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专利名称：一种固体电解质气体传感器性能测试装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器性能测试技术领域，特别是一种固体电解质气体传感器性能测试装置。
背景技术：
固体电解质气敏传感器使用掺杂ZrO2材料制作电解质膜，通过在电解质膜两 侧涂附不同种类和不同含量的贵金属催化剂如Pt、Au、Ru，可实现对02、SO2, CO、NO、H2S 等气体浓度的精确标定[固体电解质和化学传感器，北京冶金工业出版社，2000]。根 据固体电解质传感器所能检测的气体种类，可将其分为固体电解质O2传感器，固体电解 质CO传感器、固体电解质H2S传感器等等。固体电解质传感器在工业生产中具有极其 广泛的应用。制作、研发固体电解质气体传感器的先决条件是能够对传感器的各项性 能参数进行准确表征，因此，设计出一套传感器性能测试装置对传感器的响应电压、响 应电流、响应时间、内阻进行准确测量是研制高水平固体电解质传感器的关键[J.Appl. Electrochem. 18(1988)608-613]。
在固体电解质传感器中，汽车尾气检测用固体电解质O2传感器由于受汽车工业飞 速发展的影响，有关其检测系统设计方面的报道最为广泛。传统的固体电解质O2传感器 性能检测装置大多使用汽车或发动机台架模拟汽车尾气环境，不但使测试结构复杂化、测 试成本高昂化，而且由于采用的燃油是液态燃油，燃料供给要通过泵油、输油、喷油雾化和 气化混合等多个环节，尤其是喷油雾化和气化混合步骤需要一定的时间，不利于迅速改变 混合气体的浓度，因此这种方法很难考察传感器的动态响应特征，如响应时间等。李斌等 人[CN 1959399A]发明了一种汽车用氧传感器性能测试系统，该系统包含燃料输出装置、 氧传感器、信号采集装置和燃烧装置；燃料输出装置将汽车用燃料和类似物与空气混合，形 成混合物；燃烧装置包括点火装置和燃烧室；氧传感器安装在排气管上，其头部深入排气 管内部，感受燃烧尾气的残余氧浓度；信号采集装置接受氧传感器输出的信号；该测试系 统可以很方便地在实验室条件下测量氧传感器的静态和动态响应特性。简家文等人[CN 101281153A]发明了空燃比氧传感器性能测试系统，该系统包含配气装置、燃烧装置、温控 装置和测试装置；配气装置通过三路气路的控制实现可燃气和空气的合理配比；燃烧装置 有燃烧腔、加热炉、测量腔三部分组成；温控装置则实现测量尾气的温度控制；该测量系统 可测量不同空燃比条件下的氧气浓度。曾联康[CN2909252Y]发明了一种氧传感器的检测 装置，该装置包含有一管状体，管状体的一段与受检测的氧传感器匹配；管状体内设有温度 传感器、管壁上设有通气孔；采用该检测装置，能够检测出所生产的氧传感器是否合格，特 别是对汽车氧传感器检测起着重要作用。管文礼[CN2896411Y]发明了一种汽车氧传感器 实验装置，该装置设有一个实验台面，在实验台面的下面设有一个实验箱，实验箱内装有铁 芯，铁芯内设有一个密闭内腔，内腔上端口与氧传感器相接密封，在铁芯的外面装有电加热 器；该实验装置可加深汽车专业学员对汽车氧传感器的理解，也可用于汽车氧传感器性能 的检测。
但是，现有的固体电解质传感器测试系统对于传感器参比电极端的参比气体质量 没有控制，传感器的参比电极或直接与空气相接触，或被密封在测试系统中，然而，固体电 解质氧传感器的测试性能与传感器参比电极端的参比气体质量密切相关(I)如果空气湿 度过大，不经干燥而直接导入到参比电极端，会造成传感器输出电压的测量误差[J.Appl. Electrochem. 16(1986)475-489] ； (2)如果传感器参比电极端的空气中杂质较多，杂质会 吸附在参比电极表面，形成混合电势，从而对最终传感器的测量结果造成影响。现有的固 体电解质氧传感器性能测试系统设计均没有考虑到上述问题，这样会导致最终的测量结果 “不准”或“不稳”。发明内容
