标题氧化锆传感器的测量原理以及结构特点

氧化锆传感器的测量原理以及结构特点：
氧化锆传感器的核心构件是氧化锆固体电解质，氧化锆固体电解质是由多元氧化物组成的。常用的这类电解质有ZrO₂·Y₂O₃，它由二元氧化物组成，其中，ZrO₂称为基体，Y₂O₃称为稳定剂。ZrO₂在常温下是单斜晶体，在高温下它变成立方晶体（萤石型），但当它冷却后又变为单斜晶体，因此纯氧化锆的晶型是不稳定的。所以当在ZrO₂中掺人一定量的稳定剂Y₂O₃时，由于Y³⁺置换了Zr⁴⁺的位置，一方面在晶体中留下了氧离子空穴，另一方面由于晶体内部应力变化的原因，该晶体冷却后仍保留立方晶体，因此又称它为稳定氧化锆。据上分析，稳定氧化锆在高温下（650℃以上）是氧离子的良好导体。典型的氧化锆传感器是
              Pt,P＇＇_O2│ZrO₂·Y₂O₃│P＇_O2,Pt
在上述电池中，Pt表示两个铂电极，它是涂制在氧化锆电解质的两边，两种氧分压为P＇＇_O2和P＇_O2的气体分别通过电解质的两边。作为氧传感器，其中P＇＇_O2是参比气，例如通人空气（20.6%O₂），P＇_O2是待测气，例如通入烟气。在高温下，由于氧化锆电解质是良好的氧离子导体，上述电池便是一个典型的氧浓差电池。
      在高温下（650－－-850℃），氧就会从分压大的P＇＇_O2一侧向分压小的P＇_O2侧扩散，这种扩散，不是氧分子透过氧化锆从P＇＇_O2侧到P＇_O2侧，而是氧分子离解成氧离子后，通过氧化锆的过程。在750℃左右的高温中，在铂电极的催化作用下，在电池的P＇＇_O2侧发生还原反应，一个氧分子从铂电极取得4个电子，变成两个氧离子（O^2-）进入电解质，即：
                     O₂（P＇＇_O2）+4e→2O^2-
P＇＇_O2侧铂电极由于大量给出电子而带正电，成为氧浓差电池的正极或阳极。这些氧离子进入电解质后，通过晶体中的空穴向前运动到达右侧的铂电极，在电池的P＇_O2侧发生氧化反应，氧离子在铂电极上释放电子并结合成氧分子析出，即：
                     2O^2-－4e→O₂（P＇_O2）
P＇_O2侧铂电极由于大量得到电子而带负电，成为氧浓差电池的负极或阴极。这样在两个电极上，由于正负电荷的堆积而形成一个电势，称之为氧浓差电动势。当用导线将两个电极连成电路时，负极上的电子就会通过外电路流到正极，再供给氧分子形成离子，电路中就有电流通过。
其池电势由能斯特方程给出：
              E=RT/4F×ln（P＇＇_O2/P＇_O2）
式中R为气体常数，T为电池的热力学温度（K），F为法拉第常数．（1）式是在理想状态下导出的， 必须具有四个条件：（1）两边的气体均为理想气体；（2）整个电池处于恒温恒压系统中；（3）浓差电池是可逆的；（4）电池中不存在任何附加电势。因此称（1）式为氧化锆传感器的理论方程。由（1）式可见由于参比气氧含量P＇＇_O2是已知的，因此测得E值后便可求得待测气体氧含量P＇_O2值。
当电池工作温度固定于700℃时，上式为：
                     E=48.26lg（P＇＇_O2/P＇_O2）
由上式，在温度700℃时，当固体电介质一侧氧分压为空气（20.6%） 时，由浓差电池输出电动势E，就可以计算出固体电介质另一侧氧分压，这就是氧化锆氧量分析仪的测氧原理。