概况

 

所有电化学氧气传感器都是自己供电，有限扩散，金属空气电池类型包括阳极，电解质和空气负极，如下图所示。

氧气传感器可以被简单地想象为拥有两个电极的密封物体（金属罐或塑料模型）：一卷平的PTFE带被活跃的催化剂包裹，负极和铅金属块（阳极）。这个密封物体只在传感器的顶部有一小缝隙，允许氧气进入工作电极。两个电极通过蓄电板被连接到传感器向外伸出的两个触角，传感器也是通过这两个触角被连接到所需要的其他设备。整个传感器充满了导电性电解质，使不同种离子得以在电极之间交换（参见图1）。

Figure 1 - Schematic of oxygen sensor.

 

多少氧气可以进入传感器取决于传感器顶部的缝隙大小。当氧气到达工作电极时，它立刻被分解成羟基离子：

 

 

Figure 1 ?Schematic of oxygen sensor.

 

 

多少氧气可以进入传感器取决于传感器顶部的缝隙大小。当氧气到达工作电极时，它立刻被分解成羟基离子：

 

O₂ + 2H₂O + 4e^- " type="#_x0000_t75">4OH^-

 

这些羟基离子透过电解质到达铅（阳极），参与到金属氧化作用中，使之成为对应氧化物。

 

2Pb + 4OH^- " type="#_x0000_t75">2PbO + 2H₂O + 4e^-

 

当上述两个反应发生时，生成了电流，可用一只外接已知电阻来并测量来测量生成的电势差。因为产生电流的部分原因是上述反应发生的程度，这个测量需要有准确的含氧浓度。

电化学反应引起的铅的氧化作用使得这些传感器有使用期限，一旦所有可利用的铅完全被氧化，传感器将停止运作。通常氧气传感器的使用寿命为1-2 年，但也可以通过增加阳极的尺寸或限制接触阳极的氧气量来延长传感器的使用寿命。

 

 

城市技术生产两种氧气传感器，它们使用不同工作机制限制气体扩散入传感器。一种在传感器顶部有一细孔，而另一种是在气体传感器的顶部加上一层薄膜。细孔传感器用于测量氧气浓度，而薄膜类传感器用于测量氧气部份压力。

细孔传感器产生的电流与氧气当量成比例（即容量%），并且独立于气体总压。但如果气体压力突然被改变，那么氧气传感器将产生瞬间电流，而瞬间电流如果不能被适当控制，能造成使用问题。在使用CiTiceL®产品时，重复压力脉冲（例如，抽取式气体供应），也能导致问题的发生。这一过程解释如下：

 

 

当细孔氧气传感器遇到急剧增压或减压，气体将被迫通过细孔栅板（大流量）。这将增加（或减少）气体进入传感器的数量并产生一个电流瞬变的测量信号。一旦情况重新稳定不再有压力后，瞬变即告结束。此类瞬变可能使仪器进入报警状态，但城市技术努力寻求、得到了解决方案。

所有城市技术的细孔氧气传感器都使用了抗大流量机制，见图2。根本上，压力变动是可以由增加另外的一个PTFE 抗大流量膜来减弱的。用金属或塑料模型紧紧固定在细孔上，可以很大程度上减少信号的瞬间减少。

 

 

Figure 2 ?Bulk Flow Membrane on Capillary Sensor

 

 

某些压力变动产生的瞬变力量足以超过这种设计允许的范围，特别是使用抽取式仪器对传感器输送气体的设备。某些泵产生的气体对CiTiceL 氧传感器造成持续的压力脉冲，人为的增强了测量信号。在这些情况下，有必要设计一种外在扩展分庭，把传感器面对的压力脉冲减到最小。

 

 

 

部分分压型氧传感器

 

细孔控制并不是限制氧气进入传感器的唯一方法，我们还可以使用一个非常薄的塑料膜覆盖在传感器顶部，使氧气分子必须稀释才能进入传感器（图3）。

 

 

Figure 3 ?Solid Membrane (partial pressure) oxygen sensor

 

 

氧气进入工作电极的数量由通过薄膜的部份氧气压力梯度决定。这意味着,传感器的输出信号与与气体混合物中氧气的部分压力是成比例的。大气压的变化将导致传感器输出电流的相对变化。如果使用抽取式气体输送，在设备的设计阶段就必须确保反作用力不会对传感器造成影响。

城市技术生产两种部分分压型氧传感器，AO2/AO3（汽车）和MOX（医疗），应用线性反应、量程在0-100%，且为薄膜式感应器。

 

线性关系

 

从细孔氧气传感器传出的信号是非线性的，与分数氧浓度（c）有如下关系：

 

Signal = constant * ln [ 1/(1-C) ]

 

实际上，传感器的输出为有效的线性增加，直至氧气浓度超过30%时才引起测量困难。相反，分压传感器的线性输出可以达到100% 氧气（或1.0 分数氧浓度）。

 

温度

 

细孔和薄膜氧气传感器对对温度的变动都是敏感的，但敏感程度不同。

温度对细孔氧气传感器的影响相对较小，通常温度从+20°C到–20°C会导致输出信号损失10%。相反，温度对薄膜氧气传感器的影响要大得多，气体扩散入薄膜是一个被激活的过程，通常温度上10°C的变化会导致传感器信号输出加倍。薄膜氧气传感器要求温度的相对稳定，因而许多CiTiceLs®产品带有内置热敏电阻。

 

活性储备 

 

设计任何电化学传感器时都应通过限制气体通过栅板来限制速率（薄膜或细孔），而其它各阶段速率应该有显著的增加。所以，为保证电化学反应速度，必须使用具有高催化作用的电极材料。

所有CiTiceLs®产品都使用高活跃性电极，使传感器具有高活性储备，保证了传感器的长期稳定性和低漂移性。

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