氧化锆氧传感器的研究进展
基金项目:上海汽车工业科技发展基金资助项目(0216)
收稿日期:2006-03-29 收修改稿日期:2006-12-27
氧化锆氧传感器的研究进展
路 顺,林 健,陈江翠
(同济大学材料科学与工程学院,上海 200433)
摘要:氧化锆氧传感器具有较高的测氧精度和良好的高温稳定性,被广泛应用于内燃机尾气排放中氧含量检测等领域。随着氧传感器研究的不断深入和陶瓷层压工艺技术的日益成熟,氧传感器逐渐向小型化方向发展,其形状由管式转为板式。同时,传统的氧传感器起始工作温度较高,而采用固体参比层代替参比空气有望降低氧传感器的工作温度,并易于降低氧传感器的加工难度,从而可降低产品成本。对近年来在氧化锆氧传感器板式结构、固体参比层和微型化研究等领域的发展进行了相关综述。关键词:氧化锆;氧传感器;固体参比层
中图分类号:TP212.2 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2007)03-0001-03
Progress of Research on Zirconia Oxygen Sensor
LU Shun,LIN Jian,C HE N Jiang -cui
(Science of Material and Engineering,Tongji University,Shanghai 200433,C hina)
Abstract :Because of its high sensitivity in measuring oxygen and good stability in high temperature,zirconia oxygen sensor has been widely used in environmental protection of the automobile and other area.With the develop ment of oxygen sensor research and ceramic laminating technique,oxygen sensors are developing toward miniaturization and simplification.Its s tructure turns from thimble -type to pla -nar -type.Mean while traditional zirconia oxygen sensor can only work under high temperature,the research of solid -state reference is ex -pected to reduce its worki ng temperature and si mplify the manufacture process,thus reduce its cos t.It su mmarized the latest develop ment such as thick fil m oxygen sensor,solid -state reference and miniaturized series -connected zirconia oxygen sensor.Key Words:zirconia;oxygen sensor;solid -state reference 0 引言
国内从2000年起开始强制使用发动机电子控制汽油喷射装置,它与三元催化剂组成了空燃比控制和排放控制系统,成为一种控制排放污染的有效途径。氧传感器用于电子控制燃油喷射装置的反馈系统中,可以使喷射装置实现闭环控制,精确控制燃油的喷射时间和喷射量,使燃油充分燃烧,这样不仅可以降低油耗、提升功率,而且还有效地降低了排放污染。
汽车用氧传感器的从工作原理可分为3类:浓差电池型氧传感器、氧化物半导体型氧传感器、电化学泵型氧传感器。汽车用浓差电池型ZrO 2氧传感器已问世30多年,是目前最成熟、产量最多的一种氧传感器。1 浓差型氧化锆氧传感器的原理
ZrO 2氧传感器的实际应用成功地实现了对汽车发动机空燃比的控制[1]。其中心部件是Y 2O 3稳定的ZrO 2(YSZ)固体电解质,Y
3+
与Zr
4+
发生不等价置换,在形成的立方固溶体中产生大
量的氧离子空位。YSZ 固体电解质的内外表面均涂有一层薄的多孔铂层作为电极。外电极暴露于废气流中,内电极与大气相通。废气中的氧首先扩散到铂电极表面吸附层内,氧分子分解为氧原子;然后扩散到固体电解质的表面,这时的氧原子极易捕获周围的电子形成氧离子并占据晶格中的氧离子空位,与此同时产生两个电子空穴。另一方面由于铂电极中的电子浓度
较高且逸出功小,所以两个电子空穴与铂电极中的两个电子中和[2-3]。该元件实际上是一个原电池,如式(1)所示[4]:
p ref O 2
,Pt|Zr O 2
#Y 2O 3|Pt,p lean
O
2
(1)
若p ref O 2
恒定,产生的电势E 由能斯特方程给出:
E =R T 4
F ln p ref
O 2
p lean
O
2
(2)
式中:R 为气体常数;T 为电池的绝对温度,K;F 为法拉第常数;p lean
O 2为废气中氧分压;p ref
O 2为参比空气中氧分压。2 氧传感器的研究进展211 传统管式氧化锆氧传感器
目前,国内汽车中使用的氧传感器大多数仍为管式浓差型ZrO 2固体电解质氧传感器。其结构如图1所示。这种氧传感器传感器的核心部件是YSZ 陶瓷管。氧化钇稳定的氧化锆在高温下(650e 以上)是氧离子的良好导体,具有良好的氧离子导电率,被用于制作氧传感器的锆管[5]。这种氧传感器的响应特征如图2所示,其中横坐标为空气过剩率K .K =1是理论空燃比,K <1时为浓状态,K >1时为稀状态。纵坐标为氧传感器测量的电势差。
由于工作条件很苛刻,氧传感器的电极材料应具有良好的导电率、较高的触媒活性和良好的化学稳定性。现在氧化锆氧传感器的电极材料都为铂,起电极兼催化作用,它使尾气中的O 2与CO 反应,变成CO 2,使固体电解质两侧的氧浓差增加,从而使两极间的电压在理论空燃比附近产生突变[6]。为了降低电
2007年 第3期
仪表技术与传感器
Instrument Techniq ue and Sensor 2007 No 13
极反应电阻,提高传感器的性能,ZrO 2氧传感器的电极应呈多孔薄膜结构。
在实际使用过程中,常常发现氧传感器失效的情况,如响应速度减慢、输出信号很弱等,这主要是由铂电极失效引起的。电极中毒是电极失效的主要原因,可分为物理中毒和化学中毒两种。物理中毒是由于渗碳、凝聚态铅微粒等物质在多孔电极表面上沉积,多孔电极的空隙被堵,失去进行电极反应的三相界面,堵塞气孔而使响应速度减慢,导致信号输出不灵敏;化学中毒则是由于汽油中S 、P 、Zn 、Pb 等与电极材料发生化学反应而导致电极失效[8]。因此通常需在锆管外表面的铂电极上包裹一层多孔保护层,对废气中的杂质起到/过滤0作用。目前主要有3种材料可作电极保护层:无机材料、金属氧化物、合金涂层等。
氧传感器正常工作的温度比较高,通常要在550e 左右。第一代管式氧传感器达到工作温度的唯一热源是热尾气本身,因而传感器升温到正常工作温度的时间很长。为了解决这一问题,第二代管式氧传感器在设计中引入了加热元件。212 板式氧化锆氧传感器
