在精密的航天儀器中,氧傳感器作為一種檢測(cè)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(yīng)速度快、靈敏度高、穩(wěn)定性好、工作壽命長(zhǎng)以及無需參比氣體的優(yōu)勢(shì)成為了研究生產(chǎn)的重點(diǎn)。本文采用數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法,開展了氧傳感器結(jié)構(gòu)尺寸與工作條件對(duì)其性能影響的機(jī)理研究,并針對(duì)不同量程、不同工作環(huán)境下的傳感器結(jié)構(gòu)尺寸、響應(yīng)時(shí)間、輸出性能指標(biāo)、熱力學(xué)性能進(jìn)行了耦合條件下的機(jī)理建模、特性分析和性能優(yōu)化。首先,對(duì)極限電流型氧傳感器的工作機(jī)理和輸出特性進(jìn)行了分析。分析了極限電流型氧傳感器的氣體擴(kuò)散機(jī)理、固體電解質(zhì)氧泵反應(yīng)機(jī)理、極限電流產(chǎn)生機(jī)理,進(jìn)而提取出影響氧傳感器輸出特性的關(guān)鍵因素有材料特性、工作環(huán)境、傳感器結(jié)構(gòu)尺寸。通過對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)組成的細(xì)致分析,并針對(duì)氧傳感器性能指標(biāo),設(shè)計(jì)了一種應(yīng)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(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)熱力學(xué)仿真的方法,對(duì)傳感器物理擴(kuò)散、電化學(xué)氧泵反應(yīng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等多場(chǎng)耦合的復(fù)雜工作過程進(jìn)行了仿真分析。通過建立氧傳感器流體電化學(xué)和結(jié)構(gòu)熱力學(xué)模型,對(duì)傳感器進(jìn)行基于組分?jǐn)U散、多孔介質(zhì)傳輸、電化學(xué)-熱耦合... 

【文章來源】：哈爾濱工程大學(xué)黑龍江省 211工程院校

【文章頁數(shù)】：98 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

管式氧傳感器

第1章緒論3當(dāng)高溫環(huán)境下,且兩側(cè)氧濃度出現(xiàn)差值時(shí)，濃度高的氧會(huì)通過ZrO2兩側(cè)的多孔鉑電極，在電解質(zhì)中以O(shè)2-離子態(tài)向低濃度一側(cè)遷移，從而形成氧離子導(dǎo)電[7]。此時(shí)在ZrO2電解質(zhì)兩側(cè)電極上出現(xiàn)氧濃度差電勢(shì)E,其工作原理如圖1.2所示。濃差電池陽極反應(yīng)為：22O(I)4e2O(1-1)陰極反應(yīng)為：222O4eO(II)(1-2)總反應(yīng)為：O2(I)=O2(II)(1-3)假設(shè)ZrO2固體電解質(zhì)的離子遷移數(shù)為1，則對(duì)于理想氣體的濃差效應(yīng)所形成的電動(dòng)勢(shì)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(xué)溫度(K)；F為法拉第常數(shù)；PO2(I)為參比氣氧分壓(即陰極側(cè)氧分壓)；PO2(II)為待測(cè)氧分壓(即陽極側(cè)氧分壓)。顯然，當(dāng)溫度確定時(shí)，若參比氣體的氧分壓為已知時(shí)，只要測(cè)出E值就可得到待測(cè)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(kuò)散障的極限電流式氧傳感器中,當(dāng)固體電解質(zhì)兩側(cè)的電極上存在電動(dòng)勢(shì)時(shí)，通過限速孔流入測(cè)試腔中的氧以氧離子(O2-)形式被泵到另一側(cè)，同時(shí)在外接電路中形成感應(yīng)電流，此感應(yīng)電流在電壓增大時(shí)變大，待電壓達(dá)到一定值時(shí)，電流達(dá)到最大值而保持穩(wěn)定，如圖1.4所示。這是因?yàn)椴粩嘣龃蟮碾妷涸鰪?qiáng)了氧泵作用，而由于限速小孔的限制，氧氣擴(kuò)散速率到達(dá)極限。極限電流值IL與待測(cè)氧含量成正比,且IL直接取決于氧氣向檢測(cè)腔內(nèi)擴(kuò)散的速率[10]，其中IL由式(1-5)決定：

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文4224=ln1OOLFDSPPIRTLP(1-5)式中，DO2為N2中氧的擴(kuò)散系數(shù)；S為擴(kuò)散孔面積；L為擴(kuò)散孔長(zhǎng)度；PO2為待測(cè)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(xué)溫度(K)。通過式(1-5)易知，當(dāng)工作溫度、擴(kuò)散孔的面積長(zhǎng)度比已知時(shí)，極限電流IL值直接與待測(cè)氧含量相關(guān)，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(guān)系3.寬域式氧傳感器寬域型氧傳感器擁有兩個(gè)固體電解質(zhì)，一個(gè)作為氧濃差電池，一個(gè)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(dāng)尾氣中混合氣較濃時(shí)，氧氣含量低，在多孔鉑電極的催化下，氧與可燃?xì)夥磻?yīng)，造成傳感器外側(cè)氧濃度極低，與參比氣體形成濃差電池；當(dāng)尾氣混合氣較稀時(shí)，氧含量增加，這使得傳感器內(nèi)外氧濃度差較小，產(chǎn)生的電壓值已無法滿足對(duì)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(jié)構(gòu)原理如圖1.5所示�；旌蠚庥蓴U(kuò)散孔進(jìn)入擴(kuò)散阻力層到達(dá)檢測(cè)室，通過

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號(hào)：3027219