目前，市場(chǎng)上存在多種類型的氧傳感器。工業(yè)的發(fā)展需要氧傳感器具有高**度，高重復(fù)性，并且使用簡(jiǎn)單，少維護(hù)和校準(zhǔn)等特點(diǎn)?；谶@一目的，對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，就需要應(yīng)用的需要來(lái)考慮各種不同傳感器的優(yōu)點(diǎn)，選擇合適的傳感器。沒(méi)有一種傳感器是萬(wàn)能的。
下面關(guān)于各種氧傳感器的介紹可以與傳感器廠商提供的技術(shù)資料一起一參，我們相信幫助您選擇適合您的應(yīng)用所需要的傳感器。
1. 環(huán)境溫度電化學(xué)氧傳感器
2. 順磁性傳感器
3. 極譜氧傳感器
4. 氧化狂鋯傳感器
環(huán)境溫度電化學(xué)傳感器
環(huán)境溫度電化學(xué)傳感器是一種電流傳感器。常見(jiàn)是電化學(xué)傳感器是比較小的，局部密封，圓柱形的1-1/4英寸直徑，高0.75英寸左右，傳感器包含兩個(gè)不同的電極，浸泡在電解質(zhì)溶液中，常規(guī)的電解質(zhì)溶液是KOH。氧氣分子擴(kuò)散通過(guò)傳感器一邊的半透過(guò)性模，在陰級(jí)上形成OH根離子。OH根離子遷移到陽(yáng)級(jí)上，發(fā)生氧化反應(yīng)。在這個(gè)過(guò)程中，氧分子減少，氧化反應(yīng)發(fā)生，并在陰陽(yáng)極之間形成了電流，電流的大小與樣品氧氣的濃度成正比。電極之間的電流通過(guò)另外的電子設(shè)備檢測(cè)并以百分比濃度或百分比濃度為單位顯示到屏幕上。隨著機(jī)械設(shè)計(jì)的進(jìn)步，電極材料的純化，和電解質(zhì)溶液的改善，現(xiàn)在電化學(xué)傳感器已經(jīng)較以前而言，大大提高了使用壽命，這種傳感器可**的測(cè)定百分比的氧氣濃度或是痕量的的氧濃度。同時(shí)，反應(yīng)時(shí)間現(xiàn)在也有提高。目前這種傳感器的一個(gè)*主要的問(wèn)題是在有酸性氣體存在的環(huán)境中，易于損壞，例如硫化氧，氯化氫，二氧化硫等氣體都會(huì)對(duì)它造成損害。在有這些成份存在環(huán)境中，除非提前對(duì)氣體進(jìn)行凈化，否則傳感器的使用壽命將會(huì)受到較大影響。另外這種傳感器還會(huì)受到過(guò)壓損傷，因?yàn)楫?dāng)樣品氣體壓力大于5個(gè)大氣壓時(shí)，壓力調(diào)節(jié)器或壓力控制閥就成了必須配備的了。
順磁性傳感器
動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)和啞鈴型的設(shè)計(jì)是種傳感器的主要特點(diǎn)。與其它一些氣體，如氮?dú)?，氦氣，氬氣相比，氧氣具有很高的磁?chǎng)敏感性，并且會(huì)表現(xiàn)出順磁性的特點(diǎn)。順磁性的傳感器由一個(gè)圓柱形的倉(cāng)體，倉(cāng)內(nèi)放有一個(gè)小的環(huán)璃啞鈴組成。啞鈴是空心的，充有惰性氣體如氮?dú)?，懸掛地一條掛緊的鉑金絲上，位于一個(gè)非勻均的磁場(chǎng)中。這種啞鈴設(shè)計(jì)要求能讓啞鈴自由的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)含用氧氣成分的樣品氣體流過(guò)啞鈴時(shí)，氧氣會(huì)被磁場(chǎng)中比較強(qiáng)的部分所吸引，從而引起啞鈴的轉(zhuǎn)動(dòng)。包括一條光源、光電二極管和放大器電路的**度光學(xué)系統(tǒng)被用于測(cè)量啞鈴的自轉(zhuǎn)的程度。在一些順磁性氧氣傳感器設(shè)計(jì)中，應(yīng)用反方向的電流來(lái)使啞鈴恢復(fù)到它的正常位置。使啞鈴恢復(fù)正常的電流與氧氣的濃度成正比，從測(cè)量數(shù)值上反應(yīng)，就是氧氣的百分度濃度。