介绍： 氧气传感器 是通过分析汽车和工业烟雾排放产生的气体来传递信息的仪器。氧气传感器种类繁多，包括汽车催化分析仪和工业氧气分析仪中使用的传感器。
图 1：汽车氧气传感器
氧气传感器 在 650°C 下有效运行使其成为高温应用的理想选择。建议您选择响应时间小于10秒且在清洁条件下使用寿命长达10年的传感器。
无论您是在优化发电厂的燃烧，还是在确保化学加工的安全，氧化锆氧传感器都是必不可少工具。但除了技术特性之外，真正重要的是这些传感器如何融入您的业务，以及您从哪里采购它们。
您还需要考虑它们的成本以及它们对您的目的的影响。
本文重点介绍了想要投资高质量氧化锆氧气传感器的买家需要考虑的基本知识和实际问题。
锆是一种先进的陶瓷，是一种半导体材料，用于生产珠宝、磨料、耐火材料以及瓷器釉料，稳定的氧化锆可作为 热障涂层（TBC） 适用于高热机械。
锆基材是作为物质陶瓷涂层的绝佳选择。
涂有氧化锆的物品具有耐用性、强度、耐磨损和耐腐蚀等独特特性。
然而，如同所有其他工业产品一样，人们担心材料上的陶瓷涂层在长期使用后会磨损。为了减少这些材料出现剥落和磨损的情况，有必要对氧化锆进行稳定处理。
图2： 锆石刀片
为了最大限度地发挥这种先进陶瓷材料的优异性能，需要对氧化锆进行稳定化处理。未经稳定化的氧化锆O2由于不以单一相存在，因此使用不可靠。氧化锆呈现三种过渡相：单斜晶系、四方晶系和立方晶系。
氧化锆最值得信赖的特性是其立方相，而立方相正是氧气分析仪所必备的元素。因此，稳定化工艺将氧化锆转化为可用的立方晶体结构。
氧化锆如何稳定
氧化锆基质与钇的结合有利于氧化锆的稳定化。钇与氧化锆形成合金。合金是由金属或非金属离子结合而成，以增强其性能。钇取代了氧化锆中的一些离子。
氧化锆和钇的结合生成 YSZ， Yitria稳定氧化锆在这个层面上，氧化锆被强化并转化为更先进的陶瓷材料，能够承受因长期使用而产生的更高温度、腐蚀和磨损。
氧化钇稳定氧化锆的属性
稳定氧化锆结构坚固。这是因为与氧化锆结合的钇具有很高的强度。这使得该材料坚韧，非常适合切割难加工的金属。它们能够承受高温。它具有极好的导氧性能，并且耐某些酸和盐的腐蚀。
图3：氧化钇稳定氧化锆的物理结构
稳定化的氧化锆非常坚固。氧化锆保留了其与生俱来的先进陶瓷特性，这使其成为涂层材料的理想选择。此外，稳定化工艺还能带来额外的强度。
什么时候 氧化钇稳定氧化锆 即使用于极端温度条件下，它也能承受磨损。因此，它非常适合制造汽车尾气中的氧传感器。即使频繁使用，即使燃料的燃烧性能未得到优化，它也能保护您的发动机免受损坏。
例如，飞机和燃气轮机的发动机表面涂覆陶瓷涂层，有助于抵抗压力和腐蚀。然而，这些涂覆陶瓷涂层的机器长期使用会导致磨损。稳定的氧化锆涂层兼具韧性、低导热性、耐腐蚀性和烧结性，能够有效保护机器。
稳定氧化锆通常与氧化钇或氧化镁结合使用，以增强其离子电导率。它在氧传感器中充当固体电解质。在高温下，它允许氧离子迁移，从而产生与周围气体中氧含量相对应的电压信号。
这一原理植根于电化学，经过几十年的改进已应用于工业领域。
氧化锆氧传感器的工作原理如下。两个多孔铂电极夹着一层稳定的氧化锆。一侧暴露于参比气体（通常是空气），另一侧则朝向样品气体。氧分压差产生电动势，遵循能斯特方程，转化为可测量的电压。
电压范围为0至1.2伏，具体取决于氧气浓度。对于工业型号而言，该电压稳定且线性，易于集成到控制系统中。
1.二氧化钛氧传感器： 这也被称为氧传感器。它本身不产生电压。相反，钛氧传感器会根据汽车排气管内循环的氧气产生电阻。该装置对氧气的检测不受大气的影响。
