隨著人們環保和節能意識的逐漸提高，在眾多大中型企業如鋼鐵冶金、石油化工、火力發電廠等，已將提高燃燒效率、降低能源消耗、降低污染物排放、保護環境等作為提高產品質量和增強企業競爭能力的重要途徑。諸如鋼鐵行業的軋鋼加熱爐、電力行業的鍋爐等燃燒裝置和熱工設備，統統都是實體經濟中的能源消耗大戶。一般而言，提高燃燒效率直接的方法就是使用煙氣分析儀器（如煙氣分析儀、燃燒效率測定儀、氧化鋯氧含量檢測儀）連續監測煙道氣體成分，分析煙氣中O2含量和CO含量，調節助燃空氣和燃料的流量，確定較好的空氣消耗系數。

因此，氧傳感器作為工業上提高燃燒效率的利器，其響應時間、測量精度成為關鍵性能指標，當然，作為工業測量儀器，安裝與維護也成為各大能源消耗企業的關心之處。而氧化鋯氧傳感器由于結構簡單、響應時間短、測量范圍廣（從ppm到百分含量）、使用溫度高（600℃-1200℃）、維護量小等有點，故而在冶金、化工、電力、汽車等領域得到廣泛應用。

圖1氧化鋯氧傳感器一般常被稱為氧化鋯探頭

氧化鋯測氧原理

圖2氧化鋯傳感器原理（圖片來源：氧化鋯測氧原理及維護使用）

圖2為氧探頭測氧原理示意圖，在氧化鋯電解質（一般為氧化鋯管）的兩側面，分別燒結上多孔鉑（Pt）電極。在一定溫度下，當電解質兩側氧濃度不同時，高濃度側（空氣）的氧分子被吸附在鉑電極上，與電子結合形成氧離子，使該電極帶正電。之后，氧離子通過電解質中的氧離子空位遷移到低氧濃度側的Pt電極上放出電子，轉化成氧分子，使該電極帶負電。兩個電極的反應式分別為

參比側：

測量側：

這樣在兩個電極間便產生了一定的電動勢，氧化鋯電解質、鉑電極及兩側不同氧濃度的氣體組成氧探頭即所謂氧化鋯濃差電池。之后，通過測得氣體溫度和輸出的電動勢，便可通過能斯特方程計算得到氧分壓（濃度），這就是氧化鋯氧傳感器的基本檢測原理。

常見氧化鋯氧傳感器的類型

目前，常用的氧化鋯氧傳感器結構包括檢測式探頭和直插式氧探頭。

檢測式探頭：

采樣檢測方式是通過導引管，將被測氣體導入氧化鋯檢測時，再通過加熱元件把氧化鋯加熱到工作溫度（750℃以上）。氧化鋯一般采用管狀，電極采用多孔鉑電極。其優點是不受檢測氣體溫度的影響，通過采用不同的導流管可以檢測各種溫度氣體中的氧含量，這種靈活性被應用于許多工業在線檢測上。缺點是反應慢；結構復雜，容易影響檢測精度；在被測氣體雜質較多時，采樣管容易堵塞，多孔鉑電極容易受到氣體中的硫、砷等腐蝕或者細小粉塵的堵塞而失效；加熱器一般用電爐絲加熱，壽命不長。在被檢測氣體溫度較低（0-650℃），或被測氣體清潔時，適宜采用這種檢測方式，如制氮機測氧，實驗室測氧等。

圖3檢測式氧化鋯探頭

直插式探頭：

直插式檢測是將氧化鋯直接插入高溫被測氣體，直接檢測氣體中的氧含量，這種檢測方式適用于被檢測氣體溫度在700℃～1150℃時（特殊結構還可以用于1400℃的高溫），它利用被測氣體的高溫使氧化鋯達到工作溫度，不需另外用加熱器（如圖4）。直插式氧探頭的技術關鍵是陶瓷材料的高溫密封和電極問題。由于需要將氧化鋯直接插入檢測氣體中，對氧探頭的長度有較高要求，其有效長度在500mm～1000mm左右，特殊的環境長度可達1500mm，且檢測精度，工作穩定性和使用壽命都有很高的要求，因此直插式氧探頭很難采用傳統氧化鋯氧探頭的整體氧化鋯管狀結構，而多采取技術要求較高的氧化鋯和氧化鋁管連接的結構。密封性能是這種氧化鋯氧探頭的最關鍵技術之一。目前國際上最先進的連接方式，是將氧化鋯與氧化鋁管永久的焊接在一起，其密封性能極佳，與采樣式檢測方式比，直插式檢測有顯而易見的優點：氧化鋯直接接觸氣體，檢測精度高，反應速度快，維護量較小。

圖4直插式氧化鋯探頭

氧傳感器產品介紹

以下是市場上可以搜索到的氧化鋯探頭，我們一起來看看其性能特點。

在淘寶上找到的一款由淄博鑫廣恒公司生產的氧化鋯氧量分析儀，分析儀的售價在4950元。根據店鋪對產品的介紹，可以注意到其測量煙氣的溫度在650℃以內，并且傳感器內置有熱電偶對氣體檢測氣體進行加熱。此外，其購前須知中特別強調了其質量保證期與燃料的材質有關，煤燃燒時的有害廢氣濃度高、腐蝕性強，使用壽命短；天然氣或油燃燒時的有害氣體濃度較低、腐蝕性弱所以使用壽命較長。對于不同的工況，給予的質量保證期分別為六個月和十二個月，使用壽命分別為十二個月和二十四個月。

日本進口的富士ZKM型直插式氧化鋯氧分析儀，其參考報價為8000元，是一款無需取樣設備的高速響應型氧分析儀，適用于鍋爐及各種工業爐的燃燒管理，其反應時間在4-7秒，測量氣體溫度最高為1500℃。

安徽天分儀表有限公司生產的TFZO-GW/Q高溫抽氣式氧化鋯氧量分析儀，這一產品主要用于強腐蝕性煙氣，如垃圾焚燒電廠、工業危廢焚燒爐，測量煙氣溫度范圍在750-1400℃。由于這款產品用于工況惡劣的情況，因而配有高溫適配器，將高溫煙氣引入適配器中經擴容、減壓、降溫后使其實際溫度降至600℃以下，從而實現對高溫氣體的檢測，這也是上文中提到的特殊結構探頭能夠測量1400℃超高溫氣體的裝置。

小結

氧氣含量調控是監控燃燒條件、提高燃燒效率的有力手段，而其測量的精度、測量的時間都對傳感器提出了一定的要求，氧化鋯作為固態電解質，在氧傳感器中承擔著運送導電離子的作用，目前主要的氧化鋯氧傳感器有檢測式和直插式兩種，其中直插式探頭由于直接接觸被測氣體，測量精度高、反應時間快，而應用更為廣泛。