传统的氧传感器采用的都是陶瓷粉末的压力成形工艺,这种工艺与以前火花塞绝缘件的成形工艺完全相同。管式氧化锆陶瓷体成型也比较复杂。近几年陶瓷的层压工艺逐步成熟。并已经在叠层电容器及陶瓷IC 封装的生产之中得到应用。
鉴于陶瓷层压工艺的成熟以及板式氧传感器在灵敏度方面的优势,BOSCH 公司于1994年开始了板式氧传感器的研究,并于1998年开始了大规模生产。其结构如图3所示。
这种板
图3 片式氧传感器组成部分的分解图[9]
式氧传感器的响应原理与传统的管式氧化锆氧传感器相似。固体电解质基体仍为YSZ 陶瓷体。参比电极与通过空气槽引入的空气接触;固体电解质两侧也涂有多孔铂膜作为电极;加热元件嵌入Al 2O 3板中防止加热器的电流窜至ZrO 2元件上,这样的结构大大降低了氧传感器的尺寸。板式陶瓷成型也相对
比较容易。
这种板式氧传感器的特点是:加热器的热量直接传导到ZrO 2元件上,热效率很高。同时由于器件尺寸明显缩小、紧凑,因而只需通过加热元件提供4W 左右,即老式筒形传感器所需电量的一半,就可使板式氧传感器很快达到工作温度。板式氧传感器的总热容量大幅减小,可明显缩短发动机起动后至传感器激活的等待时间。目前板式氧化锆氧传感器已经在汽车尾气排放控制中得到应用。由于器件尺寸较小,从发动机冷却到工作温度所需的加热时间较短。因而更能适合越来越严格的废气排放法规的规定。由于结构的原因,加热器与传感元件的距离很近,所以要保证二者之间具有良好的绝缘,以防加热器的电流窜至ZrO 2元件上。同时由于器件加热速度比较快,通常可以达到100K/s,内部被迅速加热,而外部温度较低,这样会产生较大应力,应力水平在100MPa 左右。烧结时的收缩不同也会产生应力,因此兼顾绝缘与残余应力是这类传惑器的设计难点[10-11]。
213 固体参比层型氧化锆氧传感器
板式氧传感器的参比空气舱为结构复杂的异型陶瓷件,成型比较复杂,而且与氧化锆基体的密封比较困难。为了进一步减少氧传感器的尺寸,降低成本,采用富氧层的厚膜型氧传感器日益受到人们重视,这样可以省去参比空气舱,降低厚膜氧传感器的制造成本,而且可以大大降低氧传感器的工作温度,从而简化掉加热元件。
富氧层(又称固体参比物)一般是熔点较低的金属-金属氧化物,如Sn (熔点505K),Pb (熔点600K),In (熔点429K)。当氧传感器开始工作时Pb 、Sn 、In 等被空腔内剩余的氧气氧化,部分转化成PbO 、SnO 2和In 2O 3,这样就可以保持空腔内一定的氧气分压,起到与参比气体类似的作用。为了保证氧传感器能够准确可信的工作,必须保证金属-金属氧化物体系不与外界进行氧交换,所以必须保证富氧层与外界空气完全密封[12-14]。
具有CaF 2结构的CeO 2是氧化型催化剂的优良助剂。CeO 2
中存在着如式(3)所示的化学平衡,由于在一定温度下CeO 2中氧的浓度是已知的,因此也可以作为富氧层用在氧传感器上。当ZrO 2进入CeO 2晶格时,可以形成CeO 2-ZrO 2固溶体,可提高CeO 2的热稳定性和储氧量,改进晶格氧的活动能力,并且膨胀系数与ZrO 2基体相近,因而更加适合作为氧化锆氧传感器的固体参比层。近几年CeO 2-ZrO 2固溶体的制备工艺不断完善[15-17],已经可以制备出储氧能力较高的超细CeO 2-ZrO 2固溶体。
2CeO 2\Ce 2O 3+015O 2
(3)
Elyassi B 等人[18]设计出含富氧层的厚膜氧传感器,其结构如图4所示。先在固体电解质坯体上用丝网印刷法涂覆铂浆,压上固体参比层,在1050e 烧结12h,这样经过一次烧结就可
以得到致密的固体电解质、多孔的铂电极以及固体参比层。然后用丝网印刷法在YSZ 层另一侧涂覆铂浆,然后在920e 加热10min 去除铂浆中的有机物获得多孔的外电极。与传统的氧传感器的信号电压在100~1000mV 之间变化不同,而使用铈-锆固体参比层的氧传感器的响应信号变化范围是350~-80mV,其响应特征如图5所示。
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Hiroyuki Kaneko 等人[19]提出了另外一种设计方案,如图6所示。氧化锆固体电解质基片含有一个空腔,空腔内用固体参比物填充,固体电解质基片上覆盖YSZ 陶瓷片来使参比物与空气完全隔离,两者之间用低熔点的玻璃在700e 、Ar 气氛中烧结30min 来封结,YSZ 陶瓷的底部涂覆银浆在700e ,Ar 气氛中烧成测量电极,参比电极用Re 或者Ir 引出。这种氧传感器的直径为10mm,厚度为2mm,工作温度在550e
左右。
图6 Kaneko
型固体参比氧传感器[19]
214 微型氧传感器
半导体工业的进步和发展对工业制造,尤其是精密仪器的制造产生了深远的影响,目前各国也开始尝试将集成电路的制造工艺运用到氧传感器的制造中。
Radhakrishnan R 等人[20]通过微细加工技术在硅基片上串连几个氧传感器来放大信号的富氧层的厚膜型氧传感器,硅基片的直径为5cm,上面集成100个独立的微小氧传感器,其结构如图7所示。氧传感器电极仍采用铂,并以Ni-NiO 系统为富氧参比层。这种氧传感器的工作温度比较低,在300e 就可以稳定工作。在半导体工艺相当成熟的今天,比较适合进行大规模生产。不过目前其单个氧传感器的电压信号还尚未令人满意,这可能与Ni-NiO 富氧层与硅基片粘结不牢,而易造成空气渗入有关。当氧传感器串联以后,电压信号可以得到叠加,可以起到放大作用。每个独立的氧传感器的构造如图8
所示。
3 结束语
氧传感器对降低汽车排气有害物的排放及燃油经济性的提高起到很大的作用,随着各国对汽车排放的控制及能源问题的日益重视,有关氧传感器研究开发及制造技术也在不断发展。目前汽车用氧传感器仍以浓差电池型氧化锆传感器为主,
而随着环境保护及汽车燃料效率问题的越来越受关注,稀燃系统有可能成为汽车发动机空燃比控制系统的主流,从而促进极限型氧化锆传感器的快速发展[21]。
与此同时,降低氧传感器的工作温度、传感器薄膜化以及采用微机械工艺等问题也越来越受到关注。大量新材料[22]和新器件结构不断被推出,使氧传感器工作性能不断提高,同时向多功能化、微型化、低成本等方向发展[23]。
此外,目前氧化锆氧传感器使用的电极材料以Pt 为主,成本很高,且抗中毒能力较差[24]
、工作温度较高。因此,寻找新的
电极材料,降低氧传感器的工作温度也是研究的一个重要方
向。
总之,随着国内汽车工业的迅猛发展,以及汽车技术的进步和传感器制造工艺技术的提高,车用氧传感器将会不断完善发展,其发展前景十分广阔。参考文献:
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(下转第6页)
第3期
路顺等:氧化锆氧传感器的研究进展
3
摩擦传感器。由于热测量是间接的,很多研究者常使用浮动元件传感器。1991年Ng 等人设计了一种浮动元件传感器。其结构如图7所示。元件被定位时,牵拉梁平行于流向。随后牵拉梁上游受到张应力,下游受到的是拉应力。他们利用牵拉梁作为压敏元件,将牵拉梁点连接在惠更斯电桥上时,将得到一个正比于挠度大小的差分信号。此传感器能够测出几kPa 的剪切力,相当于011nN 的力分辨率[10]。
