娏?，這將在連接器和連接線上產(chǎn)生壓降，所以可調(diào)電壓源需要至少提供2 A的電流和產(chǎn)生極小的噪聲。此外，因?yàn)檠趸喼挥性?50 ℃以上才表現(xiàn)特性，低于這個(gè)溫度，氧化鈷的阻抗增加是很明顯的。因此，敏感元件未預(yù)熱的情況下一定不能抽放電流，因?yàn)楹懔髟磿?huì)試圖產(chǎn)生必要的電壓，這個(gè)電壓產(chǎn)生的影響類似與零氧分壓，這將導(dǎo)致傳感器的損壞，因此在傳感器控制電路供電之前，必須至少預(yù)熱60 s．

在輸出放大和濾波環(huán)節(jié)，因?yàn)閭鞲衅鞯哪味魉固仉妷褐皇莔V級(jí)的，實(shí)際應(yīng)用會(huì)將此電壓放大到一個(gè)更加敏感的操作范圍，輸出阻抗應(yīng)該盡可能高，緩沖放大信號(hào)的噪音應(yīng)該用低通濾波截?cái)?50 Hz的頻率，重要的一點(diǎn)是不能對(duì)mV級(jí)的奈恩斯特濾波，因?yàn)檫@將裝載傳感器的負(fù)載電阻。

系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)框圖

2．2傳感器元件構(gòu)造

傳感器核心元件是傳感元件，由2個(gè)二氧化鋯方片組成，二氧化鈷方片上涂有一層薄薄的多孔鉑金作為電極，鉑電極提供被測(cè)氧氣所需的催化劑，允許氧離子在氧化鋯中輸入輸出。圖3為傳感元件及截面圖。

圖3　傳感元件以及截面圖

這兩個(gè)氧化鋯方片通過(guò)鉑金環(huán)隔開(kāi)，形成一個(gè)密封的傳感室，在外表面另有2個(gè)鉑金環(huán)，連同中間的鉑金環(huán)一起給元件提供電氣連接。外面的氧化鋁圓片起到過(guò)濾并防止任何顆粒進(jìn)入傳感器，以及除掉任何未燃盡氣體的作用。這可以避免產(chǎn)生不穩(wěn)定的測(cè)量讀數(shù)。元件組件由一個(gè)加熱器線圈包圍，加熱至工作所需的700 ℃，元件和加熱器一起被封在一個(gè)多孔不銹鋼殼里以過(guò)濾較大粒子和灰塵，也可保護(hù)傳感器不受機(jī)械損傷。

3　系統(tǒng)測(cè)試與信號(hào)處理進(jìn)程

3．1系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)的測(cè)試環(huán)節(jié)如圖4所示。V1～V5所對(duì)應(yīng)的奈恩斯特電壓值如表1所示。

圖4　傳感器測(cè)試環(huán)節(jié)圖

表1　閾值對(duì)應(yīng)的奈恩斯特電壓值

3．2信號(hào)處理進(jìn)程

氧傳感器啟動(dòng)例行程序時(shí)，每次都需要切換傳感器關(guān)閉或啟動(dòng)電源循環(huán)。如果啟動(dòng)傳感器泵電流控制信號(hào)時(shí)，檢測(cè)單元的二氧化鋯是冷的，這將有助于防止不可逆的氧傳感器損害。在系統(tǒng)初始化時(shí)，重要的是確保泵電流和信號(hào)處理被停用。啟動(dòng)例行程序流程圖如圖5所示。

啟動(dòng)后第一個(gè)過(guò)程應(yīng)確保加熱器啟用升溫。開(kāi)始加熱延時(shí)60 s．延時(shí)完成以后開(kāi)啟泵電流控制信號(hào)和信號(hào)處理工程，以允許傳感器開(kāi)始泵循環(huán)。

某些應(yīng)用可能需要停止傳感器以保證在操作過(guò)程中的安全性、維護(hù)或能量效率。正確的停止程序如圖6所示。

圖5　啟動(dòng)例行程序流程

圖6　停止例行程序流程

第一個(gè)進(jìn)程應(yīng)該是關(guān)閉泵電流控制信號(hào)和信號(hào)處理。加熱器關(guān)閉，進(jìn)行冷卻延時(shí)。當(dāng)然，系統(tǒng)降溫延遲是一個(gè)可選的進(jìn)程，它的選擇取決于對(duì)應(yīng)用的要求。目的是防止在潮濕的環(huán)境下，關(guān)機(jī)過(guò)程中在傳感器上形成冷凝。

其性能參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2　性能參數(shù)表

4　實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了長(zhǎng)期的驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)其中的一批傳感器，在不同的條件下，根據(jù)測(cè)量值，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行了比較，其測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。測(cè)量結(jié)果顯示，符合傳感器設(shè)計(jì)的性能參數(shù)精要求，精度高。

表3　實(shí)驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)

參考文獻(xiàn)：

[1]路順，林健，陳江翠．氧化鋯氧傳感器的研究進(jìn)展．儀表技術(shù)與傳感器，2004(3)：1-4．

[2]夏風(fēng)，錢(qián)曉良．氧傳感器的工作原理及應(yīng)用．傳感器技術(shù)，2001，20(5)：12-15．

[3]簡(jiǎn)家文，張益康．汽車用氧傳感器的工作原理以及應(yīng)用．傳感器技術(shù)，2002，21(3)：55-57．

[4]李穎林．氧傳感器．汽車維修與保養(yǎng)，2004 (4)：38-41．

[5]耿衛(wèi)芹，錢(qián)曉良．氧傳感器的失效與防護(hù)．傳感器技術(shù)，2002，21(10)：8-10．

[6]文華，朱玉琛，張玉廣，等．氧傳感器的發(fā)展與應(yīng)用．艦船防化．2008 (3)：15-18．

[7]武強(qiáng)，劉其中，褚雷陽(yáng)．極限電流型氧傳感器的研究．傳感器與微系統(tǒng)，2006，25(6)：46-48．

[8]石敏，劉寧．ZrO2基固體電解質(zhì)氧傳感器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)．合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，26(3)：388-392．

[9]路順，林健，張舜．ZrO2氧傳感器多孔保護(hù)層研究．玻璃與搪瓷，2006，34(5)：7-10．

[10]申長(zhǎng)江．氧傳感器的發(fā)展過(guò)程．世界汽車，2002(9)：22-24．

[11]趙青，常愛(ài)民，巴維真．汽車用氧傳感器介紹與研究進(jìn)展．儀表技術(shù)與傳感器，2002(11)：6-10．