不同廠家廠商設(shè)計(jì)了各式各樣的不同順磁性氧氣傳感器。這些基它的傳感器就包括熱磁/磁風(fēng)傳感器和磁空腔傳感器。通常情況下，普通條件下使用，順磁的氧氣傳感器有非常好的反應(yīng)時(shí)間特征，并且沒(méi)有消費(fèi)品零件，使用壽命長(zhǎng)，還可以提供在1%到100%氧氣的范圍的優(yōu)良**度。這種動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)傳感器是相當(dāng)精細(xì)的并且對(duì)振動(dòng)和位置是敏感的。 由于在測(cè)量敏感性的不足，順磁性氧氣傳感器不推薦用于痕量的氧氣測(cè)量。 其它氣體產(chǎn)生的磁化率可能導(dǎo)致一定程度上的計(jì)量誤差。順磁性氧氣傳感器及分析儀的制造商應(yīng)提供有關(guān)這些干涉氣體的細(xì)節(jié)。
極譜氧傳感器
極譜氧氣傳感器經(jīng)常指克拉克倉(cāng)[J.L.克拉克(1822年- 1898)]。 在此種傳感器，陽(yáng)極(典型的為銀)和陰極(典型的為金)浸沒(méi)在氯化鉀電解質(zhì)溶液中。 電極與樣品之間通過(guò)一個(gè)半透膜分離，這也是氧氣擴(kuò)散進(jìn)入傳感器的機(jī)制。銀質(zhì)陽(yáng)極一般來(lái)說(shuō)相對(duì)于金的陰極有一個(gè)潛在的0.8V 極電壓。根據(jù)法拉第法律，代表氧濃度的分子氧氣消耗電化學(xué)上與電流的強(qiáng)度正比例。從傳感器引起的輸出電流被測(cè)量并且被放大提供百分之氧氣濃度。極譜氧氣傳感器的好處的一點(diǎn)是，當(dāng)不運(yùn)行作用，沒(méi)有銀電極(陽(yáng)極)的消耗。存儲(chǔ)時(shí)間是幾乎是無(wú)限的。 類似電化學(xué)氧氣傳感器，他們對(duì)位置也不敏感。由于極譜分析的氧氣傳感器的獨(dú)特的設(shè)計(jì)，這種傳感器測(cè)定的是溶解在液體中的氧氣。對(duì)于其它氣相氧氣測(cè)量，極譜分析的氧氣傳感器僅適用于百分比濃度的氧氣測(cè)量。 相對(duì)高的傳感器替換頻率是另一個(gè)潛在的缺點(diǎn)，以及維護(hù)傳感器膜和電解質(zhì)也是問(wèn)題。
對(duì)極譜氧氣傳感器的一個(gè)變種是有些制造者設(shè)計(jì)非耗盡的電量傳感器，它使用二個(gè)相似的電極浸泡在包括有氫氧化鉀的電解質(zhì)溶液中。正常情況下，1.3 VDC的外部EMF橫跨電位是作為消耗或氧化作用反應(yīng)的機(jī)制起作用的。 這是因?yàn)榉磻?yīng)的電流與樣品氣體的氧濃度成正比。對(duì)其他類型傳感器相同，從這種傳感器獲得的信號(hào)在顯示之前被放大并且被修正。不同于常規(guī)極譜氧氣傳感器，此種傳感器可以設(shè)計(jì)用于用于百分比濃度的氧測(cè)定和痕量氧氣測(cè)量。然而，不同于氧化鋯，一個(gè)傳感器不可能同時(shí)用于測(cè)量百分比水平氧和痕量水平的氧濃度。這種類型傳感器的一主要好處是它可以測(cè)量每十億分之一水平的氧氣濃度。 傳感器是位置敏感的，并且重置成本是相當(dāng)昂貴的，在某些情況下，一個(gè)傳感器的價(jià)格與其它使用傳感器一臺(tái)分析儀整機(jī)價(jià)格相當(dāng)。而且不建議用于氧濃度超出25%的應(yīng)用。
氧化鋯氧氣傳感器