本发明提供了一种固体电解质气体传感器性能测试装置，该测试装置引入了参比 气体输入装置，能有效消除实际测量过程中由于传感器参比气体质量不佳所导致的测量误差。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是
—种固体电解质气体传感器性能测试装置，其包括检测气体混合和输入系统、参 比气体输入系统、密封腔(含有检测气体换热管)、温控系统、密封腔(含有参比气体腔)监 测系统和信号采集系统；其中，
密封腔包括管式加热炉、保温腔，管式加热炉、保温腔水平设置；管式加热炉左端 封闭、右端为敞口，保温腔右端封闭、左端为敞口，管式加热炉、保温腔的两敞口相适配，并 相对固接，固接处以耐热保温材料密封；
管式加热炉内腔有气体换热管、传感器固定件，气体换热管水平设置，位于加热炉 中轴线上，气体换热管左端伸出加热炉左端，其侧外圆与加热炉左端壁密封固接，气体换热 管左端接有阀门，经阀门与检测气体混合和输入系统相通连，右端与传感器固定件左端固 接，传感器固定件位于加热炉和保温腔固接处左侧；
管式加热炉顶侧壁有第一气体导管、第一热电偶，第一气体导管、第一热电偶分别 正交穿设于加热炉顶侧壁，第一气体导管内孔中有第二热电偶，第一、第二热电偶的下端探 头都在加热炉内腔中，第二热电偶的下端探头位于传感器固定件上方；第一热电偶的上端 接温度控制仪，第二热电偶的上端接温度显示器；
保温腔内腔有参比气体腔，内有传感器，传感器左端与传感器固定件右端固接，传 感器在气体换热管水平延长线上，位于加热炉和保温腔固接处右侧；保温腔右端壁中心贯 通设置气体导管，其侧外圆与保温腔右端壁密封固接，气体导管左端伸入保温腔内，右端与 参比气体输入系统相通连；
保温腔顶侧壁有第二气体导管、第三热电偶，第二气体导管、第三热电偶分别正交 穿设于保温腔顶侧壁，第二气体导管内孔中有第四热电偶，第三、第四热电偶的下端探头都 在保温腔内腔中，第四热电偶的下端探头位于传感器上方；第三、第四热电偶的上端分别接 温度显不器；
一信号线密封穿过保温腔侧壁，内端与传感器电连接，外端顺序与信号采集设备、 计算机电连接。
所述的固体电解质气体传感器性能测试装置，其所述阀门为三通阀，三通阀与检测气体混合和输入系统相通连；检测气体混合和输入系统包括目标气体钢瓶、载气气体钢 瓶、输气管道、减压阀、流量计、电磁阀，三通阀左端两输入口分别经输气管道与目标气体钢 瓶、载气气体钢瓶相连通，两根输气管道中各设有减压阀、流量计、电磁阀，电磁阀与电磁阀 控制器电连接，目标气体、载气气体在三通阀中混合后，由三通阀右端输出口输入气体换热管。
所述的固体电解质气体传感器性能测试装置，其所述气体导管右端与参比气体输 入系统相通连，参比气体输入系统包括参比气体钢瓶、减压阀、流量计、输气管道及参比气 体腔，气体导管左端位于参比气体腔内，右端经气体导管与参比气体钢瓶相连通，气体导管 中设有减压阀、流量计。
所述的固体电解质气体传感器性能测试装置，其所述气体换热管，用于加热测试 气体，并将测试气体传输到传感器固定件中供固体电解质传感器检测。
所述的固体电解质气体传感器性能测试装置，其所述信号采集设备包括电化学分 析仪器，与相连接的电脑双向通讯，对固体电解质传感器的各种响应信号进行采集、处理， 并评估性能。
相比于现有的固体电解质传感器性能测试装置，本发明的主要优点在于
