氧氣傳感器常見工作原理有哪些？

氧（O），周期表第16族（Vla或氧基）的非金屬化學(xué)元素。氧氣是一種無色、無色、無味的氣體，對(duì)生物體至關(guān)重要，被動(dòng)物吸收后轉(zhuǎn)化為二氧化碳，植物則利用二氧化碳作為碳源，將氧氣釋放到大氣中。氧通過與幾乎任何其他元素的反應(yīng)形成化合物，以及通過將元素從它們彼此的組合中置換出來的反應(yīng)，在許多情況下，這些過程伴隨著熱和光的演化，在這種情況下被稱為燃燒，產(chǎn)物化合物是水。

氧氣傳感器是用于測量各種環(huán)境中氧氣濃度的關(guān)鍵設(shè)備，包括工業(yè)過程、醫(yī)療應(yīng)用、環(huán)境監(jiān)測和汽車系統(tǒng)。不同類型的氧傳感器基于不同的測量原理工作，每種傳感器都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。以下是常見的氧傳感器技術(shù)概述：

1.電化學(xué)氧傳感器

電化學(xué)氧氣測量原理：這些傳感器使用涉及氧氣的化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生與氧氣濃度成比例的電流。它們通常由工作電極、對(duì)電極和電解質(zhì)組成。通常是一個(gè)小的、部分密封的圓柱形裝置（直徑1-1/4英寸，高度0.75英寸），其中包含兩個(gè)浸入水性電解質(zhì)（通常是氫氧化鉀）中的不同電極。電極材料的改進(jìn)和電解質(zhì)配方的增強(qiáng)，使原電池氧傳感器比早期版本具有更長的壽命，并因其在百分比和痕量氧范圍內(nèi)的準(zhǔn)確性而受到認(rèn)可。響應(yīng)時(shí)間也得到了改善。當(dāng)與含有硫化氫、氯化氫、二氧化硫等酸性氣體物質(zhì)的樣品一起使用時(shí)，它們很容易損壞。

優(yōu)點(diǎn)：

-高靈敏度和高精度。

-低功耗。
-適用于低氧濃度測量（例如痕量氧分析）。
-便攜式和緊湊型設(shè)計(jì)。
缺點(diǎn)：
-由于電解質(zhì)耗盡或電極退化，壽命有限。
-對(duì)溫度和濕度變化敏感。
-與其他技術(shù)相比，響應(yīng)時(shí)間較慢。
-需要定期校準(zhǔn)和維護(hù)。

2.氧化鋯（ZrO2）氧傳感器

氧化鋯氧氣傳感器測量原理：-使用二氧化鋯（ZrO2）陶瓷元件作為固體電解質(zhì)。在高溫下（通常>600°C），氧離子穿過氧化鋯，產(chǎn)生與氧濃度成比例的電壓差。
優(yōu)點(diǎn)：
-高精度和快速響應(yīng)時(shí)間。
-適用于高溫應(yīng)用（例如，汽車排氣系統(tǒng)、燃燒控制）。
-長壽命和堅(jiān)固的設(shè)計(jì)。
缺點(diǎn)：
-需要較高的工作溫度，這會(huì)增加功耗。
-與其他類型的傳感器相比，價(jià)格昂貴。

-對(duì)某些氣體（如硫化合物）的污染和中毒敏感。

3.j激光可調(diào)諧二極管激光器（或TDLAS）原理

測量原理基于吸收光譜，通過測量激光在被測氣體中的吸收（損失）量來工作。在簡單的形式中，氧氣傳感器由產(chǎn)生紅外光的激光器、將激光聚焦通過待測氣體然后到達(dá)探測器的光學(xué)透鏡和控制激光器并將探測器信號(hào)轉(zhuǎn)換為表示氣體濃度的信號(hào)的電子設(shè)備組成。氣體分子吸收特定波長的光，稱為吸收線。這種吸收遵循比爾定律。是一種有效的紅外分析儀，符合比爾-朗伯定律。
優(yōu)勢：　 
-能夠在困難的工藝應(yīng)用中測量多種近紅外吸收氣體。
-在高溫、高壓和困難條件下（腐蝕性、侵蝕性、高顆粒物環(huán)境）進(jìn)行測量的能力。
-大多數(shù)應(yīng)用都是在現(xiàn)場測量的，從而降低了安裝和維護(hù)成本。
缺點(diǎn)：法蘭的安裝，兩側(cè)對(duì)穿安裝對(duì)工藝的兩側(cè)都是必要的。

