純凈(jing)的氧(yang)化(hua)鋯(gao)(gao)(gao)是白色(se)固(gu)體，含有(you)雜(za)質時會(hui)顯現灰(hui)色(se)或淡黃色(se)，添(tian)加(jia)(jia)顯色(se)劑(ji)還可顯示(shi)各種其它顏(yan)色(se)。純氧(yang)化(hua)鋯(gao)(gao)(gao)的分子量為(wei)(wei)123.22，理論密度是5.89g/cm3，熔點為(wei)(wei)2715℃。氧(yang)化(hua)鋯(gao)(gao)(gao)有(you)三(san)種晶(jing)體形態：單斜(xie)(xie)、四(si)方(fang)、立(li)方(fang)晶(jing)相(xiang)(xiang)(xiang)。常溫下(xia)氧(yang)化(hua)鋯(gao)(gao)(gao)只以(yi)單斜(xie)(xie)相(xiang)(xiang)(xiang)出現，加(jia)(jia)熱到1100℃左右轉(zhuan)變為(wei)(wei)四(si)方(fang)相(xiang)(xiang)(xiang)，加(jia)(jia)熱到更高(gao)溫度會(hui)轉(zhuan)化(hua)為(wei)(wei)立(li)方(fang)相(xiang)(xiang)(xiang)。由于在(zai)單斜(xie)(xie)相(xiang)(xiang)(xiang)向四(si)方(fang)相(xiang)(xiang)(xiang)轉(zhuan)變的時候會(hui)產(chan)生較大(da)的體積(ji)(ji)變化(hua)，冷卻(que)的時候又會(hui)向相(xiang)(xiang)(xiang)反的方(fang)向發(fa)生較大(da)的體積(ji)(ji)變化(hua)，容(rong)易造成產(chan)品的開裂，限(xian)制(zhi)了純氧(yang)化(hua)鋯(gao)(gao)(gao)在(zai)高(gao)溫領域的應用。但是添(tian)加(jia)(jia)穩定(ding)劑(ji)以(yi)后(hou)，四(si)方(fang)相(xiang)(xiang)(xiang)可以(yi)在(zai)常溫下(xia)穩定(ding)，因此(ci)在(zai)加(jia)(jia)熱以(yi)后(hou)不會(hui)發(fa)生體積(ji)(ji)的突變，大(da)大(da)拓展了氧(yang)化(hua)鋯(gao)(gao)(gao)的應用范(fan)圍。
由于氧化(hua)鋯材料(liao)具有高(gao)(gao)硬度，高(gao)(gao)強度，高(gao)(gao)韌性，極高(gao)(gao)的(de)(de)耐(nai)磨性及(ji)耐(nai)化(hua)學(xue)(xue)腐蝕性等(deng)(deng)等(deng)(deng)優良(liang)的(de)(de)物化(hua)性能，氧化(hua)鋯已經在陶瓷、耐(nai)火材料(liao)、機(ji)械(xie)、電子、光學(xue)(xue)、航(hang)空航(hang)天、生物、化(hua)學(xue)(xue)等(deng)(deng)等(deng)(deng)各種領域獲得廣泛(fan)的(de)(de)應用。
1989年能斯特（Nernst）發現穩(wen)定氧(yang)化(hua)(hua)鋯(gao)在(zai)高(gao)溫下呈現的離子導電現象。從此氧(yang)化(hua)(hua)鋯(gao)成為研(yan)究(jiu)和開(kai)發應(ying)(ying)用最普遍的一種固體(ti)電解質，它已在(zai)高(gao)溫技術(shu)，特別(bie)是高(gao)溫測(ce)試(shi)技術(shu)上得到廣泛應(ying)(ying)用。由于氧(yang)探頭與現有測(ce)氧(yang)儀表(biao)(如(ru)磁氧(yang)分析器、電化(hua)(hua)學式氧(yang)量(liang)計(ji)、氣(qi)象色譜儀等)相比，具(ju)有結構簡單，響應(ying)(ying)時間短(duan)(0.1s～0.2s)，測(ce)量(liang)范圍(wei)寬(從ppm到百分含量(liang))，使(shi)用溫度(du)高(gao)(600℃～1200℃)，運行可靠(kao)，安裝方(fang)便，維護量(liang)小等優(you)點(dian)，因此在(zai)冶金、化(hua)(hua)工、電力、陶瓷、汽車、環保等工業部門得到廣泛的應(ying)(ying)用。
