氧氣傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理詳解
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，陽極和電解液組成。氧氣傳感器簡(jiǎn)單來說是一個(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，允許氧氣通過進(jìn)入工作電極。兩個(gè)電極通過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（參見圖1）。
圖1 氧氣傳感器結(jié)構(gòu)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(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電解質(zhì)到達(dá)陽極（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完全被氧化，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，但也可以通過增加陽極鉛的含量或限制接觸陽極的氧氣量來延長(zhǎng)傳感器的使用壽命。
毛細(xì)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(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。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，如果沒有控制好就會(huì)出現(xiàn)問題。同樣的問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。
所有細(xì)孔氧氣傳感器都采用了抗大流量機(jī)制，見圖2。根本上來說，可以增加一個(gè)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(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。
圖2 – 傳感器毛細(xì)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(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)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)入傳感器的唯一方法，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。
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30%時(shí)才出現(xiàn)偏差，給測(cè)量帶來困難。而分壓傳感器的線性輸出可以達(dá)到100% 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)散通過薄膜是一個(gè)活動(dòng)的過程，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，因而許多氧氣傳感器產(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)通過柵板（薄膜或細(xì)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(chǔ)備，保證了傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和低漂移性。
深圳市工采網(wǎng)科技有限公司提供高質(zhì)量的氧氣傳感器O2-A2，此產(chǎn)品的特點(diǎn)：
- 穩(wěn)定性好
- 輸出線性的電流信號(hào)，方便后續(xù)開發(fā)
- 此產(chǎn)品的使用壽命為2年
O2-A2實(shí)物圖
一、電化學(xué)氧氣傳感器(O2-A2)描述：
氧氣傳感器（O2-A2）主要用于測(cè)量環(huán)境中氧氣氣體濃度，根據(jù)測(cè)量范圍的不同和工作壽命的長(zhǎng)短，氧氣傳感器有多個(gè)型號(hào)，比如：長(zhǎng)壽命氧氣傳感器（O2-A3）?、氧氣傳感器（O2-A2）?、氧氣傳感器O2-A1(1年壽命)?、氧氣傳感器O2-G2（小尺寸）?、?氧氣傳感器O2-C2?、氧氣傳感器O2-C3?等。
二、電化學(xué)氧氣傳感器(O2-A2)主要特性：
| 氧氣傳感器測(cè)量范圍(%): | 0-30 |
| 工作壽命: | >24達(dá)到初始信號(hào)的85%時(shí)的月數(shù) |
| 尺寸（mm）: | Φ20.3×16.8mm |
| 輸出: | 80-120μA@22°C,20.9%O2 |
| 響應(yīng)時(shí)間t90(秒): | <15從20.9%到0(負(fù)載47Ω) |
| 線性度(ppm): | <0.6全量程時(shí)線性誤差(零點(diǎn),400ppm) |
| 重量: | <16g |
| 溫度范圍: | -30~55℃ |
| 壓力范圍: | 80-120Kpa |
| 濕度范圍: | 5~95%RH |
| 儲(chǔ)存時(shí)間: | 6月(儲(chǔ)存溫度3~20℃) |
| 負(fù)載電阻: | 47-100歐姆 |
三、電化學(xué)氧氣傳感器(O2-A2)應(yīng)用范圍：
氧氣傳感器應(yīng)用廣泛，在煤礦，鋼鐵，石油化工，醫(yī)療等都大量使用
四、電化學(xué)氧氣傳感器(O2-A2)典型應(yīng)用：
氧氣報(bào)警器，氣氛分析儀
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