该传感器使用二氧化钛向发动机控制单元 (ECU) 发送信号，并警告汽车燃烧系统中的任何异常，ECU 在接收到信号后，会将空气与燃料的比例调整到正确的测量值。
使用氧化钛传感器时应格外小心，因为它容易磨损。导致氧化钛传感器性能下降的原因包括电线和电路连接故障、意外物理损坏以及接触受污染的油。
2. 宽带氧传感器 精确调节燃油输送系统，并准确估算发动机的燃油空比。该传感器能够在加速等主要档位操作过程中精确测定燃油空比。它由泵单元、参考气室、能斯特单元和加热元件组成。
气室作为参考点，用于测量相对于环境空气的氧气含量。泵电池确定通过泵浦电流的空气中的氧气浓度。能斯特电池测量排气和环境空气之间的氧气含量差异，而加热元件则调节传感器的温度。
图 4：宽带氧气分析仪。
3.窄带氧传感器 利用二氧化锆在不同氧气浓度下产生热量。它可以监测尾气成分，从而减少车辆的有害排放。这确保了汽车发动机高效燃烧，从而保持催化转化器的良好状态。
窄带氧传感器安装在汽车排气管内。它具有双面特性。一面朝向外部空气作为参考，另一面朝向排气室。与其他类型的氧传感器相比，它价格更实惠，使用也更广泛。然而，它不如宽带氧传感器节能。
图 5：安装在汽车发动机中的氧气传感器。
4.加热型氧传感器 测量系统或空间的温度，用于工业、汽车和消费电子应用。它也被称为热电偶，用于测量物体内部原子活动的量。如果物体内部没有热感，我们可以假设该物体内部没有原子活动。
一旦施加热量，物体内部的原子就会开始运动，我们就会感受到所谓的热感。物体发出的热量也被称为红外特征。这就是为什么夜视镜中会配备红外眼镜，帮助我们在黑暗中看清物体的原因。
5.平面氧传感器 它具有低调的设计和低密度，用于监测叶片在光合作用过程中对光照或黑暗环境的反应。通常用于生物实验。
6.氧化锆氧传感器： 氧化锆是一种金属元素，用于高级陶瓷工业，以生产耐用且持久的材料。锆与氧结合后会生成氧化锆，也称为二氧化锆，其化学形式为ZrO2。
氧化锆传感器的工业应用
在工业气体监测领域，很少有材料能像稳定氧化锆一样，被证明如此可靠且用途广泛。这种陶瓷化合物构成了许多氧气传感器的骨干材料，即使在精度攸关运营成败的恶劣环境下，也能实现精确测量。
图 6：工业氧气分析仪
稳定氧化锆氧传感器是监测工业环境中废气、锅炉和熔炉中氧含量最可靠的传感器。发电厂使用它们来微调燃烧，减少燃料浪费和排放。在石油和天然气行业，它们用于火炬烟囱监测。
化学制造依靠这些传感器在反应器中进行过程控制，精确的氧气分析可防止爆炸或效率低下。生物质和废物能源化设施也受益匪浅，因为氧化锆氧气分析仪无需频繁更换，即可在肮脏、高颗粒环境中工作。
汽车测试实验室也使用它们进行排放分析。然而，实际上，真正的客户来自重型工业。氧化锆氧分析仪对于连续监测氧气至关重要。对于特殊需求，高温型号可承受高达 1,7000C 的高温，非常适合熔炼或金属加工。
图 7：测试实验室中的氧气分析仪
锆氧传感器的市场推动力
能源效率的提高以及更严格的气体排放标准的实施，增加了对锆氧传感器的需求。 市场估值为 到 2024 年，这一数字将达到约 $1.5 百万。预计到 2033 年，市场价值将增至 $2.5 亿或以上。这些估计是基于 6.5% 的复合增长率 (CAGR) 做出的。
图8： 采用热障涂层建造的航天器
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