氧濃度傳感器工作原理

氧濃度傳感器由敏感元件將被測(cè)氧氣濃度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后再通過(guò)調(diào)理電路將一次電壓信號(hào)調(diào)理成滿(mǎn)足要求的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，輸出給測(cè)控子系統(tǒng)。信號(hào)的輸入與輸出經(jīng)過(guò)專(zhuān)用濾波電路組件濾波，實(shí)現(xiàn)抗電磁干擾的目的。調(diào)理電路包括輸入保護(hù)、濾波、恒壓供電、放大等部分，各部分分別完成了電路的內(nèi)外保護(hù)、干擾的濾除、電路恒壓供電、輸出信號(hào)放大等功能。

該敏感元件屬于極譜式，由初級(jí)變換器，電路，電源以及不銹鋼殼組成。其工作原理是被測(cè)氣體通過(guò)隔膜擴(kuò)散到電解液中后，氧氣會(huì)在一定的電壓下發(fā)生分解，通過(guò)檢測(cè)分解電流的大小，測(cè)出氣體的濃度。

氧濃度傳感器調(diào)理電路

該敏感元件無(wú)需外部供電，在20.9%vol.O2條件下其輸出電壓為150 mV～350mV，由于輸出電壓小，輸出信號(hào)無(wú)法準(zhǔn)確采集，因此需要外部調(diào)理電路把信號(hào)放大輸出采集。

調(diào)理電路具有電路簡(jiǎn)單、使用元件少、可靠度高、功能強(qiáng)等特點(diǎn)。其電路原理圖見(jiàn)圖所示。從圖可見(jiàn)，調(diào)理電路中設(shè)計(jì)的輸入輸出保護(hù)，提高了產(chǎn)品的使用可靠度；設(shè)計(jì)的限幅電路，保證滿(mǎn)足輸出在－0.5V～＋5.5V的指標(biāo)要求。

圖氧濃度傳感器調(diào)理電路原理圖

氧濃度傳感器熱設(shè)計(jì)

氧濃度傳感器的熱設(shè)計(jì)主要應(yīng)從以下幾方面考慮，一是所使用元器件的功耗，二是氧濃度傳感器整體工作環(huán)境溫度范圍，三是殼體的散熱（內(nèi)部若有熱源）。首先氧濃度傳感器所使用的電子元器件均為低功耗器件，氧濃度傳感器整體最大工作電流為8mA，最大功耗為96mW。屬于低功耗器件。其次，氧濃度傳感器在的工作環(huán)境溫度為-10℃~50℃，而氧濃度傳感器所用電子元器件的工作溫度范圍為-35℃~50℃以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)寬于氧濃度傳感器的使用環(huán)境溫度范圍。再者氧濃度傳感器最大功耗為96mW，氧濃度傳感器內(nèi)部空間較大且分散在多個(gè)元件上，因此氧濃度傳感器內(nèi)部無(wú)熱源。

氧濃度傳感器抗電磁干擾設(shè)計(jì)

氧濃度傳感器的電磁兼容設(shè)計(jì)是按分系統(tǒng)要求，從干擾的三要素入手進(jìn)行的，在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行了大量的試驗(yàn)及驗(yàn)證，在元器件的選擇和印制電路板的布線(xiàn)設(shè)計(jì)等方面都進(jìn)行了電磁兼容設(shè)計(jì)。

氧濃度傳感器靜電放電控制設(shè)計(jì)

氧濃度傳感器未采用CMOS等Ⅰ類(lèi)靜電敏感器件。同時(shí)，在工藝設(shè)計(jì)，環(huán)境保障等方面進(jìn)行有效的防靜電控制，編制了生產(chǎn)過(guò)程中的防靜電通用工藝，有效地指導(dǎo)產(chǎn)品的生產(chǎn)。在生產(chǎn)操作過(guò)程中采取了有效的防靜電措施，如工作臺(tái)鋪防靜電膠皮，元器件、在制品及成品均采用防靜電中轉(zhuǎn)盒傳遞，操作人員均穿防靜電工作服，戴防靜電手套，使用防靜電腕帶，采用防靜電電烙鐵、防靜電鑷子、靜電中和離子風(fēng)機(jī)等，滿(mǎn)足了有關(guān)要求。

氧濃度傳感器安全性設(shè)計(jì)

氧濃度傳感器供電電壓為DC（12±1.2）V，屬安全使用電壓。氧濃度傳感器本身未采用電感類(lèi)元件，對(duì)氧濃度傳感器外的系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾影響。由于氧濃度傳感器內(nèi)部采用了專(zhuān)用濾波電路組件，使氧濃度傳感器的抗電磁干擾能力得到明顯提高，此濾波電路組件在多個(gè)重點(diǎn)型號(hào)中使用過(guò)，通過(guò)GJB3590-99《航天系統(tǒng)電磁兼容性要求》規(guī)定的各項(xiàng)試驗(yàn)。

在設(shè)計(jì)氧濃度傳感器電路時(shí)，輸入、輸出端采用極性、過(guò)壓保護(hù)措施，以避免電源接反或輸出短路而造成氧濃度傳感器的損害。在電路設(shè)計(jì)中留有充裕量（冗余設(shè)計(jì)），包括電阻功率，晶體管功率及電容耐壓等，以保證使用期間不發(fā)熱，不爆炸。

