氧化锆传感器工作原理 氧化锆探头原理
氧化锆探头原理
文章资料来源于：氧化锆探头,酸露点仪-成都立彤科技有限公司，转载请注明！
氧化锆探头，又称氧化锆氧传感器，其原理主要基于氧化锆陶瓷在高温下的氧离子导电特性。以下是详细的原理说明：
一、基本原理
1.氧离子导电性：氧化锆（ZrO₂）陶瓷在高温（通常650℃以上）环境中具有显著的氧离子导电特性。这种导电性是通过晶格内的氧离子空位实现的，每加入二个钇离子就建立一个氧离子空位，ZrO₂的缺陷浓度主要决定于添加剂的加入量，而与温度和环境气氛无关。
2.浓差电池效应：当氧化锆陶瓷两侧的气体中存在不同的氧浓度时，高浓度侧的氧分子被吸附在铂电极上与电子结合形成氧离子（O²⁻），氧离子通过氧化锆陶瓷中的氧离子空位迁移到低浓度侧，并在该侧放出电子重新转化为氧分子。这一过程中，两个铂电极之间会产生一定的电动势，即氧电势。
二、结构组成
氧化锆探头通常由金属外壳、测量电池、加热器、热电偶、过滤元件以及电缆接线端子等组成。
测量电池是探头的核心部分，其结构一般为三层：铂（电极）—氧化锆（电解质）—铂（电极）。铂电极是多孔性的，以便于气体扩散和电极反应。
三、工作原理
在一定温度条件下，氧化锆探头两侧的气体分别存在不同的氧浓度。高浓度侧的氧分子在铂电极上形成氧离子，并通过氧化锆陶瓷迁移到低浓度侧，产生电动势。
这个电动势（氧电势）与两侧气体的氧浓度差成正比，且服从能斯特方程。通过测量这个电动势，并结合炉内温度，可以计算出被测气体的氧分压或氧浓度。
四、应用特点
1.响应时间短：氧化锆探头的响应时间通常在0.1s～0.2s之间，能够快速响应气体中氧浓度的变化。
2.测量范围广：测量范围从ppm级到百分含量级，适用于多种工业应用场合。
3.使用温度高：可在500℃～1200℃的高温环境中工作，适用于高温炉膛等场合。
4.安装简便：探头采用螺旋型安装方式，用户只需在所需安装部位钻孔加装固定螺母或法兰盘，然后将探头旋入即可。
五、安装与注意事项
1.采样测量点：确定合适的测量点是首要工作，通常选择能代表被测气体特性的位置。
2.安装方式：可采用水平或垂直方式安装，垂直安装较为理想。
3.专用接头：使用专用法兰接头进行安装，确保密封性。
4.信号线：信号引出线最好使用屏蔽线，以消除外界干扰。
5.标定与校准：定期使用标准气体对探头进行标定和校准，确保测量准确性。
综上所述，氧化锆探头通过利用氧化锆陶瓷在高温下的氧离子导电特性，结合浓差电池效应，实现了对气体中氧浓度的快速、准确测量。
氧化锆氧传感器的结构类型及工作原理应用等
氧化锆氧探头的结构类型
一、按检测方式的不同，氧化锆氧探头分为两大类：采样检测式氧探头及直插式氧探头。
1、采样检测式氧探头
采样检测方式是通过导引管，将被测气体导入氧化锆检测室，再通过加热元件把氧化锆加热到工作温度（750℃以上）。氧化锆一般采用管状，电极采用多孔铂电极（如图2）。其优点是不受检测气体温度的影响，通过采用不同的导流管可以检测各种温度气体中的氧含量，这种灵活性被运用在许多工业在线检测上。其缺点是反应时间慢；结构复杂，容易影响检测精度；在被检测气体杂质较多时，采样管容易堵塞；多孔铂电极容易受到气体中的硫，砷等的腐蚀以及细小粉尘的堵塞而失效；加热器一般用电炉丝加热，寿命不长。
在被检测气体温度较低（0℃～650℃），或被测气体较清洁时，适宜采样式检测方式，如制氮机测氧，实验室测氧等。
2、直插检测式氧探头
直插式检测是将氧化锆直接插入高温被测气体，直接检测气体中的氧含量，这种检测方式适宜被检测气体温度在700℃～1150℃时（特殊结构还可以用于1400℃的高温），它利用被测气体的高温使氧化锆达到工作温度，不需另外用加热器（如图3）。直插式氧探头的技术关键是陶瓷材料的高温密封和电极问题。以下列举了两种直插式氧探头的结构形式。
（1）整体氧化锆管
