1994 电化学氧化锆氧传感器的多孔铂电极(连载一)

汽车用氧传感器摘要：随着人们对汽车的需求越来越大，汽车已逐渐成为人们生活的必需品。

而随之带来的污染、能源短缺等问题也就越来越严重。

因此，对于汽车排放出来的有害气体的净化处理越来越受到重视。

车用传感器地迅速发展在汽车尾气排放的控制，节省燃料和进化空气方面起到了重要作用。

本文简述了氧传感器的功能、构造、工作原理及其类型,指出我国加速发展汽车用氧传感器的必要性。

关键词：汽车尾气排放净化氧气传感器引言：氧传感器用于检测废气中剩余氧气的含量,并将此量值以电信号的形式传给电控单元, 电控单元根据这个信号修正喷油量的多少, 形成发动机在该工况下所需浓度的混合气, 使三元催化反应器(在理论空燃比时)发挥最佳的净化效果, 且使发动机实现了闭环控制状态。

汽车尾气中不仅含有未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳, 而且含有致癌物质氮氧化物。

现在, 汽车造成的污染问题已引起了全世界的关注, 工业发达国家制订了愈来愈严格的尾气排放标准。

目前, 汽车用氧传感器主要包括浓差电池型ZrO2传感器、极限型ZrO2传感器、半导体型TiO2传感器。

近年来,氧传感器在汽车上的应用日益广泛,汽车用氧传感器的发展十分迅猛。

1977年汽车用固体电解质型氧传感器还不足20万只, 但到1980年已超过百万只,1984年达到40万只,迄今每年有数千万只用于汽车工业。

氧传感器在钢铁工业等领域也获得大量应用,其产量已占整个气体传感器的39% ,居于首位。

1.氧传感器的构造及工作原理常用的氧传感器有氧化锆传感器与氧化钛传感器。

氧化钛传感器是用二氧化钛(TiO2)作为敏感元件,由于高纯度二氧化钛是一种在常温具有高电阻的半导体,若氧气不足,氧化钛的晶格就出现缺陷,导致电阻值减少。

实际使用中接一个电阻器与二氧化钛构成分压电路,降低蓄电池电压。

对应混合气浓稀变化,二氧化钛的阻值低高变化,相应地钛氧传感器向电控单元提供一个高低变化的电压。

氧化锆( ZrO2) 是一种具有氧离子传导性的固体电解质, 并有部分氧化钇起稳定作用。

氧化锆氧传感器原理及应用摘要：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。

关键词：氧化锆氧传感器，氧传感器，测氧原理，传感器一、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。

一、实训目的本次实训旨在通过实际操作，加深对氧传感器工作原理、结构特点及检测方法的理解，掌握氧传感器的安装、调试和维护技能，提高分析问题和解决实际问题的能力。

二、实训时间2023年X月X日至2023年X月X日三、实训地点XX大学XX学院实验室四、实训内容1. 氧传感器的工作原理及结构特点2. 氧传感器的安装与调试3. 氧传感器的检测与维护4. 实际案例分析五、实训过程1. 氧传感器的工作原理及结构特点（1）氧传感器工作原理氧传感器是一种检测气体中氧含量的传感器，主要由敏感元件、参考电极和参比电极组成。

