氧氣傳感器

概況

所有的氧氣傳感器都是自身供電，有限擴(kuò)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(xì)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(yīng)用的設(shè)備上。傳感器內(nèi)充滿電解質(zhì)溶液，使不同種離子得以在電極之間交換（參見(jiàn)圖1）。

Figure 1 - Schematic of oxygen sensor.

進(jìn)入傳感器的氧氣的流速取決于傳感器頂部的毛細(xì)微孔的大小。當(dāng)氧氣到達(dá)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(dá)陽(yáng)極（鉛），與鉛發(fā)生氧化反應(yīng)，生成對(duì)應(yīng)的金屬氧化物。

2Pb + 4OH^-  2PbO + 2H₂O + 4e^-

上述兩個(gè)反應(yīng)發(fā)生生成電流，電流大小相應(yīng)地取決于氧氣反應(yīng)速度（法拉第定律），可外接一只已知電阻來(lái)測(cè)量產(chǎn)生的電勢(shì)差，這樣就可以準(zhǔn)確測(cè)量出氧氣的濃度。

電化學(xué)反應(yīng)中，鉛極參與到氧化反應(yīng)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*被氧化，傳感器將停止運(yùn)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(zhǎng)傳感器的使用壽命。

毛細(xì)微孔氧傳感器和分壓氧傳感器

城市技術(shù)生產(chǎn)的氧氣傳感器根據(jù)進(jìn)入傳感器的氧氣的擴(kuò)散方式的不同分為兩種，一種是在傳感器頂部設(shè)有一毛細(xì)微孔，而另一種設(shè)有一層固體薄膜允許氣體通過(guò)。細(xì)孔傳感器測(cè)量的是氧氣濃度，而固體薄膜傳感器測(cè)量的是氧氣的分壓。

細(xì)孔傳感器產(chǎn)生的電流反映的是被測(cè)氧氣的體積百分比濃度，與氣體總壓力無(wú)關(guān)。但當(dāng)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(xiàn)問(wèn)題。同樣的問(wèn)題在傳感器受到重復(fù)壓力脈沖時(shí)也會(huì)出現(xiàn)，例如進(jìn)入傳感器的氣體是抽運(yùn)式的。對(duì)這個(gè)現(xiàn)象的解釋如下所示：

壓力瞬變

當(dāng)細(xì)孔氧氣傳感器遇到急劇增壓或減壓，氣體將被迫通過(guò)細(xì)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(hào)。一旦情況重新穩(wěn)定不再有壓力脈沖，瞬變即告結(jié)束。此類(lèi)瞬變可以通過(guò)儀器報(bào)警，這樣CityTech就可以努力尋求解決方案以減小壓力影響。

所有城市技術(shù)的細(xì)孔氧氣傳感器都采用了抗大流量機(jī)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(xì)孔上，這個(gè)設(shè)計(jì)可以很大程度上減少信號(hào)的瞬間變化影響。

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

部分分壓型氧傳感器

毛細(xì)微孔控制氣體擴(kuò)散并不是控制氧氣進(jìn)入傳感器的*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）。

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,傳感器的輸出信號(hào)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(dǎo)致傳感器輸出電流的相應(yīng)變化。如果使用抽取式氣體輸送，在設(shè)備的設(shè)計(jì)階段就必須確保脈沖作用力不會(huì)對(duì)傳感器造成影響。

城市技術(shù)生產(chǎn)兩種部分分壓氧傳感器，AO2/AO3（汽車(chē)）和MOX（醫(yī)療），為固體薄膜式，響應(yīng)關(guān)系呈線性，量程為0-。

線性關(guān)系

從細(xì)孔氧氣傳感器傳出的信號(hào)是非線性的，與氧濃度（c）有如下關(guān)系：

Signal = constant * ln [ 1/(1-C) ]

實(shí)際上，傳感器的輸出呈線性上升，直至氧氣濃度超過(guò)30%時(shí)才出現(xiàn)偏差，給測(cè)量帶來(lái)困難。而分壓傳感器的線性輸出可以達(dá)到 氧氣（或1.0氧氣濃度百分比）。

溫度

細(xì)孔和薄膜氧氣傳感器對(duì)對(duì)溫度的變動(dòng)都是敏感的，但敏感程度不同。

溫度對(duì)細(xì)孔氧氣傳感器的影響相對(duì)較小，通常溫度從+20°C到–20°C會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)損失10%。相對(duì)的，溫度對(duì)薄膜氧氣傳感器的影響要大得多，氣體擴(kuò)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(dǎo)致傳感器信號(hào)輸出加倍。薄膜氧氣傳感器要求溫度的相對(duì)穩(wěn)定，因而許多CiTiceLs?產(chǎn)品帶有內(nèi)置熱敏電阻。

活性儲(chǔ)備

設(shè)計(jì)任何電化學(xué)傳感器時(shí)都應(yīng)通過(guò)柵板（薄膜或細(xì)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(yīng)速度，必須使用具有高催化活性的電極材料。

所有CiTiceLs?產(chǎn)品都使用高活性電極，使傳感器具有高活性儲(chǔ)備，保證了傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和低漂移性。