陳新喜，袁開鴻

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

0　引言

近年來，隨著人們對汽車尾氣的排放，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定等領域的關注，氣體傳感器的研究成為熱點問題[1-2]。現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，都須采用參考氣體，并且參考氣室的精密度直接影響著傳感器的精度，并起主要作用。

文中在此基礎上，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元件為核心，不需要參考氣體，因此可以去除環(huán)境的限制，去除由于參比氣室?guī)淼臏y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　物理學背景及其系統(tǒng)原理

1．1物理學背景

分壓是指在混合氣體中單一氣體的壓力。它相當于組分氣體單獨占有混合氣體的總體積時所呈現的壓力。

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(ni)與混合氣體的總粒子數(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)及其應用特性

在650 ℃以上高溫時，穩(wěn)定的二氧化鋯(氧化鋯)表現出2個特性：

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

(3)

式中，i為恒流；t為時間；z為氧離子化合價；F為法拉第常數，F=96 487 C/mol．

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

1．3奈恩斯特電壓

電解質兩邊不同的離子濃度產生的電勢稱為奈恩斯特電壓，這個電壓與2種不同的離子濃度比的自然對數成正比。

(4)

式中：kB為玻爾茲曼常數；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，而該傳感器同時采用這兩種特性，就不需要密封參考氣體，使得傳感器更加廣泛地用于不同的氧壓場合，并且去除了由于參比氣室所帶來的測量誤差。

2　系統(tǒng)框圖與元件構造

2．1傳感器元件硬件原理

傳感器的接口電路的結構框圖如圖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、信號調節(jié)與輸出等環(huán)節(jié)[9-11]。

圖1　接口電路結構框圖

傳感器的敏感元件需要達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 ，且測量電路必須盡可能地靠近傳感器，因為低阻值的傳感器需要很高的電流，這將在連接器和連接線上產生壓降，所以可調電壓源需要至少提供2 A的電流和產生極小的噪聲。此外，因為氧化鋯只有在650 ℃以上才表現特性，低于這個溫度，氧化鈷的阻抗增加是很明顯的。因此，敏感元件未預熱的情況下一定不能抽放電流，因為恒流源會試圖產生必要的電壓，這個電壓產生的影響類似與零氧分壓，這將導致傳感器的損壞，因此在傳感器控制電路供電之前，必須至少預熱60 s．

在輸出放大和濾波環(huán)節(jié)，因為傳感器的奈恩斯特電壓只是mV級的，實際應用會將此電壓放大到一個更加敏感的操作范圍，輸出阻抗應該盡可能高，緩沖放大信號的噪音應該用低通濾波截斷750 Hz的頻率，重要的一點是不能對mV級的奈恩斯特濾波，因為這將裝載傳感器的負載電阻。

系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)框圖

2．2傳感器元件構造

傳感器核心元件是傳感元件，由2個二氧化鋯方片組成，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

這兩個氧化鋯方片通過鉑金環(huán)隔開，形成一個密封的傳感室，在外表面另有2個鉑金環(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濾并防止任何顆粒進入傳感器，以及除掉任何未燃盡氣體的作用。這可以避免產生不穩(wěn)定的測量讀數。元件組件由一個加熱器線圈包圍，加熱至工作所需的700 ℃，元件和加熱器一起被封在一個多孔不銹鋼殼里以過濾較大粒子和灰塵，也可保護傳感器不受機械損傷。

3　系統(tǒng)測試與信號處理進程

3．1系統(tǒng)測試

系統(tǒng)的測試環(huán)節(jié)如圖4所示。V1～V5所對應的奈恩斯特電壓值如表1所示。

圖4　傳感器測試環(huán)節(jié)圖

表1　閾值對應的奈恩斯特電壓值

3．2信號處理進程

氧傳感器啟動例行程序時，每次都需要切換傳感器關閉或啟動電源循環(huán)。如果啟動傳感器泵電流控制信號時，檢測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，重要的是確保泵電流和信號處理被停用。啟動例行程序流程圖如圖5所示。

啟動后第一個過程應確保加熱器啟用升溫。開始加熱延時60 s．延時完成以后開啟泵電流控制信號和信號處理工程，以允許傳感器開始泵循環(huán)。

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

圖5　啟動例行程序流程

圖6　停止例行程序流程

第一個進程應該是關閉泵電流控制信號和信號處理。加熱器關閉，進行冷卻延時。當然，系統(tǒng)降溫延遲是一個可選的進程，它的選擇取決于對應用的要求。目的是防止在潮濕的環(huán)境下，關機過程中在傳感器上形成冷凝。

其性能參數指標見表2。

表2　性能參數表

4　實驗室測試數據及結論

在實驗室進行了長期的驗證試驗，對其中的一批傳感器，在不同的條件下，根據測量值，對標準值進行了比較，其測量數據如表3所示。測量結果顯示，符合傳感器設計的性能參數精要求，精度高。

表3　實驗室測量數據

參考文獻：

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