其工作原理是利用氧气的电化学性质，通过测量氧气浓度变化，产生相应的电压信号。

（2）氧传感器结构特点氧传感器结构紧凑，体积小，响应速度快，测量精度高。

其主要特点如下：- 敏感元件：采用氧化锆（ZrO2）作为敏感元件，具有优异的氧敏特性。

- 参考电极：采用贵金属铂（Pt）作为参考电极，具有稳定的化学性质。

- 参比电极：采用银/氯化银（Ag/AgCl）作为参比电极，用于提供稳定的参比电位。

2. 氧传感器的安装与调试（1）安装根据车辆型号和氧传感器类型，选择合适的安装位置。

一般安装在排气管附近，便于检测排气中的氧含量。

安装时，注意氧传感器与排气管的连接紧密，避免漏气。

（2）调试调试主要包括以下步骤：- 将氧传感器连接到测试仪器上，检查仪器工作正常。

- 打开点火开关，启动发动机，进入自检程序。

- 检查氧传感器输出电压，确保在正常范围内。

- 若电压异常，调整氧传感器与发动机的连接线，重新测试，直至电压恢复正常。

3. 氧传感器的检测与维护（1）检测检测主要包括以下内容：- 检查氧传感器外观，确保无损坏。

- 测量氧传感器输出电压，判断其是否在正常范围内。

- 检查氧传感器连接线，确保无松动、氧化等现象。

（2）维护维护主要包括以下内容：- 定期检查氧传感器，发现异常及时更换。

- 保持氧传感器表面清洁，避免灰尘、油污等杂质附着。

氧化错氧量分析仪的工作原理氧化锆氧量分析仪的工作原理自然界的氧化锆（ZrO2）矿物原料，主要有斜锆石和锆英石。

锆英石系火成岩深层矿物，颜色有淡黄、棕黄、黄绿等，比重 4.6-4.7，硬度7.5，具有强烈的金属光泽。

纯的氧化锆是一种高级耐火原料，其熔融温度约为2900 C。

纯净的氧化锆是白色固体，含有杂质时会显现灰色或淡黄色，添加显色剂还可显示各种其它颜色。

纯氧化锆的分子量为123.22，理论密度是5.89g/cm3，熔点为2715 C。

氧化锆有三种晶体形态：单斜、四方、立方晶相。

常温下氧化锆只以单斜相出现，加热到1100 C左右转变为四方相，加热到更高温度会转化为立方相。

由于在单斜相向四方相转变的时候会产生较大的体积变化，冷却的时候又会向相反的方向发生较大的体积变化，容易造成产品的开裂，限制了纯氧化锆在高温领域的应用。

但是添加稳定剂以后，四方相可以在常温下稳定，因此在加热以后不会发生体积的突变，大大拓展了氧化锆的应用范围。

由于氧化锆材料具有高硬度，高强度，高韧性, 极高的耐磨性及耐化学腐蚀性等等优良的物化性能，氧化锆已经在陶瓷、耐火材料、机械、电子、光学、航空航天、生物、化学等等各种领域获得广泛的应用。

1989年能斯特（Nernst ）发现稳定氧化锆在高温下呈现的离子导电现象。

从此氧化锆成为研究和开发应用最普遍的一种固体电解质，它已在高温技术，特别是高温测试技术上得到广泛应用。

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（0.1s〜0.2s），测量范围宽（从ppm到百分含量），使用温度高（600 C〜1200 °C ），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。

来自海洋兴业仪氧化锆氧探头的测氧原理氧化锆的导电机理：电解质溶液靠离子导电，具有离子导电性质的固体物质称为固体电解质。

氧化锆氧量分析仪讲义摘要：氧化锆作为一种耐火原料，以其熔融温度高达2900℃的独特的热稳定性，被广泛应用在工业测量设备——氧量分析仪的制造上。

氧化锆氧量分析仪又被称为氧化锆氧量计，通常用来测量燃烧过程中烟气的含氧浓度以及非燃烧气体氧浓度测量。

该分析仪氧传感器的关键部件由氧化锆制成，内外两侧涂上多孔性铂电极制成氧浓度差电池，传感器内温度恒定的电化学电池产生一个毫伏电势，直接反应出烟气中含氧浓度值。

本文主要讲述氧化锆氧量分析仪的原理、应用及故障处理。

关键词：氧化锆氧量分析仪原理、应用、故障处理。

一、概述：1、参比概念：reference 为仪器仪表性能试验或保证测量结果能有效比对而规定的一组带有允差的影响量的值或范围。

2、原理：氧化锆电解质的两面各烧结一个铂电极，当氧化锆两侧的氧分压不同时，氧分压高的一侧的氧以离子形式向氧分压低的一侧迁移，结果使氧分压高的一侧铂电极失去电子显正电，而氧分压低的一侧铂电极得到电子显负电，因而在两铂电极之间产生氧浓差电势。