该形式是从采样检测方式中采用的氧化锆管的形式上发展起来的，就是将原来的氧化锆管加长，使氧化锆可以直接伸到高温被测气体中。这种结构无需考虑高温密封问题。
（2）直插式氧化锆氧探头
由于需要将氧化锆直接插入检测气体中，对氧探头的长度有较高要求，其有效长度在500mm～1000mm左右，特殊的环境长度可达1500mm。且检测精度，工作稳定性和使用寿命都有很高的要求，因此直插式氧探头很难采用传统氧化锆氧探头的整体氧化锆管状结构，而多采取技术要求较高的氧化锆和氧化铝管连接的结构。密封性能是这种氧化锆氧探头的最关键技术之一。目前国际上最先进的连接方式，是将氧化锆与氧化铝管永久的焊接在一起，其密封性能极佳，与采样式检测方式比，直插式检测有显而易见的优点：氧化锆直接接触气体，检测精度高，反应速度快，维护量较小。
二、氧探头的测氧原理
图1为氧探头测氧原理示意图。
在氧化锆电解质(ZrO2管)的两侧面分别烧结上多孔铂（Pt）电极，在一定温度下，当电解质两侧氧浓度不同时，高浓度侧(空气)的氧分子被吸附在铂电极上与电子（4e）结合形成氧离子O2-，使该电极带正电，O2-离子通过电解质中的氧离子空位迁移到低氧浓度侧的Pt电极上放出电子，转化成氧分子，使该电极带负电。两个电极的反应式分别为：
参比侧：O2+4e——2O2-
测量侧：2O2-－4e——O2
这样在两个电极间便产生了一定的电动势，氧化锆电解质、Pt电极及两侧不同氧浓度的气体组成氧探头即所谓氧化锆浓差电池。两级之间的电动势E由能斯特公式求得：可
E=
(1)
式中，EmV―浓差电池输出，
n 4―电子转移数，在此为R理想气体常数，8.314 W·S／mol —T （K） F96500 C;PP1——待测气体氧浓度百分数0——参比气体氧浓度百分数 —法拉第常数，—绝对温度
该分式是氧探头测氧的基础，当氧化锆管处的温度被加热到600℃～1400℃时，高浓度侧气体用已知氧浓度的气体作为参比气，如用空气，则P，将此值及公式中的常数项合并，又实际氧化锆电池存在温差电势、接触电势、参比电势、极化电势，从而产生本地电势CmV）实际计算公式为：（0 =20.6%
EmV）=0.0496Tln（0.2095/P1）±CmV）（（C本地电势(新镐头通常为±1mV) =
可见，如能测出氧探头的输出电动势E和被测气体的绝对温度T，即可算出被测气体的氧分压（浓度）P1 ，这就是氧化锆氧探头的基本检测原理。
三、氧探头的工业应用
在工业锅炉、加热炉上的应用
氧探头使用时，引入被测气体的方式有直插式和采样检测式两种。直插式响应时间短，不需要加热器，结构简单，小型轻便，但要求同时检测被测气体的温度。采样检测式由于氧探头的温度由加热器控制，因此测量精度高，工作可靠，但响应时间取决于气体的流量。
直插式氧分析器已广泛应用在锅炉和加热炉的烟气含氧量的测定（如图4），作此用途的氧探头多采用管状结构，此管可以两端开口，也可以单端开口，目前市场出现最多的是后一种。ZrO2管内外壁上涂有多孔Pt电极，由内外电极分别向管端引伸并在端部接出Ni Cr丝作信号输出用，从而控制燃烧系统实现低氧燃烧，达到降低热能损失，节约能源的目的。
四、深圳工采网氧化锆氧气传感器四款相关产品推荐:
1.奥地利SENSORE Electronic GmbH 极限电流型氧化锆氧气传感器 - SO-D2-960-A300C
一、极限电流型氧化锆氧气传感器SO-D2-960-A300C应用:
医疗：氧气浓缩器、 恒温箱
实验室：惰性气体处理柜（手套式操作箱）、细菌培养箱
食品产业：包装、食品检验、 监控水果成熟过程(储存/运输)
家庭/烹饪：自动化烘焙/烘烤（高温>100℃）
测量技术：固定式/便携式氧气测量仪、 在控制氧含量的情况下进行测量、空气调节和流通
安全技术/监控：防火（氮气增加，例如服务器机房）、温室，酒窖、气体贮藏，精炼厂、潜水、发酵单元