I)测试装置包含有参比气体输入装置，因而可以很方便地确保传感器参比气体的 质量，消除由于参比气体质量不佳导致的测量误差。
2)测试装置不局限于某一种特定的气体传感器，可实现对02、S02、N0、C0、H2S等多 种固体电解质传感器的性能测定。
3)测量装置中的配气装置简单实用，可以很方便地模拟出不同浓度、不同压强的 检测气体，因此可以很方便地检测传感器在不同气体流量和压强条件下的响应性能；同时， 简单实用的配气装置还有利于可最大限度的缩短气体到达传感器电极表面的时间，因此通 过其测量得到传感器的响应时间值更加趋近于真实值。


图1为本发明的一种固体电解质气体传感器性能测试装置结构示意图。
具体实施方式
本发明的一种固体电解质气体传感器性能测试装置，请参照附图1，包括检测气 体混合和输入系统、参比气体输入系统、密封腔(含有检测气体换热管)温控系统、密封腔 (含有参比气体腔)监测系统和信号采集系统。
检测气体混合和输入系统用于配制测试所需要的目标气体浓度，包括目标气体压 缩钢瓶1、载气气体压缩钢瓶2、减压阀3、减压阀4、流量计5、流量计6、电磁阀7、电磁阀8、 电磁阀控制器9、电磁阀控制器10和三通阀11。具体工作时，载气和目标气体从各自的气 体压缩钢瓶流出，减压阀3和减压阀4用于控制流出气体压强，转子流量计5、6和电磁阀7、 8联用用于控制输出气体流量和流速，两种气体流出后，经三通阀11混合，即得到含一定浓 度目标气体的混合气。目标气体经过气体换热管12导入传感器固定件21，与传感器检测电 极表面相接触，然后通过气体导管15排出。
参比气体输入系统用于控制传感器参比气体的质量，包括参比气体压缩钢瓶33、减压阀32、流量计31、气体导管25以及参比气体腔34。参比气体由气体压缩钢瓶33流出， 经减压阀32、流量计31和气体导管25进入参比气体腔34，与传感器参比电极表面相接触， 然后通过气体导管16排出。
密封腔(含有检测气体换热管)控温装置由加热炉13、气体换热管12、传感器固 定件21、气体导管15、热电偶17、温度显示器19、热电偶22、温度控制仪23组成。加热炉 13炉膛截面为环形，环中有孔，用于缠绕电阻丝；炉膛周围包裹有一定厚度的隔热陶瓷棉， 而后整体被封入一个管形不锈钢护套中；温度控制仪的输出端与缠绕于炉膛中的电阻丝连 接，具体工作时施加一定的工作电压于电阻丝上，使炉膛及炉膛周围气氛的温度升高；热电 偶22用于监测整个加热炉13的温度；当加热炉13的温度达到设定值时，会由热电偶22将 温度信号反馈回温度控制仪23，控制加热炉13的温度。
气体换热管12用于加热以及传输测试气体。传感器固定件21 —端和气体换热管 12连接，另一端则与传感器24相连接。
由于管式加热炉13沿炉膛轴向有一个温度分布，炉膛正中温度最高，越靠近炉膛 尾端，温度越低；因此，密封腔(含有检测气体管热管)控温装置有两个热电偶热电偶17 和热电偶22。热电偶22和温度控制仪23相结合用于控制整个加热炉13的加热温度，而热 电偶17插入气体导管15中，其测温端靠近传感器24的检测气体端，用于测量传感器固定 件21中传感器24的检测气体端的温度。
本测试系统中，参比气体输入系统监测装置由保温腔14、参比气体腔34、热电偶18、温度显不器20、气体导管16、热电偶26、温度显不器27组成。热电偶26和温度显不器 27相结合用于监测保温腔14的温度；而热电偶18插入气体导管16中，其测温端靠近传感 器的参比气体端，用于测量传感器24的参比气体的温度。
加热炉13和保温腔14尾端使用陶瓷棉密封，以最大限度的防止加热炉内的热量 散失，使炉膛中部和尾部的温度差别不至于过大。
信号采集装置由金属信号线28、电化学分析仪29和一台计算机30连接而成。电 化学分析仪29和传感器24相连接，收集传感器24的电压、电流等信号。