1995年Pan 等人提出了电容式浮动元件传感器(如图8所示)。负载将引起浮动板与其下的两个读出电极之间形成的电容差动变化。此时,梳妆驱动激励器将产生一个电压,维持浮动板在无负载位置,而这个电压正比于作用在浮动板上的负载,其分辨率为2Pa [11]
。
图7
浮动元件传感器
图8 电容式浮动元件传感器 此种传感器目前还主要用于湍流研究中流体剪切力的测量。4 结束语
ME MS 技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业,采用ME MS 技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及其他人们所接触到的几乎所有领域中都有十分广阔的应用前景。
随着ME MS 技术、微电子技术和纳米技术的飞速发展,硅微机械传感器将朝着具有自诊断、自校准、自补偿功能、对多种物理量进行探测、能够完成多传感器多参数混合测量和对信号实时处理的方向发展。而硅微机械流体传感器将会成为流体传感器的主要发展趋势。参考文献:
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(上接第3页)
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作者简介:路顺(1981)),硕士研究生,从事新型传感器研究工作。
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Mar 12007
宽带氧传感器的工作原理和常见故障的检查方法
宽带氧传感器的工作原理和常见故障的检查方法 发布时间: 2010-4-29 15:52 | 编辑: 汽车乐https://www.360docs.net/doc/3115735162.html, | 查看: 1067次来源: 网络 随着汽车尾气排放限值要求的不断提高，传统的开关型氧传感器已不能满足需要，取而代之的是控制精度更高的线性宽带氧传感器(Universal Exhaust Gas Oxygen Sensor，简称UEGO)。氧传感器闭环控制调节发动机燃烧室内的混合汽，以实现最佳的三元催化转换器运行，从而满足排放限值的要求。为此，氧传感器闭环控制的任务是确保废气空燃比始终处于催化转换器的最佳工作点。氧传感器闭环控制只改变所要喷射的燃油质量、燃烧室内的空气质量，也就是说汽缸充气和点火正时均不受影响，因此氧传感器是用来帮助确定废气中氧含量而反映实际工况中的空燃比。控制单元内的氧传感器闭环控制必须通过所提供的信号来对混合汽的成分做出相应调整，控制过程很大程度上取决于氧传感器的属性。 宽带氧传感器能够提供准确的空燃比反馈信号给ECU，从而ECU精确地控制喷油时间，使汽缸内混合汽浓度始终保持理论空燃比值。宽带氧传感器的使用提高了ECU的控制精度，最大限度地发挥了三元催化器的作用，优化了发动机的性能，并可节省大约15％的燃油消耗，更加有效地降低了有害气体的排放。 宽带氧传感器通过检测发动机尾气排放中的氧含量，并向电子控制单元(ECU)输送相应的电压信号，反映空气燃油混合比的稀浓。ECU根据氧传感器传送的实际混合汽浓稀反馈信号而相应调节喷油脉宽，使发动机运行在最佳空燃比(λ=1)状态，从而为催化转换器的尾气处理创造理想的条件。如果混合汽太浓(λ<1)，必须减少喷油量，如果混合汽太稀(λ>1)，则要增加喷油量。 现代汽车发动机管理系统中，安装在催化转换器前的宽带氧传感器，称作控制氧传感器，安装在三元催化器的上游位置，监测尾气中氧的浓度，并将信息反馈给控制单元，用于调节喷油量，从而实现发动机的闭环控制，改善发动机的燃烧性能并减少有害气体的排放。根据OBD-Ⅱ规定，现代汽车必须对三元催化转换器效率进行持续监控，为此配有诊断氧传感器，安装在催化转换器的下游端。通过比较催化转换器上游和下游的传感器信号，可以确定催化转换器的效率。主要原因是由于控制氧传感器因老化，其向ECU输送的电压信号曲线会发生偏移，诊断氧传感器会检测控制氧传感器是否仍然处于最佳工作状态，然后ECU 就可计算出矫正偏移所需的补偿量。 由于老化而造成工作性能变差的氧传感器，也会影响燃油经济性的指标。老化的氧传感器提供给DME的混合汽浓度信号存在误差，将使DME控制单元在可燃混合汽形成的控制产生偏差，而造成燃油消耗的增加。表1是博世公司所做的氧传感器对燃油经济性影响的明细表。 一、宽带型氧传感器的分类及基本构造 根据氧传感器的制造材料不同，宽带型氧传感器可分为以ZrO2为基体的固化电解质型和利用氧化物半导体电阻变化型两大类；根据传感器的结构不同，宽带型氧传感又可分为电池型、临界电流型及泵电池型。 宽带型氧传感器的基本控制原理就是以普通氧化锆型氧传感器为基础扩展而来。氧化锆型氧传感器有一特性，即当氧离子移动时会产生电动势。反之，若将电动势加在氧化锆组件上，即会造成氧离子的移动。根据此原理即可由发动机控制单元控制所想要的比例值。 构成宽带型氧传感器的组件有两个部分：一部分为感应室，另一部分是泵氧元。 感应室的一面与大气接触，而另一面是测试腔，通过扩散孔与排气接触，与普通氧化锆传感器一样，由于感应室两侧的氧含量不同而产生一个电动势。一般的氧化锆传感器将
压力传感器原理及应用-称重技术
压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分,由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电 信号作输出,给显示仪表显示压力值,或供控制和报警使用。 压力传感器的种类繁多，如压阻式压力传感器、应变式压力传感器、压电式压力传感器、电容式压力传感 器、压磁式压力传感器、谐振式压力传感器及差动变压器式压力传感器，光纤压力传感器等。 一、压阻式压力传感器 固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应。压阻式压力传感器是基于半导体材料(单晶硅)的压阻效应原理制成的传感器，就是利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻，当硅膜片 受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化。 压阻式具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。 1、压阻式压力传感器基本介绍 压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成粘贴式应变片，称为半导体应变片，因此 应变片制成的传感器称为半导体应变式传感器，另一种是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩 散电阻，以此扩散电阻的传感器称为扩散型压阻传感器。 半导体应变式传感器半导体应变式传感器的结构形式基本上与电阻应变片传感器相同，也是由弹性敏感元件等三部分组成，所不同的是应变片的敏感栅是用半导体材料制成。半导体应变片与金属应变片相比，最 突出的优点是它的体积小而灵敏高。它的灵敏系数比后者要大几十倍甚至上百倍，输出信号有时不必放大 即可直接进行测量记录。