电气工业：惰性气体处理器和柜、 惰性气体焊接监控、 在氮气增加的情况下进行储存（防氧化）、干燥设备、氮气浓缩器、废气测量
二、极限电流型氧化锆氧气传感器SO-D2-960-A300C的优点:
测量范围广，10 ppm~96%氧气
高精度
多款型号呈线性特征
传感器信号对温度的依赖性小
交叉灵敏度低
使用寿命长
在多数情况下只需进行一次“单点校准”
2.极限电流型氧化锆氧气（O2）传感器 - SO-D0-250-A300C
一、极限电流型氧化锆氧气（O2）传感器SO-D0-250-A300C应用:
医疗：氧气浓缩器、 恒温箱
实验室：惰性气体处理柜（手套式操作箱）、细菌培养箱
食品产业：包装、食品检验、 监控水果成熟过程(储存/运输)
家庭/烹饪：自动化烘焙/烘烤（高温>100℃）
测量技术：固定式/便携式氧气测量仪、 在控制氧含量的情况下进行测量、空气调节和流通
安全技术/监控：防火（氮气增加，例如服务器机房）、温室，酒窖、气体贮藏，精炼厂、潜水、发酵单元
电气工业：惰性气体处理器和柜、 惰性气体焊接监控、 在氮气增加的情况下进行储存（防氧化）、干燥设备、氮气浓缩器、废气测量
二、极限电流型氧化锆氧气（O2）传感器SO-D0-250-A300C优点:
测量范围广，0.1%~25%氧气
高精度
多款型号呈线性特征
传感器信号对温度的依赖性小
交叉灵敏度低
使用寿命长
在多数情况下只需进行一次“单点校准”
3.英国SST 高温氧化锆氧气传感器 - O2S-FR-T2
一、高温氧化锆氧气传感器O2S-FR-T2产品描述：
棒式氧化锆氧传感器(氧探头)O2S-T2/O2S-FR-T2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。另一个盘用于测量氧分压差比率，得到相对应的传感电压。氧化锆盘作为氧气泵运行时，需要的700 °C的温度由加热元件产生。氧气泵使小空间范围内达到额定的最小和最大压力所花的时间和环境中氧分压值具有对应关系。
二、高温氧氧化锆气传感器O2S-FR-T2 典型应用:
典型应用于采暖锅炉的控制；工业生产过程的控制；航空行业飞机机载氧气发生系统的控制；汽车排气的诊断；厂用仪表；医疗供氧设备；工业烟道;氧含量的检测；燃烧器氧含量检测；制氧机；潜艇氧仓；氧吧；船仓，气调保鲜存储行业的氧气测量；食品包装行业保护气体的检测；发酵工业中剩余氧气的检测；生产过程中的保护气体（焊接、热处理）；实验设备；生物技术和医疗系统中氧气的测试；任何氧气浓缩需要准确测定的场合。
用户可以供氧气；检测环境空气中的氧气用户可以自行开发设计后续控制放大电路，也可使用原装进口配套的控制器O2I-Flex。
三、高温氧化锆氧气传感器O2S-FR-T2 特性：
1) 非消耗性的氧化锆传感元件
2) 氧压范围2 mbar...3 bar
3) 高稳定性和精度，可测量0…100%氧
4) 对于其他气体无交叉干扰
5) 无需温度稳定
6) 内置加热元件
7) 允许气温温度-100~400°C
4.英国SST 迷你型大量程氧化锆氧气（O2）传感器 - O2S-FR-T3
一、大量程氧化锆氧气（O2）传感器O2S-FR-T3产品描述：
迷你型氧化锆氧传感器（氧探头）O2S-FR-T3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。另一个盘用于测量氧分压差比率，得到相对应的传感电压。氧化锆盘作为氧气泵运行时，需要的700 °C的温度由加热元件产生。氧气泵使小空间范围内达到额定的最小和最大压力所花的时间和环境中氧分压值具有对应关系。
二、大量程氧化锆氧气（O2）传感器O2S-FR-T3典型应用
典型应用于采暖锅炉的控制；工业生产过程的控制；航空行业飞机机载氧气发生系统的控制；汽车排气的诊断；厂用仪表；医疗供氧设备；工业烟道;氧含量的检测；燃烧器氧含量检测；制氧机；潜艇氧仓;氧吧；船仓，气调保鲜存储行业的氧气测量；食品包装行业保护气体的检测；发酵工业中剩余氧气的检测；生产过程中的保护气体（焊接、热处理）；实验设备；生物技术和医疗系统中氧气的测试；任何氧气浓缩需要准确测定的场合。
