氧化锆氧传感器的研究进展

传感器电化学氧化锆氧化锆（Zirconia）是一种具有重要应用价值的材料，尤其是在传感器和电化学领域。

它的化学式是ZrO2，具有高熔点、高电阻率、高催化性和良好的热、力学性能等优点。

因此，氧化锆已经广泛应用于气体和液体传感器、电化学传感器和其它相关设备中。

氧化锆在传感器领域的应用主要体现在气体浓度检测和液体参数监测。

其中，气体浓度检测主要包括氧气浓度和气体成分检测。

氧化锆氧传感器基于氧化锆的电化学性质，利用其在高温下与氧气发生反应生成氧离子的特性，通过测量氧离子浓度的变化来检测气体中氧气的浓度。

这种传感器广泛应用于燃烧控制、车辆尾气监测和生命科学等领域。

另外，氧化锆还可以用于检测其它气体成分，如CO2、CO、NOx等，适用于环境监测、工业过程控制等应用场合。

除了气体传感器，氧化锆在液体参数监测中也有广泛应用。

例如，氧化锆pH传感器通过测量液体中氧离子和阳离子的浓度变化来监测液体的pH值。

这种传感器通常用于化学、医疗和生物技术领域，广泛应用于水质监测、生物反应器控制等。

此外，氧化锆还可以用于测量液体中的电导率、温度等参数，对于工业过程控制和环境监测等具有重要作用。

在电化学领域，氧化锆也是一个重要的材料。

由于氧化锆具有高催化性和良好的电化学性能，它被广泛应用于电化学传感器和电化学催化剂中。

电化学传感器是一种通过测量电流、电势或阻抗变化来检测物质浓度或参数变化的传感器。

氧化锆基的电化学传感器通常通过改变表面的电势来实现对物质浓度或参数变化的检测。

这种传感器广泛应用于环境监测、生命科学和工业过程控制等领域。

此外，氧化锆还可以作为电化学催化剂，在电化学反应中发挥催化作用。

例如，氧化锆可以用作氧还原反应的催化剂，促进氧气在电极表面的还原和氧化反应。

这种催化剂常用于燃料电池、电解水制氢等系统中，对于能源领域具有重要意义。

综上所述，氧化锆在传感器和电化学领域具有广泛的应用价值。

通过利用氧化锆的电化学性质和催化性能，可以开发出高精度、高灵敏度的传感器，并且在物质浓度检测和参数监测中具有重要作用。

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。

氧化锆氧传感器工作原理
氧化锆氧传感器是一种使用氧化锆材料作为传感元件的气体传感器。

其工作原理基于氧化锆对氧气敏感的特性。

氧化锆是一种具有高离子电导率的固体材料，当氧分子与氧化锆接触时，氧分子会从气相中被电子从氧化锆表面弹出，生成氧化锆表面上的氧空缺。

这些氧空缺会导致氧化锆晶体形成正电静电场。

当氧气含量较高时，氧分子与氧化锆的接触频率较高，氧空缺较少，正电静电场较小。

而当氧气含量较低时，氧分子与氧化锆的接触频率较低，氧空缺较多，正电静电场较大。

氧化锆氧传感器利用这种特性来测量氧气含量。

传感器的结构中包含两个氧化锆电极，其中一个电极暴露在待测气体中，另一个电极则绝缘不被气体接触。

这两个电极之间的空间中装填着一种离子传导液体，该液体允许氧离子在两个电极之间传递。

当氧气含量较高时，氧化锆电极上的氧分子被电子弹出，产生氧空缺，形成正电静电场。

这个正电静电场会促使氧离子从暴露在气体中的电极传导到绝缘电极，引起电流流动。

而当氧气含量较低时，氧化锆电极上的氧空缺增加，正电静电场增大，导致更多的氧离子传导。

因此，氧化锆氧传感器的输出电流与氧气含量呈线性关系。

通过测量传感器的输出电流，可以确定待测气体中的氧气含量。

这种氧化锆氧传感器具有高灵敏度、快速响应、稳定可靠等优
点，因此广泛应用于空气质量监测、工业过程控制、环境监测等领域。

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。

氧化锆基混合电势型NOx传感器的研究进展摘要：从传感器的工作机理、敏感电极材料发展、结构研究等方面综述近几年氧化锆基混合电势型nox气体传感器的研究进展，展望此类传感器的应用前景和发展方向。

关键词：氧化锆混合电势 nox传感器中图分类号：tp212.2 文献标识码：a 文章编号：1007-3973（2013）005-055-02近年来，随着世界汽车用量的猛增，随之带来的汽车尾气污染问题日趋严重。

