高浓度氧浓度传感器研制方案设计要点

氧浓度传感器工作原理

氧浓度传感器由敏感元件将被测氧气浓度转换成电压信号，然后再通过调理电路将一次电压信号调理成满足要求的标准电压信号，输出给测控子系统。信号的输入与输出经过专用滤波电路组件滤波，实现抗电磁干扰的目的。调理电路包括输入保护、滤波、恒压供电、放大等部分，各部分分别完成了电路的内外保护、干扰的滤除、电路恒压供电、输出信号放大等功能。

该敏感元件属于极谱式，由初级变换器，电路，电源以及不锈钢壳组成。其工作原理是被测气体通过隔膜扩散到电解液中后，氧气会在一定的电压下发生分解，通过检测分解电流的大小，测出气体的浓度。

氧浓度传感器调理电路

该敏感元件无需外部供电，在20.9%vol.O2条件下其输出电压为150 mV～350mV，由于输出电压小，输出信号无法准确采集，因此需要外部调理电路把信号放大输出采集。

调理电路具有电路简单、使用元件少、可靠度高、功能强等特点。其电路原理图见图所示。从图可见，调理电路中设计的输入输出保护，提高了产品的使用可靠度；设计的限幅电路，保证满足输出在－0.5V～＋5.5V的指标要求。

图氧浓度传感器调理电路原理图

氧浓度传感器热设计

氧浓度传感器的热设计主要应从以下几方面考虑，一是所使用元器件的功耗，二是氧浓度传感器整体工作环境温度范围，三是壳体的散热（内部若有热源）。首先氧浓度传感器所使用的电子元器件均为低功耗器件，氧浓度传感器整体最大工作电流为8mA，最大功耗为96mW。属于低功耗器件。其次，氧浓度传感器在的工作环境温度为-10℃~50℃，而氧浓度传感器所用电子元器件的工作温度范围为-35℃~50℃以上，远远宽于氧浓度传感器的使用环境温度范围。再者氧浓度传感器最大功耗为96mW，氧浓度传感器内部空间较大且分散在多个元件上，因此氧浓度传感器内部无热源。

氧浓度传感器抗电磁干扰设计

氧浓度传感器的电磁兼容设计是按分系统要求，从干扰的三要素入手进行的，在设计初期进行了大量的试验及验证，在元器件的选择和印制电路板的布线设计等方面都进行了电磁兼容设计。

氧浓度传感器静电放电控制设计

氧浓度传感器未采用CMOS等Ⅰ类静电敏感器件。同时，在工艺设计，环境保障等方面进行有效的防静电控制，编制了生产过程中的防静电通用工艺，有效地指导产品的生产。在生产操作过程中采取了有效的防静电措施，如工作台铺防静电胶皮，元器件、在制品及成品均采用防静电中转盒传递，操作人员均穿防静电工作服，戴防静电手套，使用防静电腕带，采用防静电电烙铁、防静电镊子、静电中和离子风机等，满足了有关要求。

氧浓度传感器安全性设计

氧浓度传感器供电电压为DC（12±1.2）V，属安全使用电压。氧浓度传感器本身未采用电感类元件，对氧浓度传感器外的系统不产生干扰影响。由于氧浓度传感器内部采用了专用滤波电路组件，使氧浓度传感器的抗电磁干扰能力得到明显提高，此滤波电路组件在多个重点型号中使用过，通过GJB3590-99《航天系统电磁兼容性要求》规定的各项试验。

在设计氧浓度传感器电路时，输入、输出端采用极性、过压保护措施，以避免电源接反或输出短路而造成氧浓度传感器的损害。在电路设计中留有充裕量（冗余设计），包括电阻功率，晶体管功率及电容耐压等，以保证使用期间不发热，不爆炸。

