氧化锆氧传感器特性及偏移研究

以氧化锆陶瓷为传感元件的氧传感器已被广泛应用于工业、汽车、环保、科研领域，在实际运用和环境检测中发挥重要作用，在汽车发动机中氧传感器是节油和减少排放的关键零部件。根据输出信号，主要分为电压型和电流型两种。然而，在国内车用氧传感器研究中，尚存在许多亟待解决的问题，如信号关联量化，国内尚未对输出特性偏移制定统一的评价标准等，对推动氧传感器国产化进程造成一定程度的困难。本文运用固体电解质特有的能斯特原理，经过推导，分别对两种氧传感器输出建立数学模型，并对测量结果的影响因素进行研究，提出一种在运用中具有实际参考意义的评价方法。

1 电压型氧传感器

1.1 能斯特原理

氧传感器内部的传感元件为氧化锆陶瓷体，为一种固态电解质，其两端烧结有孔状结构的多孔铂电极，在一定温度下发生电化学反应：当陶瓷体两端产生氧浓度差时，参考空气腔（高氧浓度端）的氧分子被吸附在铂电极上，从铂电极上捕获电子并结合形成氧离子O^2-，使该铂电极上带正电。此时，形成的氧离子O^2- 通过电解质中的空位迁移到感应腔（低氧浓度端），并在铂电极释放出电子和氧气，使该电极带负电。

因此，在铂电极上发生氧化还原反应产生阳离子，陶瓷体起传导氧离子的作用。氧传感器内部陶瓷体一端作为参考空气腔，通大气，另一端作为感应腔，通入发动机废气，原理如图1 所示。

图1 电压型氧传感器工作原理

O^2- 在阴极发生氧化反应，被测气端（低氧端），放出电子，此时铂电极带负电（-）：

2O²⁻−4e→O₂

O²在阳极发生还原反应，空气端（高氧端），吸收电子，此时铂电极带正电（+）：

O₂ +4e→ 2O²⁻

1.2 空燃比和基准电压

发动机空燃比是指发动机工作时，实际消耗的空气质量与理论消耗的空气质量之比，理论消耗的空气质量为发动机理想工作状态，此时燃油完全燃烧，通常1 kg汽油需要消耗14.7 kg 空气。空燃比是评价发动机油耗和排放的重要标准，通常用希腊字母λ 标识，当实际消耗的空气质量等于空气质量时，λ = 1，称为理论空燃比。

根据能斯特原理，陶瓷体在工作条件下，两端只要存在氧含量浓度不同的气体，即可产生不同大小的电势差。浓度差越大，电势差越大，废气越浓，反之，浓度差越小，电势差越小，废气越稀。电势差越接近于1 氧废气含量越低，电势差越接近于0 氧含量越接近空气，响应曲线如图2 所示。

图2 响应曲线

因此，根据当前的电压信号大小可判断出陶瓷体两端氧含量的浓度差，从而得出废气中的氧含量和空燃比。当空燃比等于为理论空燃比，即λ = 1 时，对应的输出电压为450 mV，通常作为基准电压。基准电压与当前测得电压对比，大于450 mV 判断为浓信号，小于450 mV 判断为稀信号，如图3 所示。

图3 空燃比控制

1.3 数学模型

能斯特方程是定量描述某种离子在电解质电极间形成的扩散电位的方程表达式。在电化学反应中，能斯特方程用来计算电解质电极上氧化还原反应的平衡电压。

对于氧传感器，可以用陶瓷体两端的氧气分压（即氧气在标准大气压下的分压、氧气在废气中的分压）、温度计算出氧化还原反应产生的电动势，能斯特方程表示如下^[1]：

E：能斯特电压；

E⁰：标准条件（温度为298 K，O₂ 分压为一个标准大气压）下的能斯特电压；

R：气体常数8.314 J/(K·mol)；

T：固体电解质活性区域的绝对温度（K）；

F：法拉第常数，为1 mol 电子的电荷量；

F = N ⋅ e = 6.022×10²³×1.602×10⁻¹⁹=96 485 J/(mol ⋅V)

n：电极反应中转移的电子数；

由推导的式（3）可知，铂电极上氧化还原反应产生的能斯特电压与温度、大气中氧气分压与废气中氧气分压的比值有关。

2 电流型氧传感器

2.1 基本原理

由于电压型氧传感器输出响应类似一个指示稀浓状态的阶跃信号，不能精确地判断废气稀、浓程度。电流型氧传感器是电压型氧传感器的扩展与优化。其原理与电压型氧传感器基本相同，只是在电压型氧传感器结构基础上增加一层氧化锆陶瓷和电极，以此增加一个泵单元，加以泵电流作用。泵电流大小与能斯特电压形成闭环控制，以维持感应腔的能斯特电压维持在基准值附近，电流型氧传感器原理如图4 所示。

图4 电流型氧传感器工作原理

电流型氧传感器可在宽域范围内检测废气中氧的稀浓程度，实现发动机更精确的控制^[2]。

泵单元闭环控制原理为：根据感应腔当前电势大小，在泵单元电极上施加不同大小、方向的泵电流，使废气里的氧分子通过铂电极孔桩结构流入或泵出，使废气腔电势维持在450 mV 附近。