此电势在温度一定时只与两侧气体中氧气含量的差（氧浓差）有关。

若一侧氧气含量已知（如空气中氧气含量为常数），则另一侧氧气含量（如烟气中氧气含量）就可用氧浓差电势表示，测出氧浓差电势，便可知道烟气中氧气含量。

设 P0>P1,在高温下（650~850℃）氧就会从分压大的P0侧向分压小的P1侧扩散，这种扩散，不是氧分子透过氧化锆从P0侧到P1侧，而是氧分子离解成氧离子后通过氧化锆的过程。

在750℃左右的高温中，在铂电极的催化作用下，在电池的P0侧发生还原反应，一个氧分子从铂电极取得4个电子，变成两个氧离子进入电解质，即O2(P0)+4e 2O^2-;P0侧的铂电极由于大量给出电子而带正电，成为氧浓差电池的正极或阳极。

反之，在电池P1侧发生的是氧化反应，氧离子在铂电极上释放电子并结合成氧分子析出。

氧化锆（ZrO2）是一种陶瓷，一种具有离子导电性质的固体。

在常温下为单斜晶体，当温度升高到1150℃时，晶型转变为立方晶体，同时约有7%的体积收缩；当温度降低时，又变为单斜晶体。

氧化锆氧量分析仪氧化锆氧量分析仪（ZirconiaOxygenAnalyzer），又称氧化锆氧分析仪、氧化锆分析仪、氧化锆氧量计、氧化锆氧量表，重要用于测量燃烧过程中烟气的含氧浓度，同样也适用于非燃烧气体氧浓度测量。

在传感器内温度恒定的电化学电池产生一个毫伏电势，这个电势直接反应出烟气中含氧浓度值。

将此分析仪应用于燃烧监视与掌控，将有助于充分燃烧，削减CO2、SOx及NOx的排放，从而为防止全球变暖及空气污染做出贡献。

同时，氧化锆氧量分析仪还可用于气氛掌控，精准明确掌控工艺生产过程；采纳两只探头测出干氧、湿氧可以换算出水分含量。

目录基本简介重要特点技术规格重要原理工作原理基本简介氧化锆氧量分析仪（ZirconiaOxygenAnalyzer），又称氧化锆氧分析仪、氧化锆分析仪、氧化锆氧量计、氧化锆氧量表，重要用于测量燃烧过程中烟气的含氧浓度，同样也适用于非燃烧气体氧浓度测量。

在传感器内温度恒定的电化学电池产生一个毫伏电势，这个电势直接反应出烟气中含氧浓度值。

将此分析仪应用于燃烧监视与掌控，将有助于充分燃烧，削减CO2、SOx及NOx的排放，从而为防止全球变暖及空气污染做出贡献。

同时，氧化锆氧量分析仪还可用于气氛掌控，精准明确掌控工艺生产过程；采纳两只探头测出干氧、湿氧可以换算出水分含量。

氧化锆氧量分析仪广泛应用于多种行业的燃烧监视与掌控过程，并且帮忙各行业领域取得了相当可观的节能效果。

应用领域包括能耗行业，如钢铁业、电子电力业、石油化工业、制陶业、造纸业、食品业、纺织品业，还包括各种燃烧设备，如焚烧炉、中小型锅炉等。

氧含量监测随着人们环保和节能意识的渐渐提高，浩繁大中型企业如钢铁冶金、石油化工、火力发电厂等，已将提高燃烧效率、降低能源消耗、降低污染物排放、保护环境等作为提高产品质量和加强产品竞争本领的紧要途径。