此外，半导体应变片横向效应非常小，蠕变和滞后也小，频率响应范围亦很宽， 从静态应变至高频动态应变都能测量。由于半导体集成化制造工艺的发展，用此技术与半导体应变片相结 合，可以直接制成各种小型和超小型半导体应变式传感器，使测量系统大为简化。但是半导体应变片也存 在着很大的缺点，它的电阻温度系统要比金属电阻变化大一个数量级，灵敏系数随温度变化较大它的应变 —电阻特性曲线性较大，它的电阻值和灵敏系数分散性较大，不利于选配组合电桥等等。 扩散型压阻式传感器扩散型压阻传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是各向异性材料，取向不同时特性不一样。因此必须根据传感器受力变形情况来加工制作扩散硅敏感电阻膜片。 利用半导体压阻效应，可设计成多种类型传感器，其中压力传感器和加速度传感器为压阻式传感器的基本 型式。 硅压阻式压力传感器由外壳、硅膜片（硅杯）和引线等组成。硅膜片是核心部分，其外形状象杯故名硅杯，在硅膜上，用半导体工艺中的扩散掺杂法做成四个相等的电阻，经蒸镀金属电极及连线，接成惠斯登电桥 再用压焊法与外引线相连。膜片的一侧是和被测系数相连接的高压腔，另一侧是低压腔，通常和大气相连，也有做成真空的。当膜片两边存在压力差时，膜片发生变形，产生应力应变，从而使扩散电阻的电阻值发 生变化，电桥失去平衡，输出相对应的电压，其大小就反映了膜片所受压力差值。
氧化锆式氧传感器的性能与应用
氧化锆式氧传感器的性能与应用 摘要：氧传感器安装在排气管上，将检测到的废气中氧浓度的电信号传递给ECU，ECU根据此信号对喷油和废气再循环量进行反馈控制，为尾气净化装置（如三元催化转换器、存储式NOx净化器等）提供良好的外部环境，从而降低尾气排放，以满足严格的排放法规。氧传感器性能的优劣对于尾气净化的效果起着关键作用。本文通过简述氧化锆式氧传感器的工作原理，重点论述了氧化锆式氧传感器的类型、性能特点、应用及发展情况，并阐述了其使用方法和注意事项。 关键词：氧化锆式氧传感器；性能；应用；发展 1 氧化锆式氧传感工作原理 1.1 氧传感器类型 根据检测电信号不同：可分为氧化锆式氧传感器和二氧化钛（Ti02）式氧传感器，前者为电压型，后者为电阻型。发动机电控系统常用氧化锆式氧传感器（下文氧传感器均为氧化锆式氧传感器）。 1.2 氧传感器的工作原理 当气缸内混合气空燃比较浓时，排放气体中的氧气比较少，大气中的氧通过二氧化锆管在两电极（通常为Pt电极）间通过氧的渗透产生较大的电压（1V）左右；反之，当空燃比较低时，排气管中氧气浓度较高，大气中的氧通过二氧化锆管在两电极（Pt电极）间氧通过氧的渗透产生较小的电压（0V）左右。 因此，氧传感器是一个反应排气管氧含量浓稀的一个开关，形象地称为是一个随时向ECU反馈空燃比信息的“通信员”。ECU则根据反馈来的氧传感器信号及时调整喷油量（喷油脉宽），如信号反映混合气较浓，则减少喷油时间；反之，如信号反映较稀，则延长喷油时间。从而使混合气的空燃比始终保持在理论空燃比（14.7：1）附近，这就是氧传感器闭环控制或氧传感器反馈控制。 2 氧化锆式氧传感器的应用与发展 2.1 普通型氧化锆传感器 氧化锆式传感器的基本元件是氧化锆管。氧化锆管固定在带有安装螺纹的固定套内，在氧化锆管的内、外表面均覆盖着一薄层铂（Pt）作为电极，传感器内侧通大气，外侧直接与排气管中的废气接触。在氧化锆管外表面的铂层上，还覆盖着一层多孔的陶瓷涂层，并加有带槽的防护套管，用来防止废气对铂电极产生腐蚀；在传感器的线束连接器端有金属护套，其上设有小孔，以便使氧化锆管内侧通大气。二氧化锆管的外表面处于氧气浓度较低的汽车所排放的气体中，而管
氧传感器的功能及工作原理全解
氧传感器的功能及工作原理 氧传感器的功能 测定发动机排气中氧气含量，确定汽油与空气是否完全燃烧。电子控制器根据这一信息实现以过量空气系数λ=1为目标的闭环控制，以确保三元催化转化器对排气中HC、CO和NOX三种污染物都有最大的转化效率。 工作原理 氧传感器的工作原理与干电池相似，传感器中的氧化锆元素起类似电解液的作用，其基本工作原理是：在一定条件下（高温和铂催化），利用氧化锆骨外两侧的氧浓度差，产生电位差，且浓度差越大，电位差越大。大气中氧的含量为21%，浓混合气燃烧后的废气实际上不含氧，稀混合气燃烧后生成的废气或因缺火产生的废气中含有较多的氧，但仍比大气中的氧少得多。 特点 抗铅；较少依赖于排气温度；起动后迅速进入闭环控制。 氧传感器的常见故障 氧传感器中毒 氧传感器中毒是经常出现的且较难防治的一种故障，尤其是经常使用含铅汽油的 汽车，即使是新的氧传感器，也只能工作几千公里。如果只是轻微的铅中毒，接着使 用一箱不含铅的汽油，就能消除氧传感器表面的铅，使其恢复正常工作。但往往由于 过高的排气温度，而使铅侵入其内部，阻碍了氧离子的扩散，使氧传感器失效，这时 就只能更换了。 积碳 由于发动机燃烧不好，在氧传感器表面形成积碳，或氧传感器内部进入了油污或 尘埃等沉积物，会阻碍或阻塞外部空气进入氧传感器内部，使氧传感器输出的信号失准，ECU不能及时地修正空燃比。产生积碳，主要表现为油耗上升，排放浓度明显增加。此时，若将沉积物清除，就会恢复正常工作。 氧传感器陶瓷碎裂 氧传感器的陶瓷硬而脆，用硬物敲击或用强烈气流吹洗，都可能使其碎裂而失效。因此，处理时要特别小心，发现问题及时更换。 加热器电阻丝烧断
压力传感器工作原理
压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。 1、应变片压力传感器原理与应用： 在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。 1．1、金属电阻应变片的内部结构：它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 1．2、电阻应变片的工作原理：金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： 式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m） S——导体的截面积（cm2） L——导体的长度（m）
氧传感器的检测修订稿
氧传感器的检测 公司标准化编码 [QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N]