一些城市由过去的煤烟型污染转成以机动车排放污染为主。

汽车尾气中氮氧化物气体nox（no2+no）的排放会破坏臭氧层、引起酸雨和光化学烟雾，已对人类的生存和身体健康构成了严重威胁。

为此急需开发能够实现准确、快速地测定汽车尾气中nox 含量的装置。

传统的nox检测装置（如，化学发光测定仪、色谱仪等）虽然具有较高的灵敏度和较低的检出限，但装置复杂、价格昂贵，且不能实现nox的现场连续监测，也不便于汽车上的安装。

相对而言，化学类nox传感器则能对汽车尾气中nox实现简便、快速、现场连续监测。

基于氧化锆为固体电解质的混合电势型nox传感器是近年来逐渐发展起来的一种新型化学类nox传感器。

在过去的十几年中，氧化锆基混合电势型nox传感器得到了迅速发展，研究者从传感器的电极材料、结构、工作机理等方面对此类传感器进行了广泛的研究报道。

1 nox传感器敏感电极材料的发展氧化锆基混合电势型nox传感器最早采用y2o3稳定的zro2（ysz）作固体电解质，au等贵金属作敏感电极。

但是，由于au电极在高温下的快速再结晶而失去催化活性，使得传感器在高温下不能进行长时间稳定地工作，无法实现nox现场连续监测。

为此，研究者们尝试采用难熔氧化物电极材料取代au等贵金属作传感器的敏感电极，以提高传感器在高温下的稳定性和可重复性。

s.zhuiykov等首先对znfe2o4、zncr2o4等十几种尖晶石型氧化物电极材料进行了研究测试。

发现以znfe2o4作敏感电极制备的氧化锆基nox传感器，在550-700℃范围内，对no和no2均具有最高的响应电势，且电势信号与nox浓度呈现良好的线性关系，但该传感器的响应时间还有待提高；而以zncr2o4作敏感电极制备的传感器则具有更短的响应时间。

浅析氧化锆传感器的前世今身
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和提升功率，而且还有效地降低了排放污染。

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。

 1、氧化锆氧传感器种类
 1.1.浓差型(Nernst 型)氧化锆氧传感器
 ZrO2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。

其中心部件是Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)固体电解质，Y3+与Zr4+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。

工作原理是在500℃以上的高温下，作为固体电解质的ZrO2基陶瓷材料具有较高的氧离子电导率，固体电解质的两侧分别是汽车排出的废气和空气参比气体。

氧化锆基陶瓷和涂覆在其两侧表面的铂电极共同构成了一个氧浓差电池，氧浓差电势U 的大小反映了A/F值的变化。

但是，对于这种类型的氧传感器，只有实际空燃比接近理论空燃比（14.7）时才具有较高的灵敏度和准确性，在整个富燃烧区和稀薄燃烧区不够灵敏。

 图1 片式氧化锆氧浓差电压型氧传感器的组成及结构示意图
 1.2 片式氧化锆极限电流型氧传感器
 片式氧化锆极限电流型氧传感器的组成结构类似于氧浓差电压型氧传感。

摘要：本文简述了氧传感器的结构和工作原理，并根据结构和工作原理分析了氧传器故障的产生原因及对汽车发动机的影响，提出了检测、诊断方法。

关键词：汽车；氧传感器；故障检测1. 引言随着汽车工业的发展，汽车尾气所带来的环境污染问题日益严重。

因此，有效地控制汽车尾气，减少其对环境污染已成为当今重要的研究课题之一[1]。

许多汽车在发动机排放系统中装有三元催化转换器，以降低排放污染。

空燃比一旦偏离理论空燃比(14.7：1)，三元催化剂对CO，HC和NOx的净化能力急剧下降。

故在排气管中插入氧传感器，根据排气中的氧浓度测定空燃比，向微机控制装置发出反馈信号，以控制空燃比收敛于理论值。

汽车行业是目前国际上应用传感器最大市场之一，现在世界上汽车年产量在4000万辆以上，其中日本的年产量达1000万辆以上。

从世界各国公布的专利情况来看，各主要汽车生产厂家和电气、元件生产厂家，都很重视汽车传感器的研制和生产。

而氧传感器的申报专利数，居汽车传感器的首位，这反映了该传感器的技术难度和各国的重视程度[2]。

控制汽车空燃比用的氧传感器在日本以每年50％-60％的速度增长。

就我国来说，仅近三年需改加氧传感器的旧车就超过2000万辆，每年新生产的轿车所需的氧传感器也超过200万个。

目前，一辆普通家用轿车大约要安装几十到近百只传感器，而豪华轿车上的传感器数量可多达200余只。

据报道，2000年汽车传感器的市场为61.7亿美元 (9.04亿件产品)，2005年达到84.5亿美元(12.68亿件产品)，增长率为6.5％(按美元计)和7.0％(按产品件数计)，所以，氧传感器(氧探头)的市场前景非常广阔，对氧传感器的研究也成为热点[3]。

