氧气传感器工作原理揭秘

1、电化学氧传感器

电化学氧传感器主要用于测量环境空气中的氧含量。它们测量传感器内的化学反应，产生与氧气水平成比例的电输出。因为一些电化学传感器会产生自己的模拟电流，所以它们不需要供电，这使得它们可以用于测量氧气电池驱动的水下潜水和手持个人安全装置。例如呼气分析仪、呼吸传感器和血糖传感器。

更换氧传感器就传感器的优点而言，电化学传感器因其较低的功率要求、较低的检测限以及通常较少受到干扰气体的直接影响而受到追捧。它们也是最便宜的传感器。

电化学氧传感器面临的一个挑战是，它们依赖于与温度相关的化学过程。大多数电化学传感器的输出在很大程度上依赖于温度补偿，以在广泛的环境条件下提供可靠的读数。

电化学氧传感器的另一个挑战是，随着时间的推移，化学反应停止、寿命终止，通常在1到3年之间，这取决于传感器的设计。将它们储存在无氧环境中并不会延长传感器的使用寿命。随着传感器老化，它需要频繁的再校准，并且不如其他传感器那么精准。

然而，由于其坚固的设计、低成本和无功耗的电化学传感器被用于许多设备。

例如，手持式气体分析仪。AlphaSense是最受欢迎的电化学氧传感器制造商之一。他们的传感器O2-A2被广泛用于4气体探测器和便携式安全仪表。

医疗呼吸机。Oksidyne 电化学氧气传感器OKS-1。监控麻醉，重症监护，培养箱，一般氧气监测仪中的氧气分压。

2. 光学氧传感器

光学氧传感器是基于氧的荧光猝灭原理。它们依靠光源、光探测器和对光起反应的发光材料。在许多领域，基于发光的氧传感器正在取代克拉克电极。

分子氧淬灭荧光的原理早已为人所知。一些分子或化合物在光照下会发出荧光(即发出光能)。

然而，如果氧分子存在，光能转移到氧分子导致荧光减少。通过使用已知的光源，检测到的光能量与样品中氧分子的数量成反比。因此，检测到的荧光越少，样品气体中必须存在的氧分子就越多。

在某些传感器中，荧光在已知的时间间隔内被探测两次。不是测量总荧光，而是测量随时间的发光下降(即荧光猝灭)。这种基于衰减的时间方法允许更简单的传感器设计。

LOX-02是一种利用氧的荧光猝灭来测量环境氧含量的传感器。虽然它与传统的电化学传感器有着相同的体积，但它不吸收氧气，而且它的优势是寿命更长。

3. 氧化锆氧传感器

SST氧气传感器的核心部位为传感元件  (图3-1)，它由两个氧化锆(ZrO2)方块组成，表面涂有一层通透的薄铂，用作电极。铂电极为所测氧气提供必要的催化剂用以离解，使氧离子能穿进和穿出氧化锆。

第一个氧化锆方块作为电化学氧气泵工作，排空或重新压缩密封腔体。基于可逆DC恒定电流源的方向，氧离子会从泵盘的一端电极流向另一端电极，这样反过来又会改变氧气浓度，进而改变腔体内的氧气压力（P₂）。由于泵过程受控，所以腔体内的压力总比腔体外的环境压力低。图3-4所示为传感元件的电气连接。

经过第二个氧化锆方块的氧气压差将生成一个能斯特电压，电压大小与两种氧气离子浓度比例的自然对数成正比。由于腔体内的压力（P₂）总保持低于腔体外的压力（P₁），所以感应端的电压相对于共用端的电压总为正。

SST的氧化锆氧测量传感器系统使用这种技术来测量烟道气、燃烧控制系统、煤炭、石油、天然气、生物质和氧气生成系统中的氧含量。

氧化锆氧测量传感器系统的另一个特点是，它位于传感器的核心，一个小的锆基元素，不需要参考气体。当氧气与其他气体混合时，它们也能保持准确性。

氧化锆传感器的缺点是氧化过程需要较高的温度，因此在实验中传感器会改变样品的气体温度。高温也意味着它需要大量的功耗，所以氧化锆氧传感器不用于电池操作或手持设备。此外，氧化锆传感器在ppm或ppb传感器精度要求的地方是不行的。

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