钢铁行业的轧钢加热炉、电力行业的锅炉等燃烧装置和热工设备，是各行业的能源消耗大户。

因此，如何测量和提高燃烧装置的燃烧效率、确定燃烧点，是非常令人挂念的。

®YYF94-Q氧化锆氧量变送器产品说明书上海晓舟电子仪表工贸有限公司版权所有©YYF94——Q氧化锆氧量变送器1.工作原理氧量变送器的作用是根据“能斯脱”公式，把氧量探头的氧电势和热电偶温度信号转换成与被测氧量成线性关系的电流输出。

本氧量变送器分为墙挂式和盘装式两种，这二种氧量变送器的电气部分完全一样，仅机械结构和安装方法不同。

氧量变送器按是否需要分为加热式和直插式二种，由于本氧量变送器的温度信号始终参与氧量运算，只要探头在其正常的工作温度范围内，探头温度的小范围变化不会影响氧量的测量，所以直插式变送器仅少—用于加热的固态继电器，探头少一加热炉。

按图1变送器硬件布置图由主机板、显示操作器和电源三部分组成，显示操作提供了一个强有力的人机接口，有关的信号都在上面显示，有关的可调参数都能在上面显示和修改。

本氧量变送器的主机是以单片机为基础的智能仪表，所有的运算、处理和控制都由软件完成。

氧电势、温度信号的输入转换和电流输出的转换采用模块化元件，这些元件具有可靠性强，精度高的特点，由于本仪表使用的元件集成度较高，使得整机结构简单，可靠性提高，使用、维护和维修方便。

氧电势和温度信号经各自的处理模块转换成0~5V信号，并由多路开关和A/D转换成数字量，单片机根据“能斯脱”公式计算出氧量。

计算出来的氧量值通过D/A转换成0~5V信号，并由隔离电流输出模块转换成4~20mA或0~10mA电流输出，电流输出最多2路。

变送器设有PI温度调节功能，并通过固态继电器控制加热炉。

变送器还设有组态开关，能使表计工作在不同的方式下。

2.仪表功能本氧量变送器除对氧电势和温度信号按“能斯脱”公式运算外，还具有以下其他功能：2.1 本底电势调整置于自然空气或旋开标准气接口，探头温度为650～750℃时，在显示操作器上读到的氧电势数值即为探头的本底电势。

先把变送器切到调整方式，在显示操作器上用“SEL”键调出本底电势（编号为04），通过“增”、“减”键来设置测得的探头本底电势值，并用“ENT”键来确认。

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。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810458551.0(22)申请日 2018.05.14(71)申请人 陆春景地址 362200 福建省泉州市晋江市七一路与烟浦南路111号春景贵金属再生资源回收公司(72)发明人 不公告发明人　(51)Int.Cl.C22B 7/00(2006.01)C22B 1/16(2006.01)C22B 59/00(2006.01)C22B 11/00(2006.01)(54)发明名称一种废旧氧传感器多孔铂电极的有价金属回收工艺(57)摘要本发明涉及一种废旧氧传感器多孔铂电极的有价金属回收工艺，利用与烧碱、氯化钙和硼砂混合后高温烧结，其烧结料热水浸出，加入盐酸且调整pH值，使陶瓷金属元素浓缩结晶成MOCl 2·nH 2O形式和贵金属元素一同进入滤渣，而稀土元素留在滤液中，通过草酸分离稀土元素，以及贵金属元素后续处理，实现了从废弃氧传感器铂电极元件中回收稀土元素和贵金属元素，工艺简单，成本低，且取得了较高的回收率。

