极限电流型氧敏元件测试系统设计

　　1　测试原理

　　依据工作原理可把氧敏元件分为极限电流型、浓差型和半导体电阻型等几种,它们在接触到不同浓度的氧气时,其响应分别为不同的极限电流、电势差和电阻值[1]。

　　对于极限电流型氧敏元件,当在ZrO₂体电解质两端施加某一电压时,其阴极附近表面的氧分子(O₂得到电子,形成氧离子(O₂)被抽到阳极表面附近,再失去电子以氧分子(O₂释放出来,因此电极电路中有电流通过。增大电压,流经回路的电流随之增大,待电压超过某一数值时,电流不再增大而达到极限值。该极限电流大小与继续增加的电压无关,而取决于被测环境中氧分压及氧向阴极扩散的速率[2]。

　　测试系统模拟氧敏元件工作的氧浓度、温度等环境,通过测试电路测取氧敏元件在相应的特定环境中的响应信号。

　　2　系统设计

　　2 .1　系统整体框架设计[3]

　　测试系统(如图1所示)主要由注气排气装置、流量控制及测量装置、供电加热装置、控温测温装置、测试电路等组成。

　　注气排气装置主要由气瓶、减压阀、压力表、进气管、排气管及阀门等组成,与流量控制及测量装置、石英管一起构成测试系统的气路。氧气、氮气分别经由减压阀、质量流量控制器控制后,按一定比例混合成氧浓度已知的气体注入石英管中

　　测温控温装置由热电偶、温控仪、调功器组成,供电加热装置由电源、碳素纤维电热管组成,它们与保温炉、石英管等一起构成测试系统的加热控温装置。三通石英玻璃管由碳素纤维电热管加热,并一起置入保温炉中。石英管两头有进、排气管,以提供控制气氛,氧敏元件由磨口塞固定后由中间开口接入石英管中。热电偶内部置于氧敏元件附近,外接温控仪、调功器,用于石英管的升温与控温,并准确测取氧敏元件工作温度。通过测试电路,并连接到信号采集与处理装置,就可完成氧敏元件响应性能的测试。

　　2 .2　具体设计

　　2 .2 .1　加热控温装置设计

　　氧敏元件研制初期,需通过外部热源提供其工作所需的温度条件(300~850℃),为此必须设计升温快、温度分布均匀、控温准确、使用及更换方便的加热控温装置。

　　采用石英管(可在1 100℃的高温长期使用)模拟汽车尾气排气管,其结构如图2所示。进气管内径Φ8,排气管内径Φ7,

　　从而确保在管内形成略高于101 .325 kPa的正压,以防试验中外部气体由进出口渗入石英管中。管体内的细管用于放置热电偶。外磨石英玻璃塞接入石英管中间的内磨开口形成配合密封,将磨口塞中间制成不同形状的孔(如图3所示),以适应不同形状尺寸的氧敏元件和不同的测试要求。对于浓差型或尺寸较大的氧敏元件,采用如图3(a)所示的磨口塞,氧敏元件固定于磨口塞的方孔上;对于微型氧敏元件,采用如图3(b)所示的磨口塞,氧敏元件整体置于管内,导线由导线孔引出。导线或氧敏元件通过高温密封胶密封固定。