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，陽極和電解液組成。氧氣傳感器簡單來說是一個密封容器（金屬的或塑料的容器），它里面包含有兩個電極：陰極是涂有活性催化劑的一片PTFE（聚四氟乙烯），陽極是一個鉛塊。這個密封容器只在頂部有一個毛細微孔，允許氧氣通過進入工作電極。兩個電極通過集電器被連接到傳感器表面突出的兩個引腳，而傳感器通過這兩個觸角被連接到所應(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（參見圖1）。

圖1 氧氣傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

進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，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電解質(zhì)到達陽極（鉛），與鉛發(fā)生氧化反應(yīng)，生成對應(yīng)的金屬氧化物。2Pb + 4OH- -->
2PbO + 2H2O +
4e-上述兩個反應(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(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，但也可以通過增加陽極鉛的含量或限制接觸陽極的氧氣量來延長傳感器的使用壽命。

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(jù)進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(shè)有一毛細微孔，而另一種設(shè)有一層固體薄膜允許氣體通過。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，與氣體總壓力無關(guān)。但當氧氣壓力瞬間發(fā)生變化時，傳感器會產(chǎn)生一個瞬間電流，如果沒有控制好就會出現(xiàn)問題。同樣的問題在傳感器受到重復(fù)壓力脈沖時也會出現(xiàn)，例如進入傳感器的氣體是抽運式的。對這個現(xiàn)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，氣體將被迫通過細孔柵板（大流量）。氣體的增加（或減少）產(chǎn)生了一個瞬變電流信號。一旦情況重新穩(wěn)定不再有壓力脈沖，瞬變即告結(jié)束。所有細孔氧氣傳感器都采用了抗大流量機制，見圖2。根本上來說，可以增加一個PTFE
抗大流量薄膜來減弱壓力變化帶來的瞬變影響。這層薄膜用一個金屬蓋或塑料蓋緊緊固定在細孔上，這個設(shè)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)生的瞬變力量超過了這種設(shè)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(shè)備。某些泵產(chǎn)生的氣體對氧傳感器造成持續(xù)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(shè)計一個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入傳感器的唯yi方法，我們還可以使用一個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入傳感器（圖3）。

圖3 – 固態(tài)膜 (分壓) 氧氣傳感器

氧氣進入工作電極的流量由通過薄膜的氧氣的分壓決定。這意味著,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(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)計階段就必須確保脈沖作用力不會對傳感器造成影響。線性關(guān)系從細孔氧氣傳感器傳出的信號是非線性的，與氧濃度（c）有如下關(guān)系：Signal
= constant * ln [ 1/(1-C)
]實際上，傳感器的輸出呈線性上升，直至氧氣濃度超過30%時才出現(xiàn)偏差，給測量帶來困難。而分壓傳感器的線性輸出可以達到*
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會導(dǎo)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，氣體擴散通過薄膜是一個活動的過程，通常10°C的溫度變化就會導(dǎo)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(wěn)定，因而許多氧氣傳感器產(chǎn)品帶有內(nèi)置熱敏電阻?；钚詢湓O(shè)計任何電化學(xué)傳感器時都應(yīng)通過柵板（薄膜或細孔）來限制氣體通過速率，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。所有氧氣傳感器都使用高活性電極，使傳感器具有高活性儲備，保證了傳感器的長期穩(wěn)定性和低漂移性。