氧气传感器的原理


  气体中,氧气传感器因工艺复杂,价格、配套昂贵,在实验室一般见不到氧浓度测试设备。本文的氧气传感器是通过多次实验制成的。该传感器能直接测量常见气体中氧气浓度。在通过适当转换后可间接进行液体溶氧含量测量,实用性强。取材制作容易。

  性能稳定,信号输出大。氧浓度测试无需电子电路。接上适当表头就可进行观察。若要进行自动控制,无需价格昂贵的精密运放,普通电路完全胜任,当然测试精度比国家同类产品低些。  

  传感器原理
  
  利用电化学原理。用下面两种不同的材料配上适当的电解液,即可构成一种专用于测量气体中氧气浓度的原电池:

  锌/氯化铵溶液或KOH/碳电极(+)空气上面结构中的锌构成原电池的负极。暴露在空气中的碳电极构成原电池的正极。中间电解液为氯化铵溶液(或KOH溶液)。当被测空气中含有氧气时,在电极的表面即可形成如下的反应:

    在阴极锌板上起:    的反应。

 在碳阳极表面起:的反应 两极反应的结果:   在溶液中有Zn(OH)2沉淀形成,当NIL+存在时,OH-与之作用生成NH3,其次为Zn(NH3)2++,于是成为Zn(NH3)2CL2,溶解于液体之中。   全部反应如下:   如果被测空气中氧浓度稳定,在传感器接上适当的之后,输出(或者)随时间变化的曲线如图1所示。图l曲线中。起初电压较高,这是由于碳质阳极表面预先吸附大量的活化氧聚集形成的。随电流输出,碳极表面氧急剧消耗,电压迅速下降,这是放电曲线的最初部分AB。当碳极表面吸着的氧一经消耗,被测空气中的氧重新吸附于碳极表面,被碳极表面活化。   发生起电作用,继续输出电流。由于碳极表面吸着氧并活化的速度有一定限度,在一定的氧浓度与温度下达到动态的平衡,原电池将输出稳定电流,此阶段,对应曲线的BC段。在被测氧浓度增大时,平直线段对应数值向上平移。在新的浓度与温度下达到动态平衡。反之则下移。在相同温度下,BC段电流数值与浓度成对数比例关系,传感器工作时就工作于曲线的BC线段上。在经过一定时间使用后,即使被测气体浓度未变输出也会下降,直至有效原料消耗殆尽。传感器输出变为O,在附图中对应CD线段。传感器已报废。   在上述原理中。NH4CL的作用为溶解氢氧化锌,减少Zn++的活动量,增加导电性。电解液也可用KOH,作用类似NFLCL,使氢氧化锌成为K2zn02而溶解。使用时,循环管道需加入C02过滤器,对KOH的质量要求比较高。