权利要求
1.一种固体电解质气体传感器性能测试装置，其特征在于，包括检测气体混合和输入系统、参比气体输入系统、密封腔、温控系统、监测系统和信号采集系统；其中， 密封腔包括管式加热炉、保温腔，管式加热炉、保温腔水平设置；管式加热炉左端封闭、右端为敞口，保温腔右端封闭、左端为敞口，管式加热炉、保温腔的两敞口相适配，并相对固接，固接处以耐热保温材料密封； 管式加热炉内腔有气体换热管、传感器固定件，气体换热管水平设置，位于加热炉中轴线上，气体换热管左端伸出加热炉左端，其侧外圆与加热炉左端壁密封固接，气体换热管左端接有阀门，经阀门与检测气体混合和输入系统相通连，右端与传感器固定件左端固接，传感器固定件位于加热炉和保温腔固接处左侧； 管式加热炉顶侧壁有第一气体导管、第一热电偶，第一气体导管、第一热电偶分别正交穿设于加热炉顶侧壁，第一气体导管内孔中有第二热电偶，第一、第二热电偶的下端探头都在加热炉内腔中，第二热电偶的下端探头位于传感器固定件上方；第一热电偶的上端接温度控制仪，第二热电偶的上端接温度显示器； 保温腔内腔有参比气体腔，内有传感器，传感器左端与传感器固定件右端固接，传感器在气体换热管水平延长线上，位于加热炉和保温腔固接处右侧；保温腔右端壁中心贯通设置气体导管，其侧外圆与保温腔右端壁密封固接，气体导管左端伸入保温腔内，右端与参比气体输入系统相通连； 保温腔顶侧壁有第二气体导管、第三热电偶，第二气体导管、第三热电偶分别正交穿设于保温腔顶侧壁，第二气体导管内孔中有第四热电偶，第三、第四热电偶的下端探头都在保温腔内腔中，第四热电偶的下端探头位于传感器上方；第三、第四热电偶的上端分别接温度显示器； 一信号线密封穿过保温腔侧壁，内端与传感器电连接，外端顺序与信号采集设备、计算机电连接。
2.根据权利要求1所述的固体电解质气体传感器性能测试装置，其特征在于所述阀门为三通阀，三通阀与检测气体混合和输入系统相通连；检测气体混合和输入系统包括目标气体钢瓶、载气气体钢瓶、输气管道、减压阀、流量计、电磁阀，三通阀左端两输入口分别经输气管道与目标气体钢瓶、载气气体钢瓶相连通，两根输气管道中各设有减压阀、流量计、电磁阀，电磁阀与电磁阀控制器电连接，目标气体、载气气体在三通阀中混合后，由三通阀右端输出口输入气体换热管。
3.根据权利要求1所述的固体电解质气体传感器性能测试装置，其特征在于所述气体导管右端与参比气体输入系统相通连，参比气体输入系统包括参比气体钢瓶、减压阀、流量计、输气管道及参比气体腔，气体导管左端位于参比气体腔内，右端经气体导管与参比气体钢瓶相连通，气体导管中设有减压阀、流量计。
4.根据权利要求1或2所述的固体电解质气体传感器性能测试装置，其特征在于所述气体换热管，用于加热测试气体，并将测试气体传输到传感器固定件中供固体电解质传感器检测。
5.根据权利要求1所述的固体电解质气体传感器性能测试装置，其特征在于所述信号采集设备包括电化学分析仪器，与相连接的电脑双向通讯，对固体电解质传感器的各种响应信号进行采集、处理，并评估性能。
全文摘要
本发明公开了一种固体电解质气体传感器性能测试装置，包括检测气体混合和输入系统、参比气体输入系统、密封腔、温控系统、监测系统和信号采集系统。该测试装置引入了参比气体输入系统，可控制参比气体，并消除传感器性能测量过程中因参比气体质量波动所导致的测量误差，能用于O2、SO2、NO、CO、H2S等固体电解质传感器性能参数的测量。
文档编号G01N27/407GK102998354SQ20111026522
公开日2013年3月27日 申请日期2011年9月8日 优先权日2011年9月8日
发明者卢旭晨, 夏朝阳, 王体壮, 闫岩 申请人:中国科学院过程工程研究所