用户可以供氧气；检测环境空气中的氧气用户可以自行开发设计后续控制放大电路，也可使用原装进口配套的控制器O2I-Flex
三、大量程氧化锆氧气（O2）传感器O2S-FR-T3 特性：
1) 非消耗性的氧化锆传感元件
2) 氧压范围2 mbar...3 bar
3) 高稳定性和精度，可测量0…100%氧
4) 对于其他气体无交叉干扰
5) 无需温度稳定
6) 内置加热元件
7) 加热器电压：4.35 ±0.1 VDC (1.85 A)
8) 允许气体温度：-100...250 °C；
了解更多氧化锆氧气传感器访问工采网官网：http://www.isweek.cn/
五、 氧传感器的安装
合理的安装是保证氧传感器可靠运行的关键，许多使用问题均由于氧传感器安装不当造成的，
1、采样测量点
确定测量点是首要的工作，它应遵循如下几项原则：
（1） 选择的测量点要求能正确反映所检测的炉内气体，以保证氧传感器 输出信号的真实性，尽量避开回风死角；
（2） 测量点不可太靠近燃烧点或喷头等部位，这些部位的气体处于剧烈反应中，会造成氧传感器检测值剧烈波动失真；也不要过于靠近风机等产气设备，以免电机的震动冲刷损坏传感器；
（3） 避免放在可能碰撞的位置，以免碰撞损坏探头，保证传感器的安全；
2、氧传感器的安装、连接方式
（1）氧探头的安装可采用水平或垂直方式，其中垂直安装较理想。不管采用何种方式，探头采样管引导板的方向应该尽量正对被测气流的方向，在初始安装的时，先通过了解工艺，确定基本方向。然后在系统通电加热探头以后，旋转采样管方向，使用数字万用表观察输出氧电势的波动情况来最终确定比较好的引导方向。
（2） 氧传感器安装所用接头为专用法兰接头，配装石棉垫压接，以确保密封，否则因为一般炉内为负压，该处法兰接头处漏气会影响测量精度或造成信号波动。
（3）氧传感器的信号引出线最好用屏蔽线，以消除干扰。最佳方式是使用2根2芯电缆，一根2芯屏蔽电缆接氧电势输出信号，一根2芯KVV控制电缆接探头加热连接端；如果现场条件不具备可直接使用一根4芯KVV电缆连接探头氧电势信号和加热端。
（4）氧探头的标气口平时关闭，只在标定气体的时候使用；吹扫气口连接气泵或者压缩空气管路，吹扫口进气一般用一个电磁阀等阀门控制，一定周期开启一次，通入气体吹扫采样管，探头正常检测时阀门关闭，不能有其他气体进入采样管。使用厂方的压缩空气吹扫探头必须保证压缩空气中不含有水份，即对所采用的压缩空气必须进行气水分离处理。
六、 氧传感器的使用和维护
1、连接加热控制
采样检测式氧探头，只有在氧传感器连接了加热控制以后才能正常工作，冷态下输出的是随机信号，不代表任何意义，氧传感器在接入加热控制以后，在室温条件下既可以开始正常的气体检测。一般的探头调零就是在室温下，加热探头以后，通过对空气的测量，用数字万用表测量此时探头输出毫伏值，此数值就是该探头的零位偏差数值，在显示仪表中需要加入该零位偏差来修正仪表显示的氧浓度。
2、新装或更换氧传感器时的注意事项
新装或更换氧传感器时，均应校正氧分析仪的氧浓度显示值。不进行此项工作，更换新的传感器后，氧分析仪检测的氧浓度可能会与实际浓度产生偏差，从而影响测量。
3、氧浓度的修正原理及方法
氧传感器直接测量输出的是被测气体的浓度与标准空气差电势数值，我们称为氧电势，该电势数值在零点（即空气测量）时不同的探头起始输出电势就存在偏差，而输出电势经过模型转换输出氧浓度时也可能存在误差，因此在氧分析仪中对探头信号进行标定修正就是很必要的工作，否则显示氧浓度与实际被测气体的氧浓度就会存在较大偏差，满足不了现场生产的需要，甚至误导控制影响生产。