氧(yang)化鋯氧(yang)探頭的測氧(yang)原理(li)
氧化(hua)鋯的導(dao)(dao)電(dian)(dian)機(ji)理：電(dian)(dian)解質溶液靠離(li)子(zi)(zi)導(dao)(dao)電(dian)(dian)，具有離(li)子(zi)(zi)導(dao)(dao)電(dian)(dian)性質的固(gu)(gu)體物(wu)質稱(cheng)為(wei)固(gu)(gu)體電(dian)(dian)解質。固(gu)(gu)體電(dian)(dian)解質是離(li)子(zi)(zi)晶體結構，靠空穴(xue)使離(li)子(zi)(zi)運動(dong)導(dao)(dao)電(dian)(dian)，與P型半(ban)導(dao)(dao)體空穴(xue)導(dao)(dao)電(dian)(dian)的機(ji)理相似。
純氧化(hua)(hua)鋯（ZrO2）不導電(dian)，摻雜一定比(bi)例的低價金屬物作為穩定劑，如氧化(hua)(hua)鈣（CaO2）、氧化(hua)(hua)鎂（MgO）、氧化(hua)(hua)釔（Y2O3），就具(ju)有高(gao)溫導電(dian)性，成為氧化(hua)(hua)鋯固體電(dian)解質。
為(wei)什么加入穩定劑后，氧(yang)化鋯就(jiu)會具有很高的(de)離子(zi)導電性(xing)呢？
這是(shi)因(yin)為，摻有少量CaO2 的(de)(de)ZrO2混(hun)合物(wu)，在結(jie)晶(jing)(jing)(jing)過程中，鈣(gai)(gai)離(li)(li)子(zi)(zi)進入(ru)立(li)方晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)中，置換了(le)鋯(gao)離(li)(li)子(zi)(zi)。由于鋯(gao)離(li)(li)子(zi)(zi)是(shi)+4價，而鈣(gai)(gai)離(li)(li)子(zi)(zi)是(shi)+2價，一(yi)個(ge)鈣(gai)(gai)離(li)(li)子(zi)(zi)進入(ru)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)，只帶(dai)(dai)入(ru)了(le)一(yi)個(ge)氧(yang)離(li)(li)子(zi)(zi)，而被(bei)置換出來的(de)(de)鋯(gao)離(li)(li)子(zi)(zi)帶(dai)(dai)出了(le)兩(liang)個(ge)氧(yang)離(li)(li)子(zi)(zi)，結(jie)果，在晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)中便留下了(le)一(yi)個(ge)氧(yang)離(li)(li)子(zi)(zi)空(kong)(kong)穴。例如(ru)：（ZrO2）0.85 （CaO2）0.15這樣的(de)(de)氧(yang)化鋯(gao)（氧(yang)化鋯(gao)的(de)(de)摩爾(er)分數(shu)為85%、氧(yang)化鈣(gai)(gai)的(de)(de)摩爾(er)分數(shu)是(shi)15%），則(ze)具有7。5%的(de)(de)摩爾(er)分數(shu)的(de)(de)氧(yang)離(li)(li)子(zi)(zi)空(kong)(kong)穴，是(shi)成了(le)一(yi)種良好的(de)(de)氧(yang)離(li)(li)子(zi)(zi)固體(ti)(ti)電解質。
在(zai)一(yi)個(ge)高致密的氧化(hua)鋯固體電解質的兩側，用燒結的方法(fa)制成幾微米(mi)到幾十微米(mi)厚的多孔鉑(bo)層作為(wei)電極，再在(zai)電極上(shang)焊上(shang)鉑(bo)絲作為(wei)引線，就(jiu)構成了氧濃差電池(chi)，如果電池(chi)左(zuo)側通入參(can)比氣(qi)(qi)體（空氣(qi)(qi)），其氧分壓為(wei)p0；電池(chi)右側通入被測(ce)氣(qi)(qi)體，其氧分壓為(wei)p1（未知）。
設p0 > p1，在高溫(wen)下（650…850℃），氧就會從分壓大(da)的p0一側(ce)向(xiang)分壓小的p1側(ce)擴散，這(zhe)種(zhong)擴散，不是(shi)氧分子(zi)透(tou)過氧化鋯從P0側(ce)到P1側(ce)，而是(shi)氧分子(zi)離解(jie)成氧離子(zi)后(hou)，通過氧化鋯的過程。
