1．实验目的

1)初步了解简便氧传感器的制作过程。

2）掌握氧传感器的工作原理。

2．实验原理

传感器主要有氢气传感器、氧气传感器以及水蒸气传感器等。

氧传感器的组装分为三部分，分别是测量电极、固体电解质、参比电极。按工作原理可分为三类：氧化物半导体型、浓差半导体型、电化学泵型。对于固体电解质，氧传感器的基本检测原理为：通过检测气体的氧电势和温度，再通过数学模型，推算出被测气体的氧含量。王三良等对固体电解质原理及应用进行详细研究，从本质上对ZrO2固体电解质的导电原理和掺杂改性做了研究。水蒸气传感器的结构比较简单，使用温度相对低，反应时间快，灵敏度高。韩元山等人选用ZrO2并掺杂Y2O3为固体电解质进行水蒸气传感器测量。

在浓差电池型氧传感器中，ZrO2固体电解质传感器是唯一在实际中被用于汽车上的传感器。氧传感器是根据氧浓差电池的工作原理制成的。Nernst发现，在一定温度下，固体电解质两边氧浓度不同时就会产生电动势，其大小为：

E=（RT/4F）ln（POC/POA)（1）

上式称为Nernst公式，式中，POC和POA分别为高氧气分压和低氧气分压。产生电动势的原理如图2-7-1所示。

从图中可知，电极反应为：

阴极：O2＋4e→2O2-

阳极：2O2-→O2＋4e

即氧离子由阴极向阳极，即由高氧分压一侧向低氧分压一侧移动。在阴、阳极之间产生电动势。利用这一原理可以将YSZ制成氧传感器。式（1)中，如果POC和T已知，可由Nernst公式计算出未知的POA。这种氧浓差电池型的氧传感器的特点是氧分压的变化对E的响应很快，仅为10-3s，在测定氧分压低的气体时，具有较高的灵敏度，可对He、Ar或N2中微量氧气进行连续测定，也可用于汽车排气、锅炉排气等场所，检测其残氧含量，进而控制燃烧或净化尾气，提高燃烧效率，减少公害。

3．仪器和药品

(1）仪器

实验高温电炉（两台）；分析天平；玛瑙研钵；球磨机（两台）；磁力加热搅拌器；酸度计；鼓风电热恒温干燥箱。

(2）药品

氧氯化锆；Y2O3；浓氨水；无水乙醇；浓硝酸；聚乙烯醇（PVA)。

4．实验步骤

1)采用溶胶－凝胶法制备烧结体YSZ。

2）将计算所需量的Y2O3溶于浓硝酸；将氧氯化错粉末加入由乙醇和去离子水按1:1比例混合的溶液中。

3)将浓氨水滴加到溶液中，调节溶液的pH值为2.8，形成透明溶胶。

4）溶胶经过鼓风电热恒温干燥箱在110℃转变为凝胶，将凝胶进行灰化。

5）置于高温电炉中，在1100℃预烧2h。

6)初烧产物在球磨机中球磨1h，经80mesh过筛后，在不锈钢模具中以100MPa压力压制成直径约为18mm、厚度约为2mm的圆形薄片。

7）置于高温电炉中于1500℃下烧结5h。

8)将烧结体YSZ磨成一定厚度的薄片（h=1.77mm）或加工成如图2-7-1所示的形状，将样品薄皮两面均匀涂上铂金浆料，用吹风机吹干，最后将样品薄皮放入自制的测试电炉中。

5．数据记录及结果分析

向氧传感器电解质隔膜两侧的气室中分别通入O2及预检测气体，组成氧浓差电池：

O2,Pt｜陶瓷片｜Pt，预检测气体

理论电动势可由Nenrst方程计算得到：

Ecal＝RT/4FIn[pO2（II）/pO2（I）］

式中，R、T、F、pO2（Ⅱ)、pO2（I）分别为摩尔气体常数、测试电炉的绝对温度、法拉第常数、氧气的压强、预检测气体中氧气的分压。

6．注意事项

1)凝胶进行灰化时，要分批次进行，先缓慢加热，受热要均匀，防止粉末溅出。

2）如果条件允许，可以对凝胶做差热分析，以判断灰化后的粉末预烧的温度。