具体的修正一般通过标准气体进行标定，方法是将计量核定确认的标准气体通过标气口通入探头，测量此时输出氧电势及仪表显示氧浓度，仪表显示氧浓度应该与标准气体浓度相同，存在偏差则修正仪表线性参数，标准计量要求最少使用三种不同浓度标准气体标定系统，这样经过三次标定重复修正好系统线性，保证系统正常工作。
4、积尘对氧传感器的影响及吹扫清除方法
由于氧传感器是长期在线检测测量的器件，锅炉等设备（尤其是煤燃烧炉或者烧粉窑炉等）产生的粉尘会堵塞导气采样管道，造成测量的数值失真甚至无法测量，此时必须定期对采样管中的积尘进行吹扫处理，吹扫时间的长短视积灰程度确定，这种吹扫方法要求氧分析仪具有相应功能或者配套使用氧传感器的维护装置，如果没有这些装置只能安装手动阀门控制压缩空气或气泵定期通入吹扫气口对探头进行除尘工作，但此时必须注意以下情况：
（1）由于在吹扫的过程中，氧传感器的氧电势会下降，最低有可能会降到1、2mV，这时检测的氧电势不代表炉内的气氛，此点必须要注意；
（2）吹扫空气的流量要保证能够去除积灰，吹扫过程中可注意氧传感器的氧电势输出值，如果氧电势值始终没有下降，表明空气流量太小，积尘没有清理，应予以调节或者检查吹扫管道，可能吹扫管道已经堵死；
（3）吹扫口的通道是与炉内直接相通的，每次在吹扫完毕后，应关闭阀门，堵死吹扫孔，防止因炉内负压空气进入，影响氧传感器的检测。
在分析氧传感器的好坏时应将其视为一个单独的检测部件。在检测氧传感器的氧电势时应把与氧传感器连接的所有导线断开，用高内阻的数字表在氧传感器的输出端直接检测氧电势。通过检测氧电势，与正常使用时的数值相比较。
相关问答
氧化锆工作原理 ?二氧化锆式氧传感器工作原理:多孔体固体电解质内。温度较高时,氧气发生电离。只要锆管内(大气)外(废气)侧氧含量不一样,存在氧浓度差,则在固体电解质内部...
氧 传感器 的作用和 工作原理 是什么 - 汽车维修技术网[回答]现在的汽车上主要运用的氧传感器有二氧化锆氧传感器、二氧化钛氧传感器及宽域型氧传感器三种,下面将重点介绍二氧化锆氧传感器结构、原理以及检测方...
氧 传感器工作原理 以及简介[最佳回答]氧传感器是汽车上的标准配置,它是利用陶瓷敏感元(查成交价|参配|优惠政策)件测量汽车排气管道中的氧电势,由化学平衡原理计算出对应的氧浓度,达到监...
氧化锆 是氧 传感器 输出信号有何特点?氧化锆式氧传感器的工作原理如下:锆管的陶瓷体是多孔体,氧气可以渗入该多孔体固体电解质内。温度较高时,氧气发生电离。只要锆管内(大气)外(废气)侧氧含...
二 氧化锆 氧 传感器工作 条件?二氧化锆式氧传感器工作原理:多孔体固体电解质内。温度较高时,氧气发生电离。只要锆管内(大气)外(废气)侧氧含量不一样,存在氧浓度差,则在固体电解质内部...
6线氧 传感器原理 ?奥迪六线氧传感器的工作原理与干电池相似,传感器中的氧化锆元素起类似电解液的作用。其基本工作原理是:在一定条件下(高温和铂催化),利用氧化锆内外两侧的氧浓...
氧 传感器 发黑是什么原因 - 汽车维修技术网[回答]04-1412:59:13车主问答可能是由于发动机的可燃混合气燃烧不充分所导致的,尾气排出的废气颜色偏黑褐。汽车上的氧传感器工作原理与干电池相似,传感...
汽车上的氧 传感器工作原理 是什么?[最佳回答]氧传感器用于检测废气中的氧含量并获得混合气的空燃比浓稀信号,该信号输入ECM后,ECM根据该信号调整发动机的喷油量,实现闭环控制,使催化转换器更好...
06年骐达氧 传感器 控制 原理 ?氧传感器的基本工作原理:氧传感器的工作原理与干电池相似,传感器中的氧化锆元素起类似电解液的作用。其基本工作原理是:在一定条件(高温和铂催化)下,利用...
氧 传感器 的分类_车坛氧传感器按作用分类有:普通氧传感器、空燃比传感器、氮氧化物传感器。按材料划分:氧化钛式,氧化锆式a。1、普通氧传感器汽车用氧传感器主要有二氧化...