在750℃左右的(de)高溫(wen)中，在鉑電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)催化作用下，在電(dian)(dian)池(chi)的(de)P0側(ce)發生還原(yuan)反應，一個(ge)氧(yang)分(fen)子(zi)從鉑電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)取得(de)4個(ge)電(dian)(dian)子(zi)，變(bian)成(cheng)兩個(ge)氧(yang)離(li)子(zi)（O2-）進入(ru)電(dian)(dian)解質(zhi)(zhi)，即(ji)：O2（P0）+ 4e →2O2-P0側(ce)鉑電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)由于大量給出電(dian)(dian)子(zi)而帶正電(dian)(dian)，成(cheng)為氧(yang)濃差電(dian)(dian)池(chi)的(de)正極(ji)(ji)(ji)(ji)或陽極(ji)(ji)(ji)(ji)。這些氧(yang)離(li)子(zi)進入(ru)電(dian)(dian)解質(zhi)(zhi)后，通過晶體中的(de)空穴向前運(yun)動到達(da)右側(ce)的(de)鉑電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)，在電(dian)(dian)池(chi)的(de)P1側(ce)發生氧(yang)化反應，氧(yang)離(li)子(zi)在鉑電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)上釋(shi)放電(dian)(dian)子(zi)并結(jie)合(he)成(cheng)氧(yang)分(fen)子(zi)析(xi)出，即(ji)：2O2- - 4e →O2（P1）
P1側鉑(bo)電(dian)極(ji)由于大量得到電(dian)子而(er)帶負電(dian)，成為氧濃差電(dian)池的負極(ji)或陰極(ji)。
這樣在(zai)兩(liang)個(ge)電(dian)(dian)(dian)極上(shang)，由于正負電(dian)(dian)(dian)荷的堆積而形(xing)成一個(ge)電(dian)(dian)(dian)勢(shi)，稱(cheng)之為(wei)氧(yang)濃(nong)差電(dian)(dian)(dian)動勢(shi)。當用導線將兩(liang)個(ge)電(dian)(dian)(dian)極連成電(dian)(dian)(dian)路時，負極上(shang)的電(dian)(dian)(dian)子(zi)就會(hui)通過外電(dian)(dian)(dian)路流到正極，再供給氧(yang)分(fen)子(zi)形(xing)成離子(zi)，電(dian)(dian)(dian)路中(zhong)就有(you)電(dian)(dian)(dian)流通過。氧(yang)濃(nong)差電(dian)(dian)(dian)動勢(shi)的大小，與(yu)氧(yang)化(hua)鋯固體(ti)電(dian)(dian)(dian)解質兩(liang)側(ce)氣體(ti)中(zhong)的氧(yang)濃(nong)度有(you)關。
氧化鋯氧傳(chuan)感器工作(zuo)原理
在氧化(hua)(hua)鋯(gao)電(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)質(ZrO2管)的(de)兩側(ce)面分別燒結上多孔鉑（Pt）電(dian)(dian)(dian)(dian)極，測量(liang)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)本體分為3層：鉑(電(dian)(dian)(dian)(dian)極)─氧化(hua)(hua)鋯(gao)(電(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)質)─鉑(電(dian)(dian)(dian)(dian)極)。鉑電(dian)(dian)(dian)(dian)極是(shi)多孔性的(de)。煙道氣體通過(guo)過(guo)濾(lv)器或(huo)校驗氣體通過(guo)傳(chuan)導管進入(ru)測量(liang)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)被(bei)測氣體一側(ce)，而另一側(ce)為參比(bi)空氣(含氧20.60％)。
