基于工程应用应力条件下的电化学氧气传感器寿命评估

徐振忠，尤 佳，海 涛，刘智敏，王洋洋，秦 浩

(中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150028)

0 引 言

气体传感器在工业医疗国防反恐环保等领域有着广泛的应用，随着人们对现代生活环境质量要求的提高,工业生产安全性要求的不断提升，有毒气体的监测受到了越来越高的重视[1～5]。相比于操作复杂、价格昂贵的大型分析设备，气体传感器因其体积小、使用简单、价格低廉的优点，更适合在工厂及公共场所安装使用，其中，电化学气体传感器因其功耗低、测量气体种类多而受到青睐[6,7]，英国的CITY公司、日本FIGARO公司、美国RAE公司的产品占据了世界高端电化学气体传感器的几乎全部市场[8]，英国CITY公司的电化学气体传感器检测气体种类多达20余种，几乎涵盖了全部常见气体，超过200种类别[9,10]，代表了世界电化学气体传感器制造的先进水平。国内电化学气体传感器制造水平较国外还有一定差距[11,12]。电化学气体传感器利用被测气体与电解液之间的电化学反应实现对气体的检测，因此，该类传感器性能、寿命受使用环境影响极大，导致电化学气体传感器在非正常环境条件下使用，暴露出了诸多问题，以寿命问题最为严重，寿命评估研究成为电化学气体传感器应用研究的重点。

本文结合工程实际应用需求，分析应用环境条件，选取高温、低气压、振动作为应力因素，开展了恒定应力加速寿命试验，建立了寿命评估模型，为电化学气体传感器工程应用提供了理论支撑[13]。

1 寿命试验

按试验施加的应力强度的不同，寿命试验分为正常应力寿命试验和加速寿命试验。正常应力寿命试验是模拟实际的使用应力条件，对产品进行寿命试验。加速寿命试验是为缩短试验时间，在不改变故障机理的条件下，用加大应力的方法进行的寿命试验。

加速寿命试验能够在较短的时间完成对传感器的寿命评估，但因设定的试验应力条件不能完全反映工程应用实际应力，导致试验结果存在一定的偏差，且加速寿命试验数据处理难度大。按照工程应用应力条件开展寿命试验，虽然试验时间长，但能够真实反映传感器寿命指标。在前期开展电化学氧气传感器加速寿命试验研究的基础上[13]，开展工程实际应用应力下的寿命评估研究，与已获得的加速寿命试验进行比较。

2 寿命评估试验方法

2.1 试验方法

1)在正常环境条件下，首先获取传感器工作直线方程及初始常压输出值。2)在正常环境条件下，将传感器试验件放入专用测试夹具中，按接线要求连接电源(RIGOL DP832)、测试仪表(Agilent 34401A)和数据采集系统(KEYSIGHT 34972A)，持续不间断为传感器供电，连接测试装置(LS-CSXT氧气传感器测试系统)以及O2标准气((19±1)%，(25±1)%)，按下列循环顺序进行试验：a.传感器持续供电，向测试装置中通入(19±1)% 的O2标准气，气体流量为100 ml/min，时间96 h(4天)；b.传感器持续供电，切换至(25±1)% 的O2标准气，气体流量为100 mL/min，时间为96 h(4天)；c.传感器持续供电，停止标准气通入，恢复至正常环境；d.178 h(7天)后重复上述循环。

2.2 测试与试验结果判定

采用数据采集器对氧气传感器输出进行不间断监测记录，定期对氧气传感器常压输出数据分析处理，每0.5年进行1次传感器标定，获得传感器工作直线、非线性、重复性指标，与试验前进行比对。

3 试验结果与数据分析

对5只常温电化学氧气传感器组装、性能和环境适应性测试考核，合格后作为长期寿命评估试验样品，编号为：1#、2#、3#、4#、5#，按寿命试验条件进行考核。

3.1 传感器正常环境输出变化

对采集到的传感器正常环境条件下输出值进行统计，每0.5个月取值1次，输出曲线图以及漂移量曲线如图1、图2所示。从图2中能够看出，传感器正常环境输出出现了一定的波动变化，5只传感器样品变化趋势具有较好的一致性，且输出漂移量均小于1 kPa，造成输出波动的主要原因是传感器测试量为环境中氧分压，而环境氧分压随天气变化而出现波动，从而导致传感器输出发生变化，变化量均小于1 kPa，符合传感器精度要求，表明传感器稳定性较好。

图1 传感器正常环境输出曲线

图2 传感器正常环境输出漂移量曲线

3.2 传感器21 kPa氧分压漂移量变化

每0.5年对传感器进行1次标定，获得传感器工作直线，与传感器初始工作直线进行比较，其21 kPa时漂移量如图3所示。

图3 传感器21 kPa氧分压漂移量

从图3中可以看出，与传感器21 kPa初始输出值相比，第1.5年和第2.5年，传感器21 kPa氧分压漂移量最大，其中4#和5#样品漂移量超过0.6 kPa，仍小于1 kPa，满足传感器精度要求。同时从图中看出，与传感器初始值相比，传感器输出呈现下降趋势，结论与常温电化学原理气体传感器特性一致。

3.3 传感器非线性、重复性变化特性分析

通过传感器工作直线方程计算获得传感器非线性、重复性，3年变化趋势如图4、图5所示。

图4 传感器非线性变化曲线

图5 传感器重复性变化曲线

从图4、图5中可以看出，5只样品非线性3年内较为平稳，没有出现较大范围波动，表明传感器灵敏度值变化较小。而重复性测试中，1#和2#样品出现了较大幅度的波动，其余3只样品波动范围较小，其中0.5年时波动最大，重复性变化接近0.5 %FS，与技术指标要求2 %FS相比，仍处在合格范围内。

4 结 论

本文试验结果表明：常温电化学氧气传感器在工程应用应力条件下工作3年后，性能指标仍满足设计要求，且未出现显著降低。前期，针对常温电化学氧气传感器开展了恒定应力加速寿命试验评估研究，建立了寿命评估模型，模型已在工程中得到了应用，取得了较好的效果，根据模型计算结果，常温电化学氧气传感器在正常应力条件下的寿命值为5.75年，本文试验结果不仅进一步为工程应用提供了理论和数据支撑，在一定程度上也能够作为支撑5.75年寿命的依据。