基于工程應(yīng)用應(yīng)力條件下的電化學(xué)氧氣傳感器壽命評估

徐振忠，尤 佳，海 濤，劉智敏，王洋洋，秦 浩

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 引 言

氣體傳感器在工業(yè)醫(yī)療國防反恐環(huán)保等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，隨著人們對現(xiàn)代生活環(huán)境質(zhì)量要求的提高,工業(yè)生產(chǎn)安全性要求的不斷提升，有毒氣體的監(jiān)測受到了越來越高的重視[1～5]。相比于操作復(fù)雜、價(jià)格昂貴的大型分析設(shè)備，氣體傳感器因其體積小、使用簡單、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，更適合在工廠及公共場所安裝使用，其中，電化學(xué)氣體傳感器因其功耗低、測量氣體種類多而受到青睞[6,7]，英國的CITY公司、日本FIGARO公司、美國RAE公司的產(chǎn)品占據(jù)了世界高端電化學(xué)氣體傳感器的幾乎全部市場[8]，英國CITY公司的電化學(xué)氣體傳感器檢測氣體種類多達(dá)20余種，幾乎涵蓋了全部常見氣體，超過200種類別[9,10]，代表了世界電化學(xué)氣體傳感器制造的先進(jìn)水平。國內(nèi)電化學(xué)氣體傳感器制造水平較國外還有一定差距[11,12]。電化學(xué)氣體傳感器利用被測氣體與電解液之間的電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對氣體的檢測，因此，該類傳感器性能、壽命受使用環(huán)境影響極大，導(dǎo)致電化學(xué)氣體傳感器在非正常環(huán)境條件下使用，暴露出了諸多問題，以壽命問題最為嚴(yán)重，壽命評估研究成為電化學(xué)氣體傳感器應(yīng)用研究的重點(diǎn)。

本文結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用需求，分析應(yīng)用環(huán)境條件，選取高溫、低氣壓、振動作為應(yīng)力因素，開展了恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)，建立了壽命評估模型，為電化學(xué)氣體傳感器工程應(yīng)用提供了理論支撐[13]。

1 壽命試驗(yàn)

按試驗(yàn)施加的應(yīng)力強(qiáng)度的不同，壽命試驗(yàn)分為正常應(yīng)力壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)。正常應(yīng)力壽命試驗(yàn)是模擬實(shí)際的使用應(yīng)力條件，對產(chǎn)品進(jìn)行壽命試驗(yàn)。加速壽命試驗(yàn)是為縮短試驗(yàn)時(shí)間，在不改變故障機(jī)理的條件下，用加大應(yīng)力的方法進(jìn)行的壽命試驗(yàn)。

加速壽命試驗(yàn)?zāi)軌蛟谳^短的時(shí)間完成對傳感器的壽命評估，但因設(shè)定的試驗(yàn)應(yīng)力條件不能完全反映工程應(yīng)用實(shí)際應(yīng)力，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果存在一定的偏差，且加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理難度大。按照工程應(yīng)用應(yīng)力條件開展壽命試驗(yàn)，雖然試驗(yàn)時(shí)間長，但能夠真實(shí)反映傳感器壽命指標(biāo)。在前期開展電化學(xué)氧氣傳感器加速壽命試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上[13]，開展工程實(shí)際應(yīng)用應(yīng)力下的壽命評估研究，與已獲得的加速壽命試驗(yàn)進(jìn)行比較。

2 壽命評估試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)方法

1)在正常環(huán)境條件下，首先獲取傳感器工作直線方程及初始常壓輸出值。2)在正常環(huán)境條件下，將傳感器試驗(yàn)件放入專用測試夾具中，按接線要求連接電源(RIGOL DP832)、測試儀表(Agilent 34401A)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(KEYSIGHT 34972A)，持續(xù)不間斷為傳感器供電，連接測試裝置(LS-CSXT氧氣傳感器測試系統(tǒng))以及O2標(biāo)準(zhǔn)氣((19±1)%，(25±1)%)，按下列循環(huán)順序進(jìn)行試驗(yàn)：a.傳感器持續(xù)供電，向測試裝置中通入(19±1)% 的O2標(biāo)準(zhǔn)氣，氣體流量為100 ml/min，時(shí)間96 h(4天)；b.傳感器持續(xù)供電，切換至(25±1)% 的O2標(biāo)準(zhǔn)氣，氣體流量為100 mL/min，時(shí)間為96 h(4天)；c.傳感器持續(xù)供電，停止標(biāo)準(zhǔn)氣通入，恢復(fù)至正常環(huán)境；d.178 h(7天)后重復(fù)上述循環(huán)。