氧传感器的检测 1、结构和工作原理 在使用三效催化转化器降低排放污染的发动机上，氧传感器是必不可少的。三效催化转化器安装在 三种主要的有害成分，但只在混合气的空燃比处于接排气管的中段，它能净化排气中CO、HC和NO x 近理论空燃比的一个窄小范围内，三效催化转化器才能有效地起到净化作用。故在排气管中插入氧传感器，借检测废气中的氧浓度测定空燃比。并将其转换成电压信号或电阻信号，反馈给ECU。ECU 控制空燃比收敛于理论值。 目前使用的氧传感器有氧化锆式和氧化钛式两种，其中应用最多的是氧化锆式氧传感器。 （1）氧化锆式氧传感器 氧化锆式氧传感器的基本元件是氧化锆陶瓷管（固体电解质），亦称锆管（）。锆管固定在带有安装螺纹的固定套中，内外表面均覆盖着一层多孔性的铅膜，其内表面与大气接触，外表面与废气接触。氧传感器的接线端有一个金属护套，其上开有一个用于锆管内腔与大气相通的孔；电线将锆管内表面铂极经绝缘套从此接线端引出。 氧化锆在温度超过300℃后，才能进行正常工作。早期使用的氧传感器靠排气加热，这种传感器必须在发动机起动运转数分钟后才能开始工作，它只有一根接线与ECU相连（）。现在，大部分汽车使用带加热器的氧传感器（），这种传感器内有一个电加热元件，可在发动机起动后的20-30s内迅速将氧传感器加热至工作温度。它有三根接线，一根接ECU，另外两根分别接地和电源。 锆管的陶瓷体是多孔的，渗入其中的氧气，在温度较高时发生电离。由于锆管内、外侧氧含量不一致，存在浓差，因而氧离子从大气侧向排气一侧扩散，从而使锆管成为一个微电池，在两铂极间产生电压（）。当混合气的实际空燃比小于理论空燃比，即发动机以较浓的混合气运转时，排气中氧等较多。这些气体在锆管外表面的铅催化作用下与氧发生反应，将耗尽排气含量少，但CO、HC、H 2 中残余的氧，使锆管外表面氧气浓度变为零，这就使得锆管内、外侧氧浓差加大，两铅极间电压陡增。因此，锆管氧传感器产生的电压将在理论空燃比时发生突变：稀混合气时，输出电压几乎为零；浓混合气时，输出电压接近1V。 要准确地保持混合气浓度为理论空燃比是不可能的。实际上的反馈控制只能使混合气在理论空燃比附近一个狭小的范围内波动，故氧传感器的输出电压在之间不断变化（通常每10s内变化8次以上）。如果氧传感器输出电压变化过缓（每1Os少于8次）或电压保持不变（不论保持在高电位或低电位），则表明氧传感器有故障，需检修。 （2）氧化钛式氧传感器 氧化钛式氧传感器是利用二氧化钛材料的电阻值随排气中氧含量的变化而变化的特性制成的，故又称电阻型氧传感器。二氧化钛式氧传感器的外形和氧化锆式氧传感器相似，在传感器前端的护罩内是一个二氧化钛厚膜元件（）。纯二氧化钛在常温下是一种高电阻的半导体，但表面一旦缺氧，其品格便出现缺陷，电阻随之减小。由于二氧化钛的电阻也随温度不同而变化，因此，在二氧化钛式
氧传感器原理与检测方法
《汽车微电脑控制系统与故障检测》王忠良人民邮电出版社 氧浓度传感器 氧浓度传感器(又称氧传感器)是发动机电子控制系统中一个重要的传感器，其作用就是把排气中氧的浓度转换为电压信号，微电脑根据氧浓度传感器输入的信号判断混合气的浓度，进而修正喷油量，最终将缸内混合气的浓度控制在理想空燃比14．7附近。 现代汽车为了降低发动机排气中的有害成分(CO、HC、NO X等)的含量，在排气管中安装了三元催化转换装置。三元催化转换装置内有三元催化剂(常用的是铂、钯、铑)，三元催化剂能促使排气中的有害成分进行化学反应，可使CO氧化为CO2，使HC氧化为CO2和H2O，将NOx还原为N2。但是，只有当发动机在14．7空燃比附近的一个很小范围内运转时，三元催化剂才能同时促进氧化、还原反应，三元催化转换装置的转换效率才最高，排气中有害物质的含量才最低。因此，现代汽车中均安装了氧传感器。 氧传感器的数量因车而异，有的发动机只有一个氧传感器：有的双排气管发动机在左、右排气管上各安装一个氧传感器，这样该系统就有两个氧传感器，即左氧传感器和右氧传感器；也有的双排气管发动机在每个排气管的三元催化转换装置前、后各安装一个氧传感器(分别叫主、副氧传感器)，这样该系统共有4个氧传感器，即左主氧传感器、左副氧传感器、右主氧传感器以及右副氧传感器。氧传感器安装在排气管中排气消音器的前面。 一、氧传感器的结构与工作原理 氧传感器根据内部敏感材料的不同分为氧化锆式(也称锆管式)和氧化钛式两种。 1．氧化锆式氧传感器 氧化锆式氧传感器是目前应用最多的氧传感器，它主要由锆管、电极等组成，如图1—42 图l—42 氧化锆式氧传感器的结构 氧化锆式氧传感器内部的敏感元件是二氧化锆(ZrO2)固体电解质。在二氧化锆固体电解质粉末中添加少量的添加剂并烧制成管状，便称为锆管。紧贴锆管内、外表面的是作为锆管内、外电极的铂膜，内、外电极通过电极引线与传感器的线束插接器相连。锆管的内电极与外界大气相通，外电极与排气管内的排气相通。为防止发动机排出的废气腐蚀外层的铂电极，在外层铂电极表面都覆盖着一层多孔性的陶瓷层。 作为锆管外电极的金属铂的另一个重要作用是催化作用，对排气中(尤其是外电极铂膜附近)的一氧化碳(CO)和氧气(O2)起催化作用，使其反应生成二氧化碳(CO2)，其化学反应式为： 2CO+O2? ?→ ?催化剂2CO2 这种催化作用尽可能多地使浓混合气燃烧后排放废气中的低浓度氧气(O2)和高浓度一氧化碳(CO)发生化学反应(甚至可使氧气全部参加反应)。这样既减少了废气中一氧化碳
氧传感器的功能及工作原理
氧传感器的功能及工作原理 来源：一大把汽车电子圈 氧传感器的功能 测定发动机排气中氧气含量，确定汽油与空气是否完全燃烧。电子控制器根据这一 信息实现以过量空气系数入=1为目标的闭环控制，以确保三元催化转化器对排气中H C、CO 和NOX 三种污染物都有最大的转化效率。 工作原理 氧传感器的工作原理与干电池相似，传感器中的氧化锆元素起类似电解液的作用，其基本工作原理是：在一定条件下（高温和铂催化），利用氧化锆骨外两侧的氧浓度差，产生电位差，且浓度差越大，电位差越大。大气中氧的含量为21% ，浓混合气燃烧后的废气实际上不含氧，稀混合气燃烧后生成的废气或因缺火产生的废气中含有较多的氧，但仍比大气中的氧少得多。 特点 抗铅；较少依赖于排气温度；起动后迅速进入闭环控制。 氧传感器的常见故障 氧传感器中毒 氧传感器中毒是经常出现的且较难防治的一种故障，尤其是经常使用含铅汽油的汽车，即使是新的氧传感器，也只能工作几千公里。如果只是轻微的铅中毒，接着使用一箱不含铅的汽油，就能消除氧传感器表面的铅，使其恢复正常工作。但往往由于过高的排气温度，而使铅侵入其内部，阻碍了氧离子的扩散，使氧传感器失效，这时就只能更换了。 积碳 由于发动机燃烧不好，在氧传感器表面形成积碳，或氧传感器内部进入了油污或尘埃等沉积物，会阻碍或阻塞外部空气进入氧传感器内部，使氧传感器输出的信号失准，ECU 不能及时地修正空燃比。产生积碳，主要表现为油耗上升，排放浓度明显增加。此时，若将沉积物清除，就会恢复正常工作。 氧传感器陶瓷碎裂 氧传感器的陶瓷硬而脆，用硬物敲击或用强烈气流吹洗，都可能使其碎裂而失效。因此，处理时要特别小心，发现问题及时更换。 加热器电阻丝烧断 对于加热型氧传感器，如果加热器电阻丝烧蚀，就很难使传感器达到正常的工作温度而失去作用。 氧传感器内部线路断脱
压电式压力传感器原理及应用
压电式压力传感器原理及应用 自动化研1302班王民军 压电式压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也叫压电式压电传感器。压电式压力传感器可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。 一、压电式传感器的工作原理 1、压电效应 For personal use only in study and research; not for commercial use 某些离子型晶体电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。 2、压电式压力传感器的特点 压电式压力传感器是基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式压力传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等(见