权利要求书1页 说明书4页CN 108728646 A 2018.11.02C N 108728646A1.一种废旧氧传感器多孔铂电极的有价金属回收工艺，其特征是：所述废旧氧传感器多孔铂电极包含基体和电极材料，所述基体中含有稀土元素，所述电极材料为贵金属元素铂，所述工艺包括下列步骤：(1) 将所述废旧氧传感器多孔铂电极粉碎至粒度小于0.149mm，制得粉料；(2) 将所述粉料与烧碱、氯化钙和硼砂按比例混匀，然后加热到350～450℃保温1～2h，再继续加热至700～800℃保温2～3h，得烧结料；(3) 将所述烧结料粉碎后，用固体重量与液体体积比为1：4～6的热水浸出，水温为60℃以上，得到滤出物；(4) 向所述滤出物中按固体重量与液体体积比1∶3～3.5加入盐酸，先浸泡30～40分钟，再加热到温度为80～90℃，保温1～2h，反应后浓缩并冷却结晶，过滤得到一次滤渣和一次滤液；(5) 将所述一次滤液用氨水中和至pH 8～9，过滤得稀土化合物渣，再用盐酸将其溶解并加热至80～90℃，控制pH 1～2，加入过量的饱和草酸溶液搅拌进行反应，并控制温度为75～85℃，之后静置1～1.5h，过滤得草酸稀土，将所述草酸稀土加热煅烧，得到氧化稀土产品；(6) 将所述一次滤渣加入固体重量与液体体积比为1：3～4的去离子水后，二次过滤，得到二次滤渣，将所述二次滤渣放入炉中焙烧后，再用王水加热浸出，得到含有金属铂的溶液；(7) 将所述含有金属铂的溶液中加入氢氧化钠颗粒，再加入盐酸调整pH值为2～2.5，再加入分散剂和还原剂进行还原反应，反应过程中持续搅拌，溶液中析出得到超细铂粉，将所述超细铂粉洗涤去除多余的分散剂和还原剂，烘干后即得到超细铂粉产品。

图1为氧探头测氧原理示意图。

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(空气)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的Pt电极上放出电子，转化成氧分子，使该电极带负电。

两个电极的反应式分别为：参比侧：O2+4e——2O2- 测量侧：2O2-－4e——O2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。

两级之间的电动势E由能斯特公式求得：可E= (1)式中，EmV―浓差电池输出，n 4―电子转移数，在此为R理想气体常数，8.314 W·S／mol —T （K）F96500 C;PP1——待测气体氧浓度百分数0——参比气体氧浓度百分数—法拉第常数，—绝对温度该分式是氧探头测氧的基础，当氧化锆管处的温度被加热到600℃～1400℃时，高浓度侧气体用已知氧浓度的气体作为参比气，如用空气，则P，将此值及公式中的常数项合并，又实际氧化锆电池存在温差电势、接触电势、参比电势、极化电势，从而产生本地电势CmV）实际计算公式为：（0 =20.6%EmV）=0.0496Tln（0.2095/P1）±CmV）（（C本地电势(新镐头通常为±1mV) =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）P1 ，这就是氧化锆氧探头的基本检测原理。

