极限电流型氧气传感器动态测量与计算.pdf

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传感器与微系统( Transducer and Microsystem Technologies)
2010年第29卷第7期
多计算与测试
极限电流型氧气传感器动态測量与计算
邡玉芳,李慧颖,汪洋,王少臣,张洪泉
(中国电子科技集团公司第四十九研究所,器龙江哈尔滨15001
摘要:根据极限电流型氧气传感器的工作原理,对传感器电性能指标的计算公式进行了推导,并给出了
准确的计算公式。采用组装的动态气体测量系统,研究了电性能测量方法,实现了对传感器测量误差和响
应时间的测量,结果雅确,其啊应时间不大于5s,具有较强的实用性。
关键词:氧气传感器;测量;计算;性能
中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:10009787(2010)07-0112-03
Dynamic measurement and computation of limiting
current type oxygen sensor
HAO Yu-fang, I Hui-ying, WANG Yang, WANG Shao-chen, ZHANG Hong-quan
(The 4th Research Institute of China Electron cs T chnooy Group Corporation, Harbin 150HD1, China
Abstract: On the asis of working ripe of curent limiting ox en sensor, the computation formula of the
sensors electrical performance index is derived and the aceurate formula is given. Kil assembled dynamic gs
is adopted to research electrical
ng method. The
responce time of the sensor is realized. The results shw that it is accurate, and the response Lime is no more than
55. It has practical characteristic
oxygen sensor; measurement; cornpulatian; perlo
热器将ZO2-Y2O。敏感芯片加热至600~700℃时,氧离子
近年来,随着人类对环境问题的关注,人们对生存质量便可经出材料中的氧空位在敏感芯片中传输。当在ZrO2
的要求越来越高。因此,人们对许多封闭或半封闭空间,Y2O敏感芯片两侧设置电极,并施加电歴时,在所极一侧,
如,空调房间、汽车隧道、潜艇舱室和飞机座舱等,其内部氧气分子在阴极处获得电子(O2+4e=20)形成氧离子,
由于空气的不流通或由于高空高度变化导致氧气含量比自氧离子通过zQ2中的空位从阴极向阳极迁移,在阳极放出
然界(21%的氧气)要低得多,经常在这?环境下长时间
电了后(202“ー4e=02)变成氧气分子释放出来,这一现象
作,会使得人们缺氧,结果引发许多疾病,所以,准确掌握环被称为氧泵作用。在阴极一侧设置空腔和小孔,限制气体
境中氧气的体积分数具有十分重要的意义。固体电解
流入;当氧体积分数一定时,即使电压升高,流过AO2-
质氧气传感器作为测量氧气体积分数最重要的一个品种,
Y2O。敏感芯片的电流也不再升高,而在某一定值达到平
已被广泛用于上述环境工程中。然而,固体电解质限流型
衡,洨值称为极限电流值,设计的结构如图1所小
0: s e i
氧气传感器的测量与标定确存在着一些问题,或不能直接
测量或测量误差大。本文在固体电解质氧气传感器研究过
岛极
程中,通过组装氧气动态测系统与计算机对极限电流型
电解质
氧气传感器的测量方法进行推导计算,解决了传感器痄确
正
度和响应时间的测量问题,并提高了测量的准确性。
1极限电流型氧气传感器工作机理
图1碁本原理图
传感器工作原理
ig 1 Diagram of basic principle
传感器是采用氧化固体电解质制作而成的一种电化
而极限电流值与氧分压星函数关系2,如式(1)
A/P
学极限电流式氧气传感器。工作原理如图1所示。利用加
2Zm(lー
收稿日期:2010-03-24
第7期
郝玉芳,等:极限电流型氧气传感器动态测量与计算
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式中X为氧体积分数;L为极限电流值;F为法拉第常
对A,B求偏导数,并令它们等于0。于是,A,B满足
数;D为扩散系数;S为扩散孔截面积;R为气体常数;7为
绝对温度;L为扩散孔长度;p为环境气体总压力
因此、可通过洶量设限电流达到检测氧气体积分数的
Q
2∑(.-A-R:)x-=0
用的
解方程组(7)得
1.2工作曲线
极限电流型氧气传感器工作曲线如图2。
(8
A=yーBx
∑
(10)
∑
∑(x-x)=∑
(∑x)
电压V
图2工作曲线图
=∑(x-x)(y-)=とxーN(Σx)(∑y)
Fig 2 Diagram of working curve
(13)
由下作曲线可知,当氧体积分数一定时,即使电压升
高,工作电流也不再升高,而输出电流为一定值。
3)根据加a相当于A,b相当于R,即可求出曲线方程
的系数a和b。
2计算公式和系数计算
3实验测?
通过曲线拟合公式进行自然对数或指数方式的多项式
3.1传感器响应时间的测量
曲线拟合(通常以 Microsoft Excel中曲线拟合方法进行
特征电流与氧气体积分数对应关系如图3所示
变换式(1),则有
90
0
式中a,b,为传感器的常数;x为方程自变量(传感器输出
60
50
电流,pA);y为方程变量(标准氧气体积分数,%)
40
20
1)求曲线方程的系数a和b,可按下列步骤进行3
将式(2)两边同时取对数,可写成
输出电流A
n(100y)
(3
图3特征电流与氧气体积分数对应关系曲线
式中ln(100-y)相当于y,Ina相当于A,b相当于B,x
ig 3 Corspondimg curves of characteristic currect
不变。
and volume raction for oxygen
2)化成一元线性回归方程如下
极限电流型氧气传感器性能测试是在动态测试系统中
y=A +Bx
(4
进行,在効态测量装置上,按规定连接好传感器,先通入
其中,A和B为回归方程的回归系数。对每一个,由体积分数(20ま1)%的标准氧气,待输出电流值稳定后.随
方程(4)可以确定一个回归值y'=A+Bx2。实际观测值y
即通人体积分数(75±1)%的标准氧气(为上升时间);反
与这个同值y:之差
之,先通入体积分数(75土1)%的标准氧气,待输出电流值
-y=y, -A+Bx
稳定后,随即通人体积分数(20