氧气传感器常见工作原理

氧气传感器常见工作原理有哪些？

氧（O），周期表第16族（Vla或氧基）的非金属化学元素。氧气是一种无色、无色、无味的气体，对生物体至关重要，被动物吸收后转化为二氧化碳，植物则利用二氧化碳作为碳源，将氧气释放到大气中。氧通过与几乎任何其他元素的反应形成化合物，以及通过将元素从它们彼此的组合中置换出来的反应，在许多情况下，这些过程伴随着热和光的演化，在这种情况下被称为燃烧，产物化合物是水。

氧气传感器是用于测量各种环境中氧气浓度的关键设备，包括工业过程、医疗应用、环境监测和汽车系统。不同类型的氧传感器基于不同的测量原理工作，每种传感器都有自己的优缺点。以下是常见的氧传感器技术概述：

1.电化学氧传感器

电化学氧气测量原理：这些传感器使用涉及氧气的化学反应来产生与氧气浓度成比例的电流。它们通常由工作电极、对电极和电解质组成。通常是一个小的、部分密封的圆柱形装置（直径1-1/4英寸，高度0.75英寸），其中包含两个浸入水性电解质（通常是氢氧化钾）中的不同电极。电极材料的改进和电解质配方的增强，使原电池氧传感器比早期版本具有更长的寿命，并因其在百分比和痕量氧范围内的准确性而受到认可。响应时间也得到了改善。当与含有硫化氢、氯化氢、二氧化硫等酸性气体物质的样品一起使用时，它们很容易损坏。

优点：

-高灵敏度和高精度。

-低功耗。
-适用于低氧浓度测量（例如痕量氧分析）。
-便携式和紧凑型设计。
缺点：
-由于电解质耗尽或电极退化，寿命有限。
-对温度和湿度变化敏感。
-与其他技术相比，响应时间较慢。
-需要定期校准和维护。

2.氧化锆（ZrO2）氧传感器

氧化锆氧气传感器测量原理：-使用二氧化锆（ZrO2）陶瓷元件作为固体电解质。在高温下（通常>600°C），氧离子穿过氧化锆，产生与氧浓度成比例的电压差。
优点：
-高精度和快速响应时间。
-适用于高温应用（例如，汽车排气系统、燃烧控制）。
-长寿命和坚固的设计。
缺点：
-需要较高的工作温度，这会增加功耗。
-与其他类型的传感器相比，价格昂贵。

-对某些气体（如硫化合物）的污染和中毒敏感。

3.j激光可调谐二极管激光器（或TDLAS）原理

测量原理基于吸收光谱，通过测量激光在被测气体中的吸收（损失）量来工作。在简单的形式中，氧气传感器由产生红外光的激光器、将激光聚焦通过待测气体然后到达探测器的光学透镜和控制激光器并将探测器信号转换为表示气体浓度的信号的电子设备组成。气体分子吸收特定波长的光，称为吸收线。这种吸收遵循比尔定律。是一种有效的红外分析仪，符合比尔-朗伯定律。
优势：　 
-能够在困难的工艺应用中测量多种近红外吸收气体。
-在高温、高压和困难条件下（腐蚀性、侵蚀性、高颗粒物环境）进行测量的能力。
-大多数应用都是在现场测量的，从而降低了安装和维护成本。
缺点：法兰的安装，两侧对穿安装对工艺的两侧都是必要的。

4.顺磁性氧传感器

顺磁性氧传感器分为：热试和磁力机械式原理。磁力机械式采用磁动力学或“哑铃”型设计，是主要的传感器类型。顺磁性氧传感器由一个圆柱形容器组成，容器内放置了一个小玻璃哑铃。哑铃内充满氮气等惰性气体，悬浮在非均匀磁场中绷紧的铂线上。由光源、光电二极管和放大器电路组成的精密光学系统用于测量哑铃的旋转程度。一些顺磁性氧传感器设计，通过施加反向电流将哑铃恢复到正常位置。一般来说，顺磁性氧传感器具有非常好的响应时间特性，并且不使用易损件，使传感器在正常情况下寿命相当长。在1%至100%氧气范围内提供很好的精度。它们对振动和/或位置非常敏感。由于测量灵敏度的损失，通常不建议使用顺磁性氧传感器进行微量氧测量。

测量原理：-这些传感器利用了氧分子的顺磁性。氧气被磁场吸引，传感器测量磁场中氧气施加的力以确定其浓度。
优点：
-对氧气的高准确性和特异性。
-无易损件，使用寿命长。

-适用于高纯度氧气测量。

缺点：

-昂贵而笨重的设计。
-对机械振动和压力变化敏感。
-由于成本和尺寸的原因，限于特定应用。

5. 荧光淬灭（基于发光）氧传感器
测量原理：传感器使用与氧气反应的发光材料。氧气的存在会淬灭发光，淬灭程度与氧气浓度成正比。
优点：
-测量过程中无氧气消耗。
-灵敏度高，响应时间快。
-适用于气相和液相测量。
-使用寿命长，维护工作量小。
缺点：
-对温度和湿度变化敏感。
-与电化学传感器相比，成本更高。
-需要专门的材料和校准。
选择正确的氧气传感器：
氧传感器的选择取决于具体应用、所需精度、环境条件和预算。例如：
汽车：氧化锆传感器因其坚固性和耐高温性而被广泛使用。
医疗/便携式设备：顺磁或激光原理氧气传感器因其灵敏度和紧凑的尺寸而备受青睐。

工业过程：电化学用于普通工况，顺磁氧气传感器通常用于高纯度氧气测量。

没有“单一”通用氧传感器类型，了解不同类型的氧传感器至关重要，因为它们在现代发动机管理系统中起着重要作用。氧传感器用于测量废气中的氧气含量，这对于在发动机燃烧过程中保持正确的空燃比至关重要。有故障的氧传感器会导致几个问题，如燃油经济性降低、排放增加和发动机性能下降。通过了解各种类型的氧传感器，包括其优缺点，可以为特定应用选择合适的传感器，确保很佳的发动机性能并减少有害排放。因此，了解氧传感器对于正确的发动机维护、修理和操作至关重要。