各种氧传感器

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1、大津大学博士生学位论文化转化器的稀燃发动机并不能满足排放要求。目前适合稀燃系统的催化反应器正在研制当中，待其实用化以后，稀燃技术+稀燃催化转化器将成为主要发展趋势。1.3.3汽车用氧传感器从工作原理考虑，汽车用氧传感器可分为三类:(1)浓差电池型;(2)氧化物半导体型;(3)电化学泵型。按其应用来分可分为两类:(1)理论空燃比传感器;(2)稀薄燃烧空燃比控制用传感器。1.3.3.1浓差电池型氧传感器浓差电池型氧传感器一般是由掺Y203或CaO的稳定氧化铅作为固体电解质，在其两侧被覆铂电极构成的:P02(atmosphere):Pt!稳

2、定Zr02}Pt:P02(exhaust)由于大气中和汽车排气中的氧分压不同，氧离子从氧分压高的大气一侧向氧分压低的排气一侧移动，结果在高氧分压侧产生正电荷积累，在低氧分压侧产生负电荷积累:在阳极侧[P02(atmosphere)]:1/202+2e'.02-在阴极侧[P02(exhaust)]:02,_1/202+2e'根据能斯特(Nernst)方程产生的电动势为:E=(RT/4F)ln{PO2(atmosphere)/P02(exhaust)}式中，R为普适气体常熟，F为法拉第常熟，T为热力学温度。根据这一原理，当一侧的氧分压已知

3、的条件下，可以检测另一侧的氧分压的大小。Zr0:管的内、外表面均覆有薄薄一层铂，铂既可以成为电极又具有电势放大作用。当把铂涂覆在Zr仇管上时，除起电极作用之外，还有下述的催化作用。CO+1/202-CO2就靠这种作用，当空燃比接近理论值时，铂的表面从0:与CO完全进行化学反应(CO过剩、OZ为零)的状态急剧变化为氧含量过剩(CO为0,0,过剩)的状态，电解质两边氧浓度之比急剧变化，电动势也急剧地变化。如图1-6所示。另外，在不同的温度下，虽然电压跳动的幅度不同，但出现阶跃时的人值却基本相同。第一章绪论这些特性使浓差电池氧传感器非常适合

4、于理论空燃比的控制。这种传感器在非平衡混合气体中的工作机制还没有完全弄清楚沙一叫。传感器的大多数非理想行为(偏离能斯特方程)都可艺0.6认为是由气体在传感器镀层的扩散和电极的催化活性引起的。Baker"')等人研究了浓差电池型传感器测量空燃比时的各种因素，并建州0.60.s1.0立了数学模型，给出了尾入空气过剩系数气从浓到稀薄状态时输出图1-6浓差电池型Zr02传感器的输出特性电压的跳动范围，及跳动Fig1-6OutputofZrO2oxygen-sensors时的入值。Zr0:传感器是投入汽车应用的第一种气体传感器。该传感器在汽车上

5、的成功应用，相应提高了陶瓷的地位，从此陶瓷在汽车中的应用日益活跃，第一代Zr02氧传感器已经基本上成熟，目前的研究主要是提高它的性能，传感器小型化、低温活化以及添设加热器等，出现了薄片型、薄膜型及带加热器等各种结构氧化错传感器。除二氧化错可作为电解质外，LaCaO3在掺杂Sr,Mg之后也有高的氧离子电导率，用它制备的电压型传感器在低于600K时也有很好的性能。1.3.3.2氟化物半导体型氧传感器氧化物半导体型氧传感器是利用某些氧化物半导体因本身的氧化还原而使其电阻相应于氧分压而变化的原理。通常，半导体氧化物都是非化学计量氧化物。如:氧

6、缺乏的氧化物，主要的缺陷为氧缺位，其缺陷方程可表示为:Oo"HVo+2e+1/202(g)其电导率随气氛氧分压的变化可表示为:a=Aexp(-EA/KT)Po21im大津大学博士生学位论文式中m值的正负由半导性决定，通常对于P型半导体m值为+4或+6，而对于n型半导体是一4或一6。不考虑温度的变化的影响，其电导率由氧分压决定。一些氧敏材料的m值列于下表:表1-3一些氧敏材料的典型m值阱‘’}Table1-3TicalvalueofmofsomematerialsusedasoxveensensorsMaterialsTypicalva

7、luesofmworkingtemperature('C)-4，Ti02一6700-1000毛San,-4,+3,+4700-1000-4，2Ga203﹄900-1000-4，只工Nb205︸700-1000石Ce02700-1000半导体氧化物型氧传感器的优点在于它们结构简单、体积小、价格便宜、抗腐蚀性好。在这类传感器中研究的最广泛和全面的是Ti02氧传感器，与Zr02传感器相比虽然灵敏度稍差，在较低温度下对气体响应弱(521，但却有较强的抗铅能力‘，3，。氧化物半导体型氧传感器也被用于稀薄燃烧系统，最早得到应用的是Coo,但单一组

8、分的CoO,NiO等陶瓷材料，在高温低氧分压下会发生分解还原，大大限制T它们的应用，为此开发了Col.,Mg,O,Nil-.Mgx0,(MgCoNi)15":571等更为稳定的系统。特别是掺Mg钦酸鳃(SrTil_,M&