压电式压力传感器、加速度计)。压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：Q=k*S*p。 For personal use only in study and research; not for commercial use 式中Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。通过测量电荷量可知被测压力大小。 压电式压力传感器的工作原理与压电式加速度传感器和力传感器基本相同，不同的是弹性元件是由膜片等把压力转换成集中力，再传给压电元件。为了保证静态特性及稳定性，通常多采用压电晶片并联。在压电式压力传感器中常用的压电材料有石英晶体和压电陶瓷，其中石英晶体应用得最为广泛。 For personal use only in study and research; not for commercial use 二、压电压力传感器等效电路和测量电路 在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料
氧化锆氧传感器工作原理
第一部分氧化锆氧传感器工作原理 一、产品简介： 氧化锆氧传感器是利用氧化锆陶瓷敏感元件测量各类加热炉或排气管道中的氧电势，由化学平衡原理计算出对应的氧浓度，达到监测和控制炉内燃烧空然比，保证产品质量及尾气排放达标的测量元件，广泛应用于各类煤燃烧、油燃烧、气燃烧等炉体的气氛控制。它是目前最佳的燃烧气氛测量方式，具有结构简单、响应迅速、维护容易、使用方便、测量准确等优点。运用该传感器进行燃烧气氛测量和控制既能稳定和提高产品质量，又可缩短生产周期，节约能源。 二、氧传感器工作原理： 氧传感器是利用稳定的二氧化锆陶瓷在650℃以上的环境中产生的氧离子导电特性而设计的。在一定的温度条件下，如果在二氧化锆块状陶瓷两侧的气体中分别存在着不同的氧分压(即氧浓度)时，二氧化锆陶瓷内部将产生一系列的反应，和氧离子的迁移。这时通过二氧化锆两侧的引出电极，可测到稳定的毫伏级信号，我们称之为氧电势。它服从能斯特(Nernst)方程： 式中E为氧传感器输出的氧电势(mv)，Tk为炉内的绝对温度（K），P1和P2分别为二氧化锆两侧气体的氧分压。实际应用时，将二氧化锆的一侧通入已知氧浓度的气本（通常为空气），我们称之为参比气。另一侧则是被测气体，就是我们要检测的炉内的气氛，详见图1。氧传感器输出的信号就是氧电势信号，通过能斯特方程我们就可以得到被测炉气氛中的氧分压和氧电势的关系。参比气为空气时，可表示为： 式中E为氧传感器输出氧电势；Tk为炉内的绝对温度；P02为炉内的氧分压。 我们的氧传感器产品带有自加热装置，一般温度保证在700℃，这样TK数值基本是恒定的，从而通过上式可以直接测量出炉内氧分压浓度。工程应用中采用标准气体来标定氧传感器输出氧电势E和氧分压浓度PO2的对应关系，这种方法也是目前公认的最准确、最直接的标定方法。 第二部分HMP系列氧传感器 一．HMP氧传感器基本结构： HMP氧传感器的核心部件采用进口氧化锆氧传感器（详见图2），该氧化锆氧传感器自带智能加热装置，提供稳压恒定控制信号即可快速达到使用温度，并保证传感器在该恒定温度下连续、稳定工作。安装该探头需要调整引导板方向，尽量使引导板正对气流方向，这样才能形成对检测气氛的气体自导流。进口氧化锆氧传感器典型性能特性如下： 零点误差：￡±0.2mv ；交流电阻（1500赫兹）：（700℃）￡100 千欧；（1100℃）￡ 5 千欧。响应时间（700-1300℃）：￡1秒 二．HMP氧传感器采样、维护方式： HMP氧传感器采用气氛自导流方式，导入被检测气氛，考虑工程现场的环境因数，设计有吹扫清除通道，可方便地对采样引导管道进行吹扫工作，以避免炉内或管道内的灰尘、煤灰、油杂质等等堵塞采样管，请参考图3。 三．技术性能： 使用温度：室温～1100℃；氧电势显示范围：－50～1240mV； 氧电势输出精度：±0.5mV；响应时间：≤1秒；
氧传感器(2)
目前，实际应用的氧传感器有氧化锆式氧传感器和氧化钛式氧传感器两种。而常见的氧传感器又有单引线、双引线和三根引线之分，；单引线的为氧化锆式氧传感器；双引线的为氧化钛式氧传感器；三根引线的为加热型氧化锆式氧传感器，原则上三种引线方式的氧传感器是不能替代使用的。 氧传感器一旦出现故障，将使电子燃油喷射系统的电脑不能得到排气管中氧浓度的信息，因而不能对空燃比进行反馈控制，会使发动机油耗和排气污染增加，发动机出现怠速不稳、缺火、喘振等故障现象。因此，必须及时地排除故障或更换。 氧传感器的常见故障 1.氧传感器中毒 氧传感器中毒是经常出现的且较难防治的一种故障，尤其是经常使用含铅汽油的汽车，即使是新的氧传感器，也只能工作几千公里。如果只是轻微的铅中毒，接着使用一箱不含铅的汽油，就能消除氧传感器表面的铅，使其恢复正常工作。但往往由于过高的排气温度，而使铅侵入其内部，阻碍了氧离子的扩散，使氧传感器失效，这时就只能更换了。 另外，氧传感器发生硅中毒也是常有的事。一般来说，汽油和润滑油中含有的硅化合物燃烧后生成的二氧化硅，硅橡胶密封垫圈使用不当散发出的有机硅气体，都会使氧传感器失效，因而要使用质量好的燃油和润滑油。修理时要正确选用和安装橡胶垫圈，不要在传感器上涂敷制造厂规定使用以外的溶剂和防粘剂等。 2.积碳 由于发动机燃烧不好，在氧传感器表面形成积碳，或氧传感器内部进入了油污或尘埃等沉积物，会阻碍或阻塞外部空气进入氧传感器内部，使氧传感器输出的信号失准，ECU不 能及时地修正空燃比。产生积碳，主要表现为油耗上升，排放浓度明显增加。此时，若将沉积物清除，就会恢复正常工作。 3.氧传感器陶瓷碎裂 氧传感器的陶瓷硬而脆，用硬物敲击或用强烈气流吹洗，都可能使其碎裂而失效。因此，处理时要特别小心，发现问题及时更换。 4.加热器电阻丝烧断
氧传感器到什么温度才工作 分几种 文字版共10页文档
氧传感器到什么温度才工作分几种文字版氧传感器到什么温度才工作,分几种 氧传感器的作用 在使用三元催化转换器以减少排气污染的发动机上，氧传感器是必不可少的元件。由于混合气的空燃比一旦偏离理论空燃比，三元催化剂对CO、HC和NOx的净化能力将急剧下降，故在排气管中安装氧传感器，用以检测排气中氧的浓度，并向ECU发出反馈信号，再由ECU控制喷油器喷油量的增减，从而将混合气的空燃比控制在理论值附近。 电喷车为获得高排气净化率，降低排气中(CO)一氧化碳、(HC)碳氢化合物和(NOx)氮氧化合物成份，必须利用三元催化器。但为了能有效地使用三元催化器，必须精确地控制空燃比，使它始终接近理论空燃比。催化器通常装在排气歧管与消声器之间。氧传感器具有一种特性，在理论空燃比(14.7：1)附近它输出的电压有突变。这种特性被用来检测排气中氧气的浓度并反馈给电脑，以控制空燃比。当实际空燃比变高，在排气中氧气的浓度增加而氧传感器把混合气稀的状态(小电动势：O伏)通知ECU。当空燃比比理论空燃比低时，在排气中氧气的浓度降低，而氧传感器的状态(大电动势：1伏)通知(ECU)电脑。 ECU根据来自氧传感器的电动势差别判断空燃比的低或高，并相应地控制喷油持续的时间。但是，如氧传器有故障使输出的电动势不正常，(ECU)电脑就不能精确控制空燃比。所以氧传感器还能弥补由于机械及电喷系统其它件磨损而引起空燃比的误差。可以说是电喷系统中唯一有"智能"的传感器。 [编辑本段]氧传感器的组成 主氧传感器包括一根加热氧化锆元件的热棒，加热棒受(ECU)电脑控制，当空气进量小(排气温度低)电流流向加热棒加热传感器，使能精确检测氧气浓度。 在试管状态化锆元素(ZRO2)的内外两侧，设置有白金电极，为了保护白金电极，用陶瓷包覆电机外侧，内侧输入氧浓度高于大气，外侧输入的氧浓度低于汽车排出气体浓度。 应当指出采用三元催化器后，必须使用无铅汽油，否则三元催化器和氧传感器会很快失效。再注意，氧传感器在油门稳定，配制标准混合
