在精密的航天儀器中,氧傳感器作為一種檢測空氣中氧濃度的傳感器而扮演著不可替換的角色。作為氧儀表的核心元件——平板式極限電流型氧傳感器由于響應速度快、靈敏度高、穩(wěn)定性好、工作壽命長以及無需參比氣體的優(yōu)勢成為了研究生產的重點。本文采用數(shù)值仿真與實驗驗證相結合的方法,開展了氧傳感器結構尺寸與工作條件對其性能影響的機理研究,并針對不同量程、不同工作環(huán)境下的傳感器結構尺寸、響應時間、輸出性能指標、熱力學性能進行了耦合條件下的機理建模、特性分析和性能優(yōu)化。首先,對極限電流型氧傳感器的工作機理和輸出特性進行了分析。分析了極限電流型氧傳感器的氣體擴散機理、固體電解質氧泵反應機理、極限電流產生機理,進而提取出影響氧傳感器輸出特性的關鍵因素有材料特性、工作環(huán)境、傳感器結構尺寸。通過對傳感器結構組成的細致分析,并針對氧傳感器性能指標,設計了一種應用于航天器環(huán)境的極限電流型氧傳感器。其次,利用流體動力學和結構熱力學仿真的方法,對傳感器物理擴散、電化學氧泵反應、溫度場、應力場等多場耦合的復雜工作過程進行了仿真分析。通過建立氧傳感器流體電化學和結構熱力學模型,對傳感器進行基于組分擴散、多孔介質傳輸、電化學-熱耦合... 

【文章來源】：哈爾濱工程大學黑龍江省 211工程院校

【文章頁數(shù)】：98 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

管式氧傳感器

第1章緒論3當高溫環(huán)境下,且兩側氧濃度出現(xiàn)差值時，濃度高的氧會通過ZrO2兩側的多孔鉑電極，在電解質中以O2-離子態(tài)向低濃度一側遷移，從而形成氧離子導電[7]。此時在ZrO2電解質兩側電極上出現(xiàn)氧濃度差電勢E,其工作原理如圖1.2所示。濃差電池陽極反應為：22O(I)4e2O(1-1)陰極反應為：222O4eO(II)(1-2)總反應為：O2(I)=O2(II)(1-3)假設ZrO2固體電解質的離子遷移數(shù)為1，則對于理想氣體的濃差效應所形成的電動勢E可用Nernst公式(1)表示[8]：22()=ln4()OORTPIEFPII(1-4)式中：R為氣體常數(shù)；T為傳感器的熱力學溫度(K)；F為法拉第常數(shù)；PO2(I)為參比氣氧分壓(即陰極側氧分壓)；PO2(II)為待測氧分壓(即陽極側氧分壓)。顯然，當溫度確定時，若參比氣體的氧分壓為已知時，只要測出E值就可得到待測氣體的氧含量或氧分壓P值[9]。圖1.2濃差式氧傳感器原理圖2.極限電流式氧傳感器而以限速孔作為擴散障的極限電流式氧傳感器中,當固體電解質兩側的電極上存在電動勢時，通過限速孔流入測試腔中的氧以氧離子(O2-)形式被泵到另一側，同時在外接電路中形成感應電流，此感應電流在電壓增大時變大，待電壓達到一定值時，電流達到最大值而保持穩(wěn)定，如圖1.4所示。這是因為不斷增大的電壓增強了氧泵作用，而由于限速小孔的限制，氧氣擴散速率到達極限。極限電流值IL與待測氧含量成正比,且IL直接取決于氧氣向檢測腔內擴散的速率[10]，其中IL由式(1-5)決定：

哈爾濱工程大學碩士學位論文4224=ln1OOLFDSPPIRTLP(1-5)式中，DO2為N2中氧的擴散系數(shù)；S為擴散孔面積；L為擴散孔長度；PO2為待測氣體的氧分壓值；F為法拉第常數(shù)；R為氣體常數(shù)；T為傳感器的熱力學溫度(K)。通過式(1-5)易知，當工作溫度、擴散孔的面積長度比已知時，極限電流IL值直接與待測氧含量相關，其值可直接得出環(huán)境中氧含量。圖1.3限流式氧傳感器示意圖圖1.4極限電流型氧傳感器在不同氧濃度下的飽和電流與電壓的關系3.寬域式氧傳感器寬域型氧傳感器擁有兩個固體電解質，一個作為氧濃差電池，一個作為氧氣泵[11]，其原理與傳統(tǒng)氧傳感器相同。在采用傳統(tǒng)氧傳感器的空燃比控制中，當尾氣中混合氣較濃時，氧氣含量低，在多孔鉑電極的催化下，氧與可燃氣反應，造成傳感器外側氧濃度極低，與參比氣體形成濃差電池；當尾氣混合氣較稀時，氧含量增加，這使得傳感器內外氧濃度差較小，產生的電壓值已無法滿足對汽車排放的控制。為了解決某些工況下傳統(tǒng)氧傳感器電壓過小的問題，開發(fā)出來一種寬域型氧傳感器(UEGO)，其結構原理如圖1.5所示�；旌蠚庥蓴U散孔進入擴散阻力層到達檢測室，通過

【參考文獻】：
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本文編號：3027219