三、氧化锆氧探头的结构类型及工作原理按检测方式的不同，氧化锆氧探头分为两大类：采样检测式氧探头及直插式氧探头。

1、采样检测式氧探头采样检测方式是通过导引管，将被测气体导入氧化锆检测室，再通过加热元件把氧化锆加热到工作温度（750℃以上）。

氧化锆一般采用管状，电极采用多孔铂电极（如图2）。

其优点是不受检测气体温度的影响，通过采用不同的导流管可以检测各种温度气体中的氧含量，这种灵活性被运用在许多工业在线检测上。

车辆排放控制中氧传感器的工作机理及波形分析摘要：氧传感器是闭环控制电子燃油喷射系统中一个关键零件，而且也是目前电喷系统中唯一具有智能化反馈功能的传感器。

通过汽车示波器对氧传感器的信号电压波形测试，分析其信号电压波形，对于了解车辆的工作状况有着非常重要的意义。

关键词：排放控制氧传感器波形分析1.排放控制技术1.1.废气成分我们呼吸的空气质量受诸多因素影响，工业企业、家庭、发电厂、道路交通都是主要的排污源。

所有的内燃机都遵循着一个基本的事实：要在发动机气缸内做到完全燃烧，是根本不可能的，即使提供再充足的氧气，也不可能。

排气中有害排放物的含量直接反映了发动机的燃烧效率，不完全燃烧加剧了有害排放的程度。

在火花点火发动机中，为了减少有害排放物，采用了三元催化转化器（见图1-1）。

图1-1：三元催化转化器的内部构造控制污染的所有法规的全部策略，其最终目的就是为了在获得最佳的燃油经济性、良好动力性能的同时，能使所产生的有害排放物最少。

在火花点火发动机的排气中，除了大量的无害气体外，还含有一些燃烧副产物（见图1-2），这些物质的大量聚集会危害环境。

这些污染物）和碳氢化合约占发动机排气总量的1%。

而这1%几乎完全由一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOX物（HC）组成。

空气-燃油混合气对这些物质的生成浓度有很重要的影响，NO的生成模式与CO、XHC正好相反。

图1-2：道路交通污染物的组成[1] 1.1.1.主要成分废气的主要成分是氮气（N2）、二氧化碳（CO2）和水蒸气（H2O）。

这些都是无毒物质。

氮气在大气中的含量是最丰富的。

在燃烧过程中氮气基本上不直接参与化学反应，它是废气的主要成分，约占71%。

只有少量的氮气与氧发生反应，生成氮氧化物。

燃油成分中的碳氢化合物完全燃烧生成的二氧化碳，约占排气的14%。

减少CO2的排放正变得越来越重要，因为CO2被认为是“温室效应”的制造者。

由于CO2是完全燃烧的产物（也可以在废气中生成），所以减少CO2排放的唯一方法是降低燃油消耗。

汽车氧化锆（ZrO 2）式氧气浓度传感器的原理与结构汽车氧化锆（ZrO 2）式氧气浓度传感器属于电化学传感器中浓度差电池式传感器类，又从属于浓度差电池式的固体电解质浓度差电池传感器。

一、基本理论当两种物质之间有化学反应，并出现电子转移现象时，就形成化学反应的电效应，是化学电池的基本原理。

其中的能量转换关系，由能斯特方程定量表示。

对物质A 、B 间的可逆化学反应B A βα+ H G ηγ+当有电子转移时，其电动势E 为ηγa a a a nF RT E E ln 0-= （1） 上式即为能斯特方程，能够产生电动势的典型化学反应是氧化-还原反应。

（1）式中：E ，化学反应电动势，单位为V ；E 0，标准电动势，不同的反应和温度有不同的标准电动势；R ，通用理想气体常数，R = 8.314 J·mol -1·K -1；T ，化学反应温度，单位为热力学温度K ；n ，化学反应中转移的电子数；F ，法拉第常数，表示每摩尔电子所携带的电荷，F =96485 C·mol -1，C 是电荷单位即库伦；a ，x 物质的活度，x 表示化学反应体系中的组分，为A 、B 、G 和H ，i =α，β，γ，η。

对理想溶液，活度是组分的浓度；对非理想溶液，活度代表组分的有效浓度。

对理想气体，可以用其分压力表示活度。

对实际气体，用逸度表示活度。

固体成分不计。

从（1）式可看出，化学反应电动势取决于化学反应的计量式，受反应温度和反应体系中各组分浓度的影响。

只有对确定的化学反应，在确定的反应温度或温度影响可以忽略的条件下，当被测组分物质以外的其它组分的浓度已经确定时，才能通过化学反应电动势测量被测组分物质的浓度。

二、典型结构汽车氧化锆式氧气浓度传感器的典型结构如图1所示。

传感器的主要元件是专用陶瓷体，即氧化锆（ZrO 2）、陶瓷薄膜和微孔铂（Pt ）电极。

氧化锆作为固体电解质，制成微孔管状（锆管），内外两侧有能透气的微孔Pt 电极。

随着汽车的普及化，汽车尾气排放造成的环境污染问题已不容忽视，汽车排放的CO、NO x、SO2等气体不但会对人体危害极大，也会给环境带来污染，是可持续发展战略的重大挑战，氧传感器可用于调节汽车尾气排放系统中的空气/燃料比(A/F)，提高燃油效率，并控制有害气体的排放。

