氧傳感器的工作原理

所有的氧氣傳感器都是自身供電，有限擴散，其金屬-空氣型電池由空氣陰極，陽(yáng)極和電解液組成。氧氣傳感器簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是一個(gè)密封容器（金屬的或塑料的容器），它里面包含有兩個(gè)電極：陰極是涂有活性催化劑的一片PTFE（聚四氟乙烯），陽(yáng)極是一個(gè)鉛塊。這個(gè)密封容器只在頂部有一個(gè)毛細微孔，允許氧氣通過(guò)進(jìn)入工作電極。兩個(gè)電極通過(guò)集電器被連接到傳感器表面突出的兩個(gè)引腳，而傳感器通過(guò)這兩個(gè)觸角被連接到所應用的設備上。傳感器內充滿(mǎn)電解質(zhì)溶液，使不同種離子得以在電極之間交換（參見(jiàn)圖1）。

圖1 氧氣傳感器結構示意圖

進(jìn)入傳感器的氧氣的流速取決于傳感器頂部的毛細微孔的大小。當氧氣到達工作電極時(shí)，它立刻被還原釋放出氫氧根離子：O2 + 2H2O + 4e-
-> 4OH-這些氫氧根離子通過(guò)電解質(zhì)到達陽(yáng)極（鉛），與鉛發(fā)生氧化反應，生成對應的金屬氧化物。2Pb + 4OH- -->
2PbO + 2H2O +
4e-上述兩個(gè)反應發(fā)生生成電流，電流大小相應地取決于氧氣反應速度（法拉第定律），可外接一只已知電阻來(lái)測量產(chǎn)生的電勢差，這樣就可以準確測量出氧氣的濃度。電化學(xué)反應中，鉛極參與到氧化反應中，使得這些傳感器具有一定的使用期限，一旦所有可利用的鉛完quan被氧化，傳感器將停止運作。通常氧氣傳感器的使用壽命為1-2
年，但也可以通過(guò)增加陽(yáng)極鉛的含量或限制接觸陽(yáng)極的氧氣量來(lái)延長(cháng)傳感器的使用壽命。

毛細微孔氧傳感器和氧分壓傳感器城市技術(shù)生產(chǎn)的氧氣傳感器根據進(jìn)入傳感器的氧氣的擴散方式的不同分為兩種，一種是在傳感器頂部設有一毛細微孔，而另一種設有一層固體薄膜允許氣體通過(guò)。細孔傳感器測量的是氧氣濃度，而固體薄膜傳感器測量的是氧氣的分壓。細孔傳感器產(chǎn)生的電流反映的是被測氧氣的體積百分比濃度，與氣體總壓力無(wú)關(guān)。但當氧氣壓力瞬間發(fā)生變化時(shí)，傳感器會(huì )產(chǎn)生一個(gè)瞬間電流，如果沒(méi)有控制好就會(huì )出現問(wèn)題。同樣的問(wèn)題在傳感器受到重復壓力脈沖時(shí)也會(huì )出現，例如進(jìn)入傳感器的氣體是抽運式的。對這個(gè)現象的解釋如下所示：

壓力瞬變當細孔氧氣傳感器遇到急劇增壓或減壓，氣體將被迫通過(guò)細孔柵板（大流量）。氣體的增加（或減少）產(chǎn)生了一個(gè)瞬變電流信號。一旦情況重新穩定不再有壓力脈沖，瞬變即告結束。所有細孔氧氣傳感器都采用了抗大流量機制，見(jiàn)圖2。根本上來(lái)說(shuō)，可以增加一個(gè)PTFE
抗大流量薄膜來(lái)減弱壓力變化帶來(lái)的瞬變影響。這層薄膜用一個(gè)金屬蓋或塑料蓋緊緊固定在細孔上，這個(gè)設計可以很大程度上減少信號的瞬間變化影響。

圖2 – 傳感器毛細管上的流速膜

但某些壓力變化產(chǎn)生的瞬變力量超過(guò)了這種設計允許的范圍，特別是使用抽取式儀器對傳感器輸送氣體的設備。某些泵產(chǎn)生的氣體對氧傳感器造成持續的壓力脈沖，人為地增強了信號。在這種情況下，有必要在傳感器外設計一個(gè)氣體膨脹室減小對傳感器的壓力脈沖。

部分分壓型氧傳感器毛細微孔控制氣體擴散并不是控制氧氣進(jìn)入傳感器的唯yi方法，我們還可以使用一個(gè)非常薄的塑料薄膜覆蓋在傳感器頂部，使氧氣分子分散之后再能進(jìn)入傳感器（圖3）。

圖3 – 固態(tài)膜 (分壓) 氧氣傳感器

氧氣進(jìn)入工作電極的流量由通過(guò)薄膜的氧氣的分壓決定。這意味著(zhù),傳感器的輸出信號與與混合氣體中氧氣的分壓是成比例的。大氣壓的變化將導致傳感器輸出電流的相應變化。如果使用抽取式氣體輸送，在設備的設計階段就必須確保脈沖作用力不會(huì )對傳感器造成影響。線(xiàn)性關(guān)系從細孔氧氣傳感器傳出的信號是非線(xiàn)性的，與氧濃度（c）有如下關(guān)系：Signal
= constant * ln [ 1/(1-C)
]實(shí)際上，傳感器的輸出呈線(xiàn)性上升，直至氧氣濃度超過(guò)30%時(shí)才出現偏差，給測量帶來(lái)困難。而分壓傳感器的線(xiàn)性輸出可以達到*
氧氣（或1.0氧氣濃度百分比）。溫度細孔和薄膜氧氣傳感器對對溫度的變動(dòng)都是敏感的，但敏感程度不同。溫度對細孔氧氣傳感器的影響相對較小，通常溫度從+20°C到–20°C會(huì )導致輸出信號損失10%。相對的，溫度對薄膜氧氣傳感器的影響要大得多，氣體擴散通過(guò)薄膜是一個(gè)活動(dòng)的過(guò)程，通常10°C的溫度變化就會(huì )導致傳感器信號輸出加倍。薄膜氧氣傳感器要求溫度的相對穩定，因而許多氧氣傳感器產(chǎn)品帶有內置熱敏電阻?；钚?xún)湓O計任何電化學(xué)傳感器時(shí)都應通過(guò)柵板（薄膜或細孔）來(lái)限制氣體通過(guò)速率，而其它各階段速率都明顯的快得多。所以，為保證電化學(xué)反應速度，必須使用具有高催化活性的電極材料。所有氧氣傳感器都使用高活性電極，使傳感器具有高活性?xún)?，保證了傳感器的長(cháng)期穩定性和低漂移性。