氧濃度傳感器工作原理

氧濃度傳感器由敏感元件將被測氧氣濃度轉換成電壓信號，然后再通過調理電路將一次電壓信號調理成滿足要求的標準電壓信號，輸出給測控子系統。信號的輸入與輸出經過專用濾波電路組件濾波，實現抗電磁干擾的目的。調理電路包括輸入保護、濾波、恒壓供電、放大等部分，各部分分別完成了電路的內外保護、干擾的濾除、電路恒壓供電、輸出信號放大等功能。

該敏感元件屬于極譜式，由初級變換器，電路，電源以及不銹鋼殼組成。其工作原理是被測氣體通過隔膜擴散到電解液中后，氧氣會在一定的電壓下發生分解，通過檢測分解電流的大小，測出氣體的濃度。

氧濃度傳感器調理電路

該敏感元件無需外部供電，在20.9%vol.O2條件下其輸出電壓為150 mV～350mV，由于輸出電壓小，輸出信號無法準確采集，因此需要外部調理電路把信號放大輸出采集。

調理電路具有電路簡單、使用元件少、可靠度高、功能強等特點。其電路原理圖見圖所示。從圖可見，調理電路中設計的輸入輸出保護，提高了產品的使用可靠度；設計的限幅電路，保證滿足輸出在－0.5V～＋5.5V的指標要求。

圖氧濃度傳感器調理電路原理圖

氧濃度傳感器熱設計

氧濃度傳感器的熱設計主要應從以下幾方面考慮，一是所使用元器件的功耗，二是氧濃度傳感器整體工作環境溫度范圍，三是殼體的散熱（內部若有熱源）。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，遠遠寬于氧濃度傳感器的使用環境溫度范圍。再者氧濃度傳感器最大功耗為96mW，氧濃度傳感器內部空間較大且分散在多個元件上，因此氧濃度傳感器內部無熱源。

氧濃度傳感器抗電磁干擾設計

氧濃度傳感器的電磁兼容設計是按分系統要求，從干擾的三要素入手進行的，在設計初期進行了大量的試驗及驗證，在元器件的選擇和印制電路板的布線設計等方面都進行了電磁兼容設計。

氧濃度傳感器靜電放電控制設計

氧濃度傳感器未采用CMOS等Ⅰ類靜電敏感器件。同時，在工藝設計，環境保障等方面進行有效的防靜電控制，編制了生產過程中的防靜電通用工藝，有效地指導產品的生產。在生產操作過程中采取了有效的防靜電措施，如工作臺鋪防靜電膠皮，元器件、在制品及成品均采用防靜電中轉盒傳遞，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、靜電中和離子風機等，滿足了有關要求。

氧濃度傳感器安全性設計

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元件，對氧濃度傳感器外的系統不產生干擾影響。由于氧濃度傳感器內部采用了專用濾波電路組件，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重點型號中使用過，通過GJB3590-99《航天系統電磁兼容性要求》規定的各項試驗。

在設計氧濃度傳感器電路時，輸入、輸出端采用極性、過壓保護措施，以避免電源接反或輸出短路而造成氧濃度傳感器的損害。在電路設計中留有充裕量（冗余設計），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熱，不爆炸。

通過對敏感元件結構分析知，其內部為灌封結構，能夠承受劇烈的振動和沖擊，且將敏感元件做振動、沖擊試驗，已通過試驗。氧濃度傳感器殼體與元件座采用焊接設計，調理電路組件固定采用三點均布螺釘安裝方式。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。

氧敏感元件測量范圍為（0%～100%）O2，實際測量范圍為（0%～50%）O2，在額定范圍內使用，而且其靈敏度、精度等指標滿足使用要求。

氧濃度傳感器用“四芯”插頭座采用雙線方式與外電路連接，以保證不會發生錯接現象。

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

濕度對氧濃度傳感器輸出的影響

敏感元件正常工作的環境濕度為不大于98％RH，對氧濃度傳感器在環境濕度為20%RH ～90%RH內進行測試，通過對數據分析，可知隨著濕度的升高氧濃度傳感器輸出降低，降幅不大，對精度影響可忽略，但在空氣中輸出變小時需干燥氧濃度傳感器。

壓力適應性試驗驗證

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?？倝毫υ黾踊驕p少越多，氧濃度傳感器輸出信號增加或減少也越大。這種理論與實際的偏差在于毛細管兩端氣壓差作用下的對流影響。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理論上與總壓力無關（在一定溫度下）?？倝涸?7kPa～105kPa范圍內氧濃度傳感器輸出信號變化滿足精度要求。若總壓力變化超過上述壓力范圍，因對流的影響其精度超差，因此本氧濃度傳感器在壓力變化為97kPa～105kPa范圍內時正常工作，不須作其他校正。但氧濃度傳感器工作在97kPa～105kPa范圍以外時，當不改變氧氣體積比，而改變混合氣體壓力時，氧濃度傳感器輸出信號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元件，對氧濃度傳感器外的系統不產生干擾影響。由于氧濃度傳感器內部采用了專用濾波電路組件，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重點型號中使用過，能夠滿足電磁兼容的要求。

通過對敏感元件結構分析知，其內部為灌封結構，能夠承受劇烈的振動和沖擊，且將敏感元件做振動、沖擊試驗，已通過試驗。氧濃度傳感器殼體與元件座采用焊接設計，調理電路組件固定采用三點均布螺釘安裝方式，在設計氧濃度傳感器電路時，輸入、輸出端采用極性、過壓保護措施，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范圍內輸出信號滿足精度要求。若總壓力變化超過上述壓力范圍，因對流的影響其精度超差，因此本氧濃度傳感器在壓力變化為97kPa～105kPa范圍內時正常工作，不須作其他校正。但氧濃度傳感器工作在85kPa～97kPa范圍內時，氧濃度傳感器需要壓力補償修正，給出空氣狀態下85kPa～97kPa范圍內壓力校準曲線或修正公式，便于使用。

氧濃度傳感器的校準

氧濃度傳感器貯存期為5年，校準期為1年，把氧濃度傳感器進氣腔與測試裝置相連，通過標準氧氣瓶或氣囊在0%、50%兩個濃度點進行定期測試校準。本文源自澤天傳感，版權所有，轉載請保留出處。