除此之外，氧传感器在冶金、医疗、生物、航天等领域都有着至关重要的作用[1]。

氧传感器可以根据其运行原理和组装结构分为浓差电势型、极限电流型、半导体型。

浓差电势型氧传感器重复使用率较高、相对稳定，但此类传感器主要应用于A/F在14.6附近的反馈控制，且需要参比气体浓度相对稳定才能对待测气体氧分压进行计算，有较大的局限性。

由固体电解质层和扩散障两层组成的极限电流型氧传感器，无需参比气体，且具有稳定性好，响应快，使用寿命较长，成本低等特点，因而受到科研人员的关注。

极限电流型氧传感器可分为孔隙型和致密扩散障型，其中致密扩散障型致密扩散层极限电流型氧传感器克服了小孔和多孔层极限电流型氧传感器的缺点，具有结构简单、响应速度快、工作可靠、成本低廉等优点，是一种很有前景的极限电流型氧传感器。

极限电流型氧传感器主要由氧泵层(固体电解质层)和扩散障碍层组成。

其工作原理为：向固体电解质两侧电极施加合适的电压使其内部产生以氧离子为载流子的电流，将氧离子泵送到氧泵层另一侧后，失去电子，变为氧分子。

该电流称为感应电流，且随着电压的升高而增大，在电压达到一定值时电流达到稳定值，这是由于电压的增大增强了泵氧速率，但由于扩散障碍层的限制作用，使得扩散氧的速率达到极限，此时的电流值称为极限电流值，根据该数值可以测量待测氧分压。

在固体电解质的两侧电极，阳极一侧发生反应：O2+4e-→2O2-（式1）阴极一侧发生反应为：2O2-→O2+4e-（式2）极限电流型氧传感器分为物理扩散极限电流型以及化学扩散极限电流型，物理型分为小孔扩散障型和多孔扩散障型[4]，化学型分为混合导体扩散障型以及离子导体扩散障型[5]。

氧化锆氧量计中的氧化锆有三种晶体形态：单斜、四方、立方晶相，常温下氧化锆只以单斜相出现，加热到1100℃左右转变为四方相，但是如果添加稳定剂，在加热以后不会发生体积的突变，大大拓展了氧化锆的应用范围。

下面由安徽康斐尔电气有限公司为您介绍氧化锆氧量剂的工作原理，希望给您带来一定程度上的帮助。

1、氧化锆氧探头的测氧原理氧化锆的导电机理：电解质溶液靠离子导电，具有离子导电性质的固体物质称为固体电解质。

固体电解质是离子晶体结构，靠空穴使离子运动导电，与P型半导体空穴导电的机理相似。

纯氧化锆（ZrO2）不导电，掺杂一定比例的低价金属物作为稳定剂，如氧化钙（CaO2）、氧化镁（MgO）、氧化钇（Y2O3），就具有高温导电性，成为氧化锆固体电解质。

为什么加入稳定剂后，氧化锆就会具有很高的离子导电性呢？这是因为，掺有少量CaO2 的ZrO2混合物，在结晶过程中，钙离子进入立方晶体中，置换了锆离子。

由于锆离子是+4价，而钙离子是+2价，一个钙离子进入晶体，只带入了一个氧离子，而被置换出来的锆离子带出了两个氧离子，结果，在晶体中便留下了一个氧离子空穴。

2、氧化锆氧传感器工作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，测量电池本体分为3层：铂(电极)─氧化锆(电解质)─铂(电极)。

铂电极是多孔性的。

烟道气体通过过滤器或校验气体通过传导管进入测量电池被测气体一侧，而另一侧为参比空气(含氧20.60％)。

两种含氧浓度不同的气体作用在测量电池，便产生一个以对数为规律的电势(两侧的氧浓度差愈大, 电势信号愈大)。

毫伏信号经氧分析仪转换成0—10mA或4－20mA标准电流。

此电流由氧分析仪接线端子输出。

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