氧化锆氧传感器工作原理
氧化锆氧传感器工作原理-标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
第一部分氧化锆氧传感器工作原理 一、产品简介： 氧化锆氧传感器是利用氧化锆陶瓷敏感元件测量各类加热炉或排气管道中的氧电势，由化学平衡原理计算出对应的氧浓度，达到监测和控制炉内燃烧空然比，保证产品质量及尾气排放达标的测量元件，广泛应用于各类煤燃烧、油燃烧、气燃烧等炉体的气氛控制。它是目前最佳的燃烧气氛测量方式，具有结构简单、响应迅速、维护容易、使用方便、测量准确等优点。运用该传感器进行燃烧气氛测量和控制既能稳定和提高产品质量，又可缩短生产周期，节约能源。 二、氧传感器工作原理： 氧传感器是利用稳定的二氧化锆陶瓷在650℃以上的环境中产生的氧离子导电特性而设计的。在一定的温度条件下，如果在二氧化锆块状陶瓷两侧的气体中分别存在着不同的氧分压(即氧浓度)时，二氧化锆陶瓷内部将产生一系列的反应，和氧离子的迁移。这时通过二氧化锆两侧的引出电极，可测到稳定的毫伏级信号，我们称之为氧电势。它服从能斯特(Nernst)方程： 式中E为氧传感器输出的氧电势(mv)，Tk为炉内的绝对温度（K），P1和P2分别为二氧化锆两侧气体的氧分压。实际应用时，将二氧化锆的一侧通入已知氧浓度的气本（通常为空气），我们称之为参比气。另一侧则是被测气体，就是我们要检测的炉内的气氛，详见图1。氧传感器输出的信号就是氧电势信号，通过能斯特方程我们就可以得到被测炉气氛中的氧分压和氧电势的关系。参比气为空气时，可表示为： 式中E为氧传感器输出氧电势；Tk为炉内的绝对温度；P02为炉内的氧分压。我们的氧传感器产品带有自加热装置，一般温度保证在700℃，这样TK数值基本是恒定的，从而通过上式可以直接测量出炉内氧分压浓度。工程应用中采用标准气体来标定氧传感器输出氧电势E和氧分压浓度PO2的对应关系，这种方法也是目前公认的最准确、最直接的标定方法。 第二部分 HMP系列氧传感器 一．HMP氧传感器基本结构： HMP氧传感器的核心部件采用进口氧化锆氧传感器（详见图2），该氧化锆氧传感器自带智能加热装置，提供稳压恒定控制信号即可快速达到使用温度，并保证传感器在该恒定温度下连续、稳定工作。安装该探头需要调整引导板方向，尽量使引导板正对气流方向，这样才能形成对检测气氛的气体自导流。进口氧化锆氧传感器典型性能特性如下： 零点误差：￡±0.2mv ；交流电阻（1500赫兹）：（700℃）￡100 千欧；（1100℃）￡ 5 千欧。响应时间（700-1300℃）：￡1秒 二．HMP氧传感器采样、维护方式： HMP氧传感器采用气氛自导流方式，导入被检测气氛，考虑工程现场的环境因数，设计有吹扫清除通道，可方便地对采样引导管道进行吹扫工作，以避免炉内或管道内的灰尘、煤灰、油杂质等等堵塞采样管，请参考图3。
氧传感器工作原理
氧探头工作原理 氧探头又称氧化锆浓差电池，它的工作原理(见示意图)是：以高温氧化锆作固体电解质，在高温下若电解质两侧氧浓度不同时，便形成氧浓差电池。浓差电池产生的电势与两侧氧浓度有关，如一侧氧浓度固定，即可通过测量浓差电势来测量另一侧的氧含量。 氧化锆固体电解质是在氧化锆（ZrO2）中掺入一定数量的氧化钙（CaO）,经高温焙烧而成。在氧化锆电介质的内外壁上用高温烧结(或压紧)的方法附上不易氧化的多孔性（网状）白金电极和电极（丝）引线。经过上述掺杂和焙烧而成的氧化锆，其晶型为稳定的立方晶体，晶体中部分四价锆离子被二价钙离子所取代而形成氧离子空穴。由于氧离子空穴的存在，在600-1200℃高温下，这种氧化锆材料就成为对氧离子有良好的传导性的固体电解质。在氧化锆两侧氧浓度不等时，浓度大的一侧的氧原子在该侧的表面电极上结合两个电子形成氧离子（1/2 O2+2e- - O-）,然后通过氧化锆材料晶格中的氧离子空穴向氧浓度低的一侧运动，当到达低浓度一侧时，便在该侧电极上释放两个电子并结合成氧分子放出（O- -1/2 O2+2e-）,于是在高氧侧和低氧侧电极上分别造成正负电荷积累，产生电势，此电势阻碍这种迁移的进一步进行，直至达到平衡为止，从而形成氧浓差电池。 氧探头在可空气氛加热炉中使用的药店及常见故障 1.在可控气氛加热炉中氧探头的使用要点 （1）氧探头属于一种高精度、高灵敏的传感器，其核心元件氧化锆头是球状或管状结构陶瓷件，很容易受冲击破碎。在新的氧探头使用前，应仔细检查氧探头是否受过碰撞，氧探头是否有弯曲，氧探头外管有无裂纹，探头部位氧化锆是否有裂纹或破裂、或有陶瓷装碎片；轻轻摇动氧探头，听听氧探头内部是否有响声。如有响声，可能是氧探头的氧化锆已经破裂。 （2）氧探头在安装时要注意安装位置插入炉膛50-100mm，安装在炉气较稳定的区域内。不要靠近各种渗剂的滴注口、分扇附近；不要安装在炉内口、角落、震动大的部位。如安装在井式炉炉盖等处时，应在氧探头前端家保护套并注意气氛流通良好。 （3）注意氧探头安装座与炉壳保持良好的密封性，不要漏气。氧探头联线使用屏蔽信号线，防止信号干扰。 （4）氧探头最好在室温装入炉内，随炉升温到使用温度，避免急冷、急热。安装时注意轻拿轻放。如遇特殊情况，在高温状态下需要拔出或插入氧探头时，拔出或插入速度控制在30mm/min以内，并且在氧探头拔出加热炉时，应停供可燃气氛，降低炉压，以避免高温氧探头拔出引燃气氛被火苗烫伤。 （5）初次使用氧探头，需对氧探头进行预渗碳8-24h,建议不要在新炉刚开始预渗碳时就安装氧探头。因为在新炉预渗碳时，炉中可能还存在较多水分等杂质，气氛不稳定，会对氧探头的使用造成不良影响；一般在新加热炉烘炉结束，用甲醇预渗碳24h以上再安装氧探
氧化锆传感器