此種傳感器偶爾地被稱為“高溫”電化學(xué)傳感器，這是根據(jù)能斯脫原則[W.H.能斯脫(1864-1941)]。氧化鋯傳感器使用固體電解質(zhì)，含有氧化鋯和氧化釔成份。氧化鋯探針在反面的邊上鍍有充當(dāng)傳感器電極的鉑金。 如果要使用氧化鋯傳感器，必須加熱它到大約650攝氏度。在這個(gè)溫度，根據(jù)分子的主要成分，鋯晶形成多孔，允許氧氣離子的運(yùn)動(dòng)從氧氣的更高的濃度的到一更低一個(gè)，根據(jù)氧氣分壓。要?jiǎng)?chuàng)造這個(gè)分壓差別，一個(gè)電極通常被暴露在空氣(20.9%氧氣)，當(dāng)另一個(gè)電極被暴露在樣品氣體時(shí)。氧氣離子橫跨氧化鋯的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致在二個(gè)電極之間的產(chǎn)生電壓，電壓的大小與參考?xì)怏w和樣品氣體之間氧氣差相關(guān)。 氧化鋯氧氣傳感器具有非?？旆磻?yīng)時(shí)間特征。另一優(yōu)勢(shì)在于同一個(gè)傳感器可以被用于測(cè)量100%氧氣，并且可于用測(cè)量痕量的氧氣濃度。由于高溫操作的影響，頻繁的開(kāi)關(guān)操作會(huì)縮短該傳感器的壽命。使用過(guò)程中，這樣不斷加熱和冷卻，構(gòu)成材料的系數(shù)的系統(tǒng)變化，往往會(huì)形成“傳感器疲勞癥”。一個(gè)主要的使用限制氧化鋯氧傳感器是他們不適合用于有還原性氣體存在時(shí)（如碳?xì)浠衔锏臍怏w，氫氣，一氧化碳），用于微量氧測(cè)量。在操作溫度為650攝氏度，還原性氣體會(huì)與氧氣反應(yīng)，在檢測(cè)之間產(chǎn)生消耗，從而使測(cè)量值低于實(shí)際氧濃度。錯(cuò)誤的程度與還原性氣體濃度成正比。氧化鋯氧傳感器是“ defacto標(biāo)準(zhǔn)”在原位燃燒控制等方面的應(yīng)用。
另外其他類型的氧測(cè)量技術(shù)正在發(fā)展，在某些情況下被用于特定應(yīng)用。他們包括，發(fā)光兩極化，光電化學(xué)傳感器，激光傳感器，等等。這些新的技術(shù)正在進(jìn)一步發(fā)展和改善，他們可能會(huì)成為目前正在使用的幾種主要氧傳感器的替代方法。
動(dòng)物代謝及氣體分析實(shí)驗(yàn)中氧傳感器的選擇
對(duì)于動(dòng)物氣體能量代謝而言，選擇合適的氧傳感器是一個(gè)核心問(wèn)題，目前市面上用于動(dòng)物氣體能量代謝的傳感器主要有電化學(xué)、順磁性和氧化鋯三種類型。
電化學(xué)傳感器具體使用正本低，測(cè)量準(zhǔn)確的特點(diǎn)。但是電化學(xué)傳感器使用半透過(guò)性膜，隨著時(shí)間的推移，膜的性能和電極的性能都會(huì)發(fā)生改變。這些固有的特性就導(dǎo)致了電化學(xué)傳感器需要經(jīng)常更換膜，同時(shí)電極也需要定期校正和修改。電化學(xué)傳感器用于動(dòng)物能量代謝必然面臨復(fù)雜的儀器維護(hù)和產(chǎn)生比較高的后期費(fèi)用。
順磁性傳感器具有費(fèi)品零件，使用壽命長(zhǎng)，可以提供在1%到100%氧氣的范圍的優(yōu)良**度，同時(shí)具有響應(yīng)時(shí)間比較短的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是不適合用于痕量氧濃度的測(cè)量，比如線粒體呼吸，細(xì)胞培養(yǎng)液等氧濃度變化檢測(cè)就不適使使用順磁性傳感器。但對(duì)動(dòng)物呼吸能量代謝而言，氧氣的濃度較高，就不存在以上的一些問(wèn)題。順磁性傳感器是用于動(dòng)物能量代謝檢測(cè)、植物、微生物代謝的理想氧傳感器。
氧化鋯傳感器是另一種性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)的氧傳感器。與順磁性傳感器相比，氧化鋯傳感器具有響應(yīng)速度更快的優(yōu)勢(shì)，但由于氧化鋯傳感器是一種高溫傳感器，儀器的啟動(dòng)預(yù)熱時(shí)間對(duì)對(duì)順磁性更長(zhǎng)。而且根據(jù)氧化鋯傳感器的原理，這種不適合用于有還原性氣體存在時(shí)（如碳?xì)浠衔锏臍怏w，氫氣，一氧化碳）的環(huán)境。這種傳感器適用于樣本量非常大時(shí)的動(dòng)物能量代謝。