通過(guò)對(duì)敏感元件結(jié)構(gòu)分析知，其內(nèi)部為灌封結(jié)構(gòu)，能夠承受劇烈的振動(dòng)和沖擊，且將敏感元件做振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)，已通過(guò)試驗(yàn)。氧濃度傳感器殼體與元件座采用焊接設(shè)計(jì)，調(diào)理電路組件固定采用三點(diǎn)均布螺釘安裝方式。氧濃度傳感器中敏感元件加絕緣墊、且采用局部灌封，保證敏感元件外殼與氧濃度傳感器殼體絕緣，并且提高氧濃度傳感器整體密封性能。這些措施的采取保證了氧濃度傳感器高可靠性工作。

氧敏感元件測(cè)量范圍為（0%～100%）O2，實(shí)際測(cè)量范圍為（0%～50%）O2，在額定范圍內(nèi)使用，而且其靈敏度、精度等指標(biāo)滿(mǎn)足使用要求。

氧濃度傳感器用“四芯”插頭座采用雙線(xiàn)方式與外電路連接，以保證不會(huì)發(fā)生錯(cuò)接現(xiàn)象。

氧濃度傳感器在低氣壓環(huán)境使用時(shí)配有保壓帽，使氧濃度傳感器在低氣壓下能安全可靠工作。

濕度對(duì)氧濃度傳感器輸出的影響

敏感元件正常工作的環(huán)境濕度為不大于98％RH，對(duì)氧濃度傳感器在環(huán)境濕度為20%RH ～90%RH內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析，可知隨著濕度的升高氧濃度傳感器輸出降低，降幅不大，對(duì)精度影響可忽略，但在空氣中輸出變小時(shí)需干燥氧濃度傳感器。

壓力適應(yīng)性試驗(yàn)驗(yàn)證

以空氣作樣氣，將氧濃度傳感器放入一密封容器中，用泵使密封容器中壓力改變。總壓力增加或減少越多，氧濃度傳感器輸出信號(hào)增加或減少也越大。這種理論與實(shí)際的偏差在于毛細(xì)管兩端氣壓差作用下的對(duì)流影響。由菲克定律知在恒組成的樣氣中，氧濃度傳感器的輸出信號(hào)理論上與總壓力無(wú)關(guān)（在一定溫度下）。總壓在97kPa～105kPa范圍內(nèi)氧濃度傳感器輸出信號(hào)變化滿(mǎn)足精度要求。若總壓力變化超過(guò)上述壓力范圍，因?qū)α鞯挠绊懫渚瘸睿虼吮狙鯘舛葌鞲衅髟趬毫ψ兓癁?7kPa～105kPa范圍內(nèi)時(shí)正常工作，不須作其他校正。但氧濃度傳感器工作在97kPa～105kPa范圍以外時(shí)，當(dāng)不改變氧氣體積比，而改變混合氣體壓力時(shí)，氧濃度傳感器輸出信號(hào)與氧氣壓力成比例變化。

氧濃度傳感器抗電磁干擾能力

氧濃度傳感器本身未采用電感類(lèi)元件，對(duì)氧濃度傳感器外的系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾影響。由于氧濃度傳感器內(nèi)部采用了專(zhuān)用濾波電路組件，使氧濃度傳感器的抗電磁干擾能力得到明顯提高，此濾波電路組件在多個(gè)重點(diǎn)型號(hào)中使用過(guò)，能夠滿(mǎn)足電磁兼容的要求。

通過(guò)對(duì)敏感元件結(jié)構(gòu)分析知，其內(nèi)部為灌封結(jié)構(gòu)，能夠承受劇烈的振動(dòng)和沖擊，且將敏感元件做振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)，已通過(guò)試驗(yàn)。氧濃度傳感器殼體與元件座采用焊接設(shè)計(jì)，調(diào)理電路組件固定采用三點(diǎn)均布螺釘安裝方式，在設(shè)計(jì)氧濃度傳感器電路時(shí)，輸入、輸出端采用極性、過(guò)壓保護(hù)措施，以避免電源接反或輸出短路而造成氧濃度傳感器的損害。氧濃度傳感器中敏感元件加絕緣墊、且采用局部灌封，保證敏感元件外殼與氧濃度傳感器殼體絕緣，并且提高氧濃度傳感器整體密封性能。這些措施的采取保證了氧濃度傳感器高可靠性工作。

氧濃度傳感器使用

氧濃度傳感器在97kPa～105kPa范圍內(nèi)輸出信號(hào)滿(mǎn)足精度要求。若總壓力變化超過(guò)上述壓力范圍，因?qū)α鞯挠绊懫渚瘸睿虼吮狙鯘舛葌鞲衅髟趬毫ψ兓癁?7kPa～105kPa范圍內(nèi)時(shí)正常工作，不須作其他校正。但氧濃度傳感器工作在85kPa～97kPa范圍內(nèi)時(shí)，氧濃度傳感器需要壓力補(bǔ)償修正，給出空氣狀態(tài)下85kPa～97kPa范圍內(nèi)壓力校準(zhǔn)曲線(xiàn)或修正公式，便于使用。

氧濃度傳感器的校準(zhǔn)

氧濃度傳感器貯存期為5年，校準(zhǔn)期為1年，把氧濃度傳感器進(jìn)氣腔與測(cè)試裝置相連，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)氧氣瓶或氣囊在0%、50%兩個(gè)濃度點(diǎn)進(jìn)行定期測(cè)試校準(zhǔn)。本文源自澤天傳感，版權(quán)所有，轉(zhuǎn)載請(qǐng)保留出處。