通过对敏感元件结构分析知，其内部为灌封结构，能够承受剧烈的振动和冲击，且将敏感元件做振动、冲击试验，已通过试验。氧浓度传感器壳体与元件座采用焊接设计，调理电路组件固定采用三点均布螺钉安装方式。氧浓度传感器中敏感元件加绝缘垫、且采用局部灌封，保证敏感元件外壳与氧浓度传感器壳体绝缘，并且提高氧浓度传感器整体密封性能。这些措施的采取保证了氧浓度传感器高可靠性工作。

氧敏感元件测量范围为（0%～100%）O2，实际测量范围为（0%～50%）O2，在额定范围内使用，而且其灵敏度、精度等指标满足使用要求。

氧浓度传感器用“四芯”插头座采用双线方式与外电路连接，以保证不会发生错接现象。

氧浓度传感器在低气压环境使用时配有保压帽，使氧浓度传感器在低气压下能安全可靠工作。

湿度对氧浓度传感器输出的影响

敏感元件正常工作的环境湿度为不大于98％RH，对氧浓度传感器在环境湿度为20%RH ～90%RH内进行测试，通过对数据分析，可知随着湿度的升高氧浓度传感器输出降低，降幅不大，对精度影响可忽略，但在空气中输出变小时需干燥氧浓度传感器。

压力适应性试验验证

以空气作样气，将氧浓度传感器放入一密封容器中，用泵使密封容器中压力改变。总压力增加或减少越多，氧浓度传感器输出信号增加或减少也越大。这种理论与实际的偏差在于毛细管两端气压差作用下的对流影响。由菲克定律知在恒组成的样气中，氧浓度传感器的输出信号理论上与总压力无关（在一定温度下）。总压在97kPa～105kPa范围内氧浓度传感器输出信号变化满足精度要求。若总压力变化超过上述压力范围，因对流的影响其精度超差，因此本氧浓度传感器在压力变化为97kPa～105kPa范围内时正常工作，不须作其他校正。但氧浓度传感器工作在97kPa～105kPa范围以外时，当不改变氧气体积比，而改变混合气体压力时，氧浓度传感器输出信号与氧气压力成比例变化。

氧浓度传感器抗电磁干扰能力

氧浓度传感器本身未采用电感类元件，对氧浓度传感器外的系统不产生干扰影响。由于氧浓度传感器内部采用了专用滤波电路组件，使氧浓度传感器的抗电磁干扰能力得到明显提高，此滤波电路组件在多个重点型号中使用过，能够满足电磁兼容的要求。

通过对敏感元件结构分析知，其内部为灌封结构，能够承受剧烈的振动和冲击，且将敏感元件做振动、冲击试验，已通过试验。氧浓度传感器壳体与元件座采用焊接设计，调理电路组件固定采用三点均布螺钉安装方式，在设计氧浓度传感器电路时，输入、输出端采用极性、过压保护措施，以避免电源接反或输出短路而造成氧浓度传感器的损害。氧浓度传感器中敏感元件加绝缘垫、且采用局部灌封，保证敏感元件外壳与氧浓度传感器壳体绝缘，并且提高氧浓度传感器整体密封性能。这些措施的采取保证了氧浓度传感器高可靠性工作。

氧浓度传感器使用

氧浓度传感器在97kPa～105kPa范围内输出信号满足精度要求。若总压力变化超过上述压力范围，因对流的影响其精度超差，因此本氧浓度传感器在压力变化为97kPa～105kPa范围内时正常工作，不须作其他校正。但氧浓度传感器工作在85kPa～97kPa范围内时，氧浓度传感器需要压力补偿修正，给出空气状态下85kPa～97kPa范围内压力校准曲线或修正公式，便于使用。

氧浓度传感器的校准

氧浓度传感器贮存期为5年，校准期为1年，把氧浓度传感器进气腔与测试装置相连，通过标准氧气瓶或气囊在0%、50%两个浓度点进行定期测试校准。本文源自泽天传感，版权所有，转载请保留出处。