当发动机空燃比为稀时，废气腔电压小于450 mV，施加泵电流将感应腔的氧分子泵出到废气，此时泵电流为正（+）；

当发动机空燃比为浓时，废气腔电压大于450 mV，施加泵电流将废气中的氧分子泵向感应腔，此时泵电流为负（-）。

由此泵电流大小、方向判断出废气的稀浓程度，电流型氧传感器典型响应曲线如图5。

图5 电流响应曲线

2.2 数学模型

由于电流型氧传感器泵电流大小、方向取决于感应腔电极的电势差，而该电势差取决于废气中的氧分压，泵电流的驱动方程可表示为：

3 氧传感器输出性能偏移影响因素

能斯特方程为氧离子完全电离、传输的理想状态，而实际中，往往受到氧化锆本身特性，或铂电极孔状结构的大小和形状等影响，气体并未完全参与电化学反应，而未能达到等于能斯特电压的理想状态。

3.1 温度

除了由推导得出式（3）（5）可知，氧传感器输出受温度的影响，温度越高，能斯特电压或泵电流越大。除此之外，还受到由氧化锆陶瓷的物理特性影响，温度变化导致其内阻发生变化，如图6。当温度过低时（通常低于350 ℃），内阻过大将导致信号输出受限，这一物理特性使得氧传感器只能在高温下才有相对稳定的输出。通常选择350℃、850℃、浓状态λ = 0.97、稀状态λ = 1.1 作为监测点能较有代表性的反应氧传感器的品质^[3]。

图6 氧化锆陶瓷内阻与温度的关系

工作温度的条件下，温度对氧传感器输出性能的影响：

对于电压型氧传感器，温度降低，氧化锆内阻变大而导致输出电压变大；温度升高，氧化锆内阻减小而导致输出电压减小。而由于电压型氧传感器输出阶跃信号，极值电压大小并不影响输出性能，根据基准电压判断稀浓的转折点偏移是影响λ 特性的主要因素。以选取450mV为基准电压为例，温度降低将会导致在λ 小于1 时提前转折，导致废气特性偏浓。反之，温度升高将会导致在λ 大于1 时延迟转折，导致废气特性偏稀，如图7所示。

图7 电压响应与温度的关系

对于电流型氧传感器，温度降低，氧化锆本身内阻变大而导致输出电流相应变小，反之，温度升高，将导致输出电流相应变大。

根据量产经验值，推荐的电流型氧传感器对温度的偏移量为：

3.2 气体分压

对于电压型氧传感器，由式（3）可知，参考空气中氧分压和废气中的氧分压，直接影响能斯特电压的输出。在标准大气压下的氧气体积分压如表1 所示，若为非标准大气压，则须查表或测量当前空气中的氧分压值。

对电流型氧传感器，由式（5）可知，废气中的氧分压影响泵电流输出。电流型氧传感器的锆元件对气压变化的敏感度越低，传感器输出越精确。

废气的绝对压力下传感器输出压力参考气压的相关性用常数m 表示，关系式如下：

其中，p_Exh为废气压力；

p₀为参考气压，1.013bar；

I_{p Exh}为当前废气压力下传感器输出的泵电流；

I_p0为参考气压下传感器输出的泵电流；

由式（7），m=0时， I_p Exh=I_p0，表示传感器输出与参考气压输出相等，压力相关性为0，对气压变化敏感度为0。

根据量产经验值，对于电流型氧传感器信号的偏移评价可参照图8，其中

图8 电流信号偏移评价

3.3 老化

新件、老化后性能对氧传感器输出产生影响^[4]。

老化后的电压型氧传感器输出通常向稀偏移，根据量产经验值，推荐的老化后输出特性偏移评价如表2所示。

老化后的电流型传感器输出偏移范围应在新件输出范围扩大±7% 以内，表3 为量产车型典型参考。

3.4 间接原因

一定温度下，大气中的含氧量随湿度变化，如21 ℃时，大气中氧含量在20.9%( 干燥气体) 与20.5%(100%相对湿度) 之间波动，湿度越高，含氧量越低^[5]。不同的海拔高度空气含氧量也不同，影响大气中的氧气分压，因此，空气湿度、海拔高度是影响测量结果的间接原因。

4 结束语

1）本文采用根据能斯特原理分别对基于氧化锆陶瓷元件的分压型氧传感器、泵电流型氧传感器计算公式进行推导，建议两种氧传感器的数学模型，为研究和进行信号仿真分析提供参考基础。

2）与能斯特方程完全氧化还原反应得出的理论结果相比，对实际氧传感器造成输出偏移的几种因素进行分析，及从量产汽车的实际经验中进行总结，给出偏移的建议评价。

3）除以上分析几种影响因素外，氧化锆陶瓷内部结构、铂电极制造工艺^[6]、镀层^[7] 等内部因素也会对输出电压产生影响，有待进一步研究。

参考文献：

[1] JAVALE B,JAIN A,JAIN A. Optimization of response time of novel fuel quality sensor for bio- fuel combustion

engine[J].2017中国汽车工程学会年会论文集,2017:315-322.

[2] YOUSEF S.H. N, ABAD A W.H. A,AMRO J.A.S.Comparison of performance using wide-band versus narrow-band oxygen sensors in gasoline engines[J].Case Studies in Thermal Engineering,2019,16（12）.

[3] 周志宾,王季峰,辛明华.汽车氧传感器电压输出特性研究[J].传感器与微系统,2007,26(5):30-32.

[4] 吉武俊.汽车发动机氧传感器老化对尾气排放影响[J].顺德职业技术学院学报,2020,18(3):6-15.

[5] 李赏,朱广文,华周发,等.氧浓度对PEMFC 动态响应的影响[J].电池工业,2012,17(1):3-8.

[6] 沙顺萍.ZrO2氧传感器的电极制备及其响应特性研究[J].材料开发与应用,2018,(1):88-93.

[7] 彭梓,谢光远,石亮.含Pt 保护层对氧传感器性能的影响研究[J].仪表技术与传感器,2013,(3):93-95.

（本文来源于威廉希尔 官网app 杂志2023年5月期）