2.2 測試與試驗(yàn)結(jié)果判定

采用數(shù)據(jù)采集器對氧氣傳感器輸出進(jìn)行不間斷監(jiān)測記錄，定期對氧氣傳感器常壓輸出數(shù)據(jù)分析處理，每0.5年進(jìn)行1次傳感器標(biāo)定，獲得傳感器工作直線、非線性、重復(fù)性指標(biāo)，與試驗(yàn)前進(jìn)行比對。

3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

對5只常溫電化學(xué)氧氣傳感器組裝、性能和環(huán)境適應(yīng)性測試考核，合格后作為長期壽命評估試驗(yàn)樣品，編號為：1#、2#、3#、4#、5#，按壽命試驗(yàn)條件進(jìn)行考核。

3.1 傳感器正常環(huán)境輸出變化

對采集到的傳感器正常環(huán)境條件下輸出值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，每0.5個(gè)月取值1次，輸出曲線圖以及漂移量曲線如圖1、圖2所示。從圖2中能夠看出，傳感器正常環(huán)境輸出出現(xiàn)了一定的波動變化，5只傳感器樣品變化趨勢具有較好的一致性，且輸出漂移量均小于1 kPa，造成輸出波動的主要原因是傳感器測試量為環(huán)境中氧分壓，而環(huán)境氧分壓隨天氣變化而出現(xiàn)波動，從而導(dǎo)致傳感器輸出發(fā)生變化，變化量均小于1 kPa，符合傳感器精度要求，表明傳感器穩(wěn)定性較好。

圖1 傳感器正常環(huán)境輸出曲線

圖2 傳感器正常環(huán)境輸出漂移量曲線

3.2 傳感器21 kPa氧分壓漂移量變化

每0.5年對傳感器進(jìn)行1次標(biāo)定，獲得傳感器工作直線，與傳感器初始工作直線進(jìn)行比較，其21 kPa時(shí)漂移量如圖3所示。

圖3 傳感器21 kPa氧分壓漂移量

從圖3中可以看出，與傳感器21 kPa初始輸出值相比，第1.5年和第2.5年，傳感器21 kPa氧分壓漂移量最大，其中4#和5#樣品漂移量超過0.6 kPa，仍小于1 kPa，滿足傳感器精度要求。同時(shí)從圖中看出，與傳感器初始值相比，傳感器輸出呈現(xiàn)下降趨勢，結(jié)論與常溫電化學(xué)原理氣體傳感器特性一致。

3.3 傳感器非線性、重復(fù)性變化特性分析

通過傳感器工作直線方程計(jì)算獲得傳感器非線性、重復(fù)性，3年變化趨勢如圖4、圖5所示。

圖4 傳感器非線性變化曲線

圖5 傳感器重復(fù)性變化曲線

從圖4、圖5中可以看出，5只樣品非線性3年內(nèi)較為平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)較大范圍波動，表明傳感器靈敏度值變化較小。而重復(fù)性測試中，1#和2#樣品出現(xiàn)了較大幅度的波動，其余3只樣品波動范圍較小，其中0.5年時(shí)波動最大，重復(fù)性變化接近0.5 %FS，與技術(shù)指標(biāo)要求2 %FS相比，仍處在合格范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

本文試驗(yàn)結(jié)果表明：常溫電化學(xué)氧氣傳感器在工程應(yīng)用應(yīng)力條件下工作3年后，性能指標(biāo)仍滿足設(shè)計(jì)要求，且未出現(xiàn)顯著降低。前期，針對常溫電化學(xué)氧氣傳感器開展了恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)評估研究，建立了壽命評估模型，模型已在工程中得到了應(yīng)用，取得了較好的效果，根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，常溫電化學(xué)氧氣傳感器在正常應(yīng)力條件下的壽命值為5.75年，本文試驗(yàn)結(jié)果不僅進(jìn)一步為工程應(yīng)用提供了理論和數(shù)據(jù)支撐，在一定程度上也能夠作為支撐5.75年壽命的依據(jù)。