4.順磁性氧傳感器

順磁性氧傳感器分為：熱試和磁力機(jī)械式原理。磁力機(jī)械式采用磁動(dòng)力學(xué)或“啞鈴”型設(shè)計(jì)，是主要的傳感器類型。順磁性氧傳感器由一個(gè)圓柱形容器組成，容器內(nèi)放置了一個(gè)小玻璃啞鈴。啞鈴內(nèi)充滿氮?dú)獾榷栊詺怏w，懸浮在非均勻磁場中繃緊的鉑線上。由光源、光電二極管和放大器電路組成的精密光學(xué)系統(tǒng)用于測量啞鈴的旋轉(zhuǎn)程度。一些順磁性氧傳感器設(shè)計(jì)，通過施加反向電流將啞鈴恢復(fù)到正常位置。一般來說，順磁性氧傳感器具有非常好的響應(yīng)時(shí)間特性，并且不使用易損件，使傳感器在正常情況下壽命相當(dāng)長。在1%至100%氧氣范圍內(nèi)提供很好的精度。它們對(duì)振動(dòng)和/或位置非常敏感。由于測量靈敏度的損失，通常不建議使用順磁性氧傳感器進(jìn)行微量氧測量。

測量原理：-這些傳感器利用了氧分子的順磁性。氧氣被磁場吸引，傳感器測量磁場中氧氣施加的力以確定其濃度。
優(yōu)點(diǎn)：
-對(duì)氧氣的高準(zhǔn)確性和特異性。
-無易損件，使用壽命長。

-適用于高純度氧氣測量。

缺點(diǎn)：

-昂貴而笨重的設(shè)計(jì)。
-對(duì)機(jī)械振動(dòng)和壓力變化敏感。
-由于成本和尺寸的原因，限于特定應(yīng)用。

5. 熒光淬滅（基于發(fā)光）氧傳感器
測量原理：傳感器使用與氧氣反應(yīng)的發(fā)光材料。氧氣的存在會(huì)淬滅發(fā)光，淬滅程度與氧氣濃度成正比。
優(yōu)點(diǎn)：
-測量過程中無氧氣消耗。
-靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間快。
-適用于氣相和液相測量。
-使用壽命長，維護(hù)工作量小。
缺點(diǎn)：
-對(duì)溫度和濕度變化敏感。
-與電化學(xué)傳感器相比，成本更高。
-需要專門的材料和校準(zhǔn)。
選擇正確的氧氣傳感器：
氧傳感器的選擇取決于具體應(yīng)用、所需精度、環(huán)境條件和預(yù)算。例如：
汽車：氧化鋯傳感器因其堅(jiān)固性和耐高溫性而被廣泛使用。
醫(yī)療/便攜式設(shè)備：順磁或激光原理氧氣傳感器因其靈敏度和緊湊的尺寸而備受青睞。

工業(yè)過程：電化學(xué)用于普通工況，順磁氧氣傳感器通常用于高純度氧氣測量。

沒有“單一”通用氧傳感器類型，了解不同類型的氧傳感器至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冊诂F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)中起著重要作用。氧傳感器用于測量廢氣中的氧氣含量，這對(duì)于在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程中保持正確的空燃比至關(guān)重要。有故障的氧傳感器會(huì)導(dǎo)致幾個(gè)問題，如燃油經(jīng)濟(jì)性降低、排放增加和發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降。通過了解各種類型的氧傳感器，包括其優(yōu)缺點(diǎn)，可以為特定應(yīng)用選擇合適的傳感器，確保很佳的發(fā)動(dòng)機(jī)性能并減少有害排放。因此，了解氧傳感器對(duì)于正確的發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)、修理和操作至關(guān)重要。