氧化锆氧传感器原理及应用 作者:日期:2007-4-16 16:25:57原地址: 一、序言： 人们早就知道，某些固体氧化物、卤化物、硫化物等具有离子导电性能，其中最著名的是1989年Nernst发现的稳定氧化锆在高温下呈现的离子导电现象。在此后的一段时期内，尽管人们对这种具有离子导电性能的物质——固体电解质进行了种种研究，但始终进展不大。直到1957年，K.kiukkala和C.Wagner首次用固体电解质组装原电池并从理论上阐明其原理以后，这方面的研究和应用才得以迅速发展。在所有固体电解质，氧化锆是目前研究和开发应用得最普遍的一种。它不仅用来作高温化学平衡，热力学和动力学研究，而且已在高温技术，特别是高温测试技术上得到广泛应用。氧探头这种以氧化锆固体电解质为敏感元件，用以测定氧浓度的装置就是一个典型的例子。1961年，J.Weissbart和R.Ruka研制成功的第一个氧化锆浓差电池测氧仪。七十年代初出现商业用氧化锆氧探头以后，引起科学界和工业界的普遍重视，特别是西德、日本、美国等国都进行了深入的研究和产品开发工作。到七十年代中期，氧探头的理论和实践已趋成熟，开发出了多种结构形式的氧探头。 由于氧探头与现有测氧仪表(如磁氧分析器、电化学式氧量计、气象色谱仪等)相比，具有结构简单，响应时间短(0.1-0.2秒)，测量范围宽(从ppm到百分含量)，使用温度高(600～1200℃)，运行可靠，安装方便，维护量小等优点，因此在冶金、化工、电力、陶瓷、汽车、环保等工业部门得到广泛的应用。 二、氧传感器测氧原理 氧探头是利用氧化锆陶瓷敏感元件来测量各类应用环境下的氧含量的，通过它以求实现工业加热炉燃烧过程自动控制，以及热处理可控气氛炉对零件的质量控制。下面介绍氧化锆陶瓷是如何来完成测氧功能的。 1.ZrOa锆头的导电机制 ZrO2是典型的离子晶体，ZrO2中添加的二价或三价立方对称氧化物，如CaO、MgO、Y2O3和其它三价稀土氧化物时，在适当的加热和冷却条件下可以使ZrO2在600℃以上时成为氧的快离子导体，人们称它为固体电解质。这种陶瓷材料对氧具有高度的敏感性，选择性亦十分好，用它作成的氧探头（又称氧传感器）广泛应用于工业炉和环境保护。ZrO2固体电解质是离子导电体，它是通过晶格内的氧离子空位来实现导电的，锆的导价金属氧化物的加入在ZrO2 晶格中产生了大量的氧离子空位（如图1所示）。每加入二个钇离子就建立一个氧离子空位，ZrO2的缺陷浓度主要决定于添加剂的加入量，而与温度和环境气氛无关。ZrO2的离子导电就是通过ZrO2内的氧离子的迁移来实现的。 2.氧传感器的测氧原理： 在氧化锆电解质(ZrO2管)的两侧面分别烧结上多孔铂（Pt）电极，在一定温度下，当电解质两侧氧浓度不同时，高浓度侧(II侧Pref)的氧分子被吸附在铂电极上与电子（4e）结合形成氧离子O2-，使该电极带正电，O2-离子通过电解质中的氧离子空位迁移到低氧浓度侧（I侧Po2）的Pt电极上放出电子，转化成氧分子，使该电极带负电。 这样在两个电极间便产生了一定的电动势，氧化锆电解质、Pt电极及两侧不同氧浓度的气体组成氧探头即所谓氧化锆浓差电池。这种电池电动势产生的原动力是两侧电极上氧的化学位差。 在氧探头中，高浓度侧气体用已知氧浓度（Pref）的气体作为参比气，如用空气，则Pref =20.6% 。将此值及（5）式中的常数项合并。则得参比气为空气的能斯特公式 E=0.0215Tln0.2095／PO2 （6） 可见，如能测出氧探头的输出电动势E和被测气体的绝对温度T，即可算出被测气体的氧分压（浓度）PO2 。 在实际应用中，通过检测气体的氧电势及温度，通过以能斯特公式为基础的数学模型，就可以推算出被测气体的氧含量（百分比）。这就是氧化锆氧探头的基本检测原理。
压力传感器原理【详解】
压力传感器原理 内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 一．压力传感器原理 一些常用传感器原理及其应用: 1、应变片压力传感器原理与应用 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。 在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。
金属电阻应变片的内部结构 1、应变片压力传感器原理 如图1所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 电阻应变片的工作原理 金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： 式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω?cm2/m） S——导体的截面积（cm2） L——导体的长度（m） 我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长
氧化锆氧传感器的原理及应用
氧化锆氧传感器的原理及应用 第一部分氧化锆氧传感器工作原理 一、产品简介： 氧化锆氧传感器是利用氧化锆陶瓷敏感元件测量各类加热炉或排气管道中的氧电势，由化学平衡原理计算出对应的氧浓度，达到监测和控制炉内燃烧空然比，保证产品质量及尾气排放达标的测量元件，广泛应用于各类煤燃烧、油燃烧、气燃烧等炉体的气氛控制。它是目前最佳的燃烧气氛测量方式，具有结构简单、响应迅速、维护容易、使用方便、测量准确等优点。运用该传感器进行燃烧气氛测量和控制既能稳定和提高产品质量，又可缩短生产周期，节约能源。 二、氧传感器工作原理： 氧传感器是利用稳定的二氧化锆陶瓷在650℃以上的环境中产生的氧离子导电特性而设计的。在一定的温度条件下，如果在二氧化锆块状陶瓷两侧的气体中分别存在着不同的氧分压(即氧浓度)时，二氧化锆陶瓷内部将产生一系列的反应，和氧离子的迁移。这时通过二氧化锆两侧的引出电极，可测到稳定的毫伏级信号，我们称之为氧电势。它服从能斯特(Nernst)方程：式中E为氧传感器输出的氧电势(mv)，Tk 为炉内的绝对温度（K），P1和P2分别为二氧化锆两侧气体的氧分压。实际应用时，将二氧化锆的一侧通入已知氧浓度的气本（通常为空气），我们称之为参比气。另一侧则是被测气体，就是我们要检测的炉内的气氛，详见图1。氧传感器输出的信号就是氧电势信号，通过能斯特方程我们就可以得到被测炉气氛中的氧分压和氧电势的关系。参比气为空气时，可表示为：式中E为氧传感器输出氧电势；Tk为炉内的绝对温度；P02为炉内的氧分压。我们的氧传感器产品带有自加热装置，一般温度保证在700℃，这样TK数值基本是恒定的，从而通过上式可以直接测量出炉内氧分压浓度。工程应用中采用标准气体来标定氧传感器输出氧电势E和氧分压浓度PO2的对应关系，这种方法也是目前公认的最准确、最直接的标定方法。 第二部分 HMP系列氧传感器 一．HMP氧传感器基本结构： HMP氧传感器的核心部件采用进口氧化锆氧传感器（详见图2），该氧化锆氧传感器自带智能加热装置，提供稳压恒定控制信号即可快速达到使用温度，并保证传感器在该恒定温度下连续、稳定工作。安装该探头需要调整引导板方向，尽量使引导板正对气流方向，这样才能形成对检测气氛的气体自导流。进口氧化锆氧传感器典型性能特性如下：零点误差：￡±0.2mv ；交流电阻（1500赫兹）：（700℃）￡100 千欧；（1100℃）￡ 5 千欧。响应时间（700-1300℃）：￡1秒 二．HMP氧传感器采样、维护方式： HMP氧传感器采用气氛自导流方式，导入被检测气氛，考虑工程现场的环境因数，设计有吹扫清除通道，可方便地对采样引导管道进行吹扫工作，以避免炉内或管道内的灰尘、煤灰、油杂质等等堵塞采样管，请参考图3。 三．技术性能： 使用温度：室温～1100℃；氧电势显示范围：－50～1240mV；氧电势输出精度：±0.5mV；响应时间：≤1秒；正常使用使用寿命：≥18个月。 第三部分氧传感器的安装 合理的安装是保证氧传感器可靠运行的关键，许多使用问题均由于氧传感器安装不当造成的，希望用户一定要特别注意这一点，安装氧传感器请尽量考虑氧传感器的安装要求： 一、采样测量点： 确定测量点是首要的工作。应遵循如下几项原则： （1）选择的测量点要求能正确反映所需要的炉内气氛，以保证氧传感器输出信号的真实性，尽量避开回风死角；