2.氧传感器的结构和原理发动机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。

所以为了使装有三元催化转换装置的发动机达到最佳的排气净化性能，必须把混合气的空燃比控制在理论空燃比附近很窄的范围内。

汽车用氧气传感器的研究与进展摘要：汽车尾气中的有害物主要有CO、HC、NOx、SOx 以及一些微粒物质，给人类赖以生存的大气环境带来了严重的危害。

用氧传感器对汽车发动机的空燃比进行调节，控制发动机中的燃烧过程，可以达到减少污染和节约能源的双重目的。

目前适用于汽车空燃比控制的传感器主要有三种：氧化物半导体型（TiO2传感器）、浓差电池型（ZrO2氧传感器）、极限电流型。

本文在介绍了这三种汽车用氧传感器的原理、结构的基础上，重点介绍了一种新型极限电流型氧传感器—致密扩散障碍层极限电流型氧传感器，并简要分析了其发展趋势。

关键词：氧传感器；氧化物半导体型；氧浓差电池型；极限电流型一、引言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。

汽车的有害排放物主要来自发动机的排气，汽车尾气所含的有害物主要有CO、HC、NOx、SOx 以及微粒物质（铅化物、碳烟、油雾等）等，这些有害污染物的排放已经威胁到人类赖以生存的环境。

因此要采取各种措施降低汽车尾气中有毒物质的含量，同时尽量使燃烧过程更充分，从而达到节能和降低环境污染的目的，而这一目的的实现就要通过氧传感器来完成。

通过氧传感器对汽车发动机的空燃比（A/F）进行调节，控制发动机中的燃烧过程，既可解决排气净化问题，又可提高燃料的燃烧效率，节约能源。

二、汽车用氧传感器燃烧过程离不开氧，对汽车发动机而言，燃料燃烧充分与否，取决于A/F，控制汽车发动机A/F用的氧传感器，装在汽车排气管道内，用它来检测废气中的氧含量，根据氧含量与A/F的对应关系，故测出了氧的含量，也就确定了A/F之值。

因而可根据氧传感器所得到的信号，把它反馈到控制系统，来微调燃料的喷射量，使A/F控制在最佳状态，既大大降低了排污量，又节省了能源。

目前，用汽车氧传感器控制的空燃比主要集中在理论空燃比处和稀薄燃烧区内。

理论空燃比传感器的输出电压在理论空燃比附近会发生急剧的变化，这种变化是由于装置内氧分压的变化引起的。

氧化锆氧气传感器在烟气排放连续监测系统中的应用！烟气排放前后监测系统（简称CEMS），适用于各种锅炉连续废气汽车尾气排放量的监测，可对固定污染源（如锅炉、工业炉窑、焚烧炉等）排放污泥中的颗粒物、气态污染物的浓度（mg/m3）和排放率（kg/h、t/d、t/a）进行连续地、实时地跟踪测试。

采用直接抽取法，可以连续在线监测颗粒物的浓度、二氧化硫（SO2)浓度、氮氧化合物(NOX)浓度、氧气(O2)含量、烟气温度、烟气压力、烟气流速，还可以增加一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氯化氢(HCL)、氟化氢(HF)、氨气(NH3)、碳氢化合物(CHX)、低温等参数的测量。

由于采用直接抽取法测量烟气中的污染物浓度，系统可以用标准气对展开分析仪进行在线标定，保证林宏吉的准确性。

红外气体分析装配的是非分散红外吸收法；含氧量的监测采用工采网推荐的英国SST 螺纹式高温氧化锆氧气传感器(O2传感器)-O2S-FR-T2-18C。

O2S-FR-T2-18C/B/A是氧化锆氧气传感器，敏感元件是氧化锆，采用两个氧化锆盘，在其中间是一个密封空间。

其中一个盘起的功能是可逆氧气泵，依次充满样品气和抽空此小空间。

另缩量一个盘用于测量氧分压差比率，得到相对须要的传感电压。

氧化锆盘作为氮化硼氧气泵运行时，需要的700°C的温度由加热元件产生(配套的电路板O2I-FLEX-092可以提供加热和线性模拟量输出功能。

)。

氧气泵使小空间范围内达到额定的小值和大值阻力所花的时间和环境中氧分压值具有对应关系。

螺纹式高热氧化锆氧气传感器(O2传感器)O2S-FR-T2-18C/B/A产品参数:螺纹式高温氧化锆氧气传感器(O2传感器)O2S-FR-T2-18C/B/A配套电路板：英国SST氧化锆氧气传感器变送板-O2I-Flex-092接口板给电子元件提供必要的电源，控制SST动态氧传感器可以用户设置量程0-25%和0-100%。

整个测量范围是线性的。