兩種含氧濃(nong)度(du)不同的(de)氣體作(zuo)用在測量電(dian)池，便產生(sheng)一個以(yi)對數為規(gui)律的(de)電(dian)勢(shi)(兩側的(de)氧濃(nong)度(du)差愈大, 電(dian)勢(shi)信號(hao)愈大)。毫伏信號(hao)經氧分析(xi)儀轉換成(cheng)0—10mA或(huo)4－20mA標準(zhun)電(dian)流。此電(dian)流由(you)氧分析(xi)儀接線端子輸出。
測量電池的(de)工作溫(wen)(wen)(wen)度設置(zhi)為(wei)高(gao)于(yu)650℃的(de)恒定溫(wen)(wen)(wen)度, 為(wei)了保持工作溫(wen)(wen)(wen)度恒定，用一支Ｋ型(xing)熱電偶測量電池的(de)工作溫(wen)(wen)(wen)度，經氧分(fen)析儀內的(de)溫(wen)(wen)(wen)度控(kong)制器(qi)調節加(jia)熱器(qi)的(de)加(jia)熱電壓。
當測(ce)量煙氣(qi)溫度高(gao)于(yu)700℃時(shi)，傳感器(qi)組成中省(sheng)去加(jia)熱器(qi)和測(ce)溫熱電偶。
在理想狀(zhuang)態下(xia)，當被測煙氣與參比氣濃度(du)一樣時，其輸(shu)(shu)出(chu)電(dian)勢(shi)E值(zhi)為 0 mV, 但在實(shi)際(ji)應用中，鋯管(guan)實(shi)際(ji)條件(jian)和(he)現場(chang)情況均不(bu)是理想狀(zhuang)態。故事實(shi)上的(de)(de)(de)鋯管(guan)是偏離此值(zhi)的(de)(de)(de)。實(shi)際(ji)上，一定氧(yang)含量(liang)鋯管(guan)輸(shu)(shu)出(chu)的(de)(de)(de)電(dian)勢(shi)為理論值(zhi)和(he)本底(di)電(dian)勢(shi)的(de)(de)(de)和(he)，我們稱為無(wu)濃差條件(jian)下(xia)鋯管(guan)輸(shu)(shu)出(chu)的(de)(de)(de)電(dian)勢(shi)值(zhi)為本底(di)電(dian)勢(shi)或稱為零位電(dian)勢(shi)，此值(zhi)的(de)(de)(de)大小又在不(bu)同溫度(du)下(xia)呈不(bu)同的(de)(de)(de)值(zhi)，并且(qie)隨鋯管(guan)使用期延長而(er)變化。因(yin)此，如不(bu)對此情況處理，會嚴重影響整套測氧(yang)儀的(de)(de)(de)準確(que)和(he)探頭(tou)壽命(ming)。
氧化(hua)鋯氧量(liang)分析儀的結構(gou)及種類
氧化鋯氧量(liang)分(fen)析(xi)儀(yi)的構成是(shi)由氧傳感器(又稱氧探頭、氧檢測器)、氧分(fen)析(xi)儀(yi)（又稱變(bian)送器、變(bian)送單元、轉換器、分(fen)析(xi)儀(yi)）以及防塵裝置、熱電(dian)偶、加(jia)熱器、標準氣體導管、接(jie)線盒以及外殼殼體等組成。
防(fang)塵裝(zhuang)置由防(fang)塵罩(zhao)和過濾器組成，能防(fang)止煙(yan)氣中的(de)灰(hui)塵進入氧化鋯鋯管(guan)內部(bu)，使鋯管(guan)元件免受污染(ran)，并能起到(dao)緩沖氣樣(yang)作用。
氧(yang)化(hua)鋯管元(yuan)件(jian)是氧(yang)探頭的核心部件(jian)，由它產生氧(yang)濃差電(dian)勢信號。氧(yang)化(hua)鋯管是陶瓷類金屬氧(yang)化(hua)物，使用時(shi)必須避免劇烈震動，以免損(sun)壞鋯管元(yuan)件(jian)。
熱(re)電偶(ou)是探頭內置加熱(re)器恒溫控制之用，也是測(ce)量鍋爐、窯爐煙道中被(bei)測(ce)氣(qi)體的溫度的元(yuan)件，為氧量計算提(ti)供(gong)一(yi)個溫度信號。
加熱器的作用是提供氧化鋯固體電解質(zhi)元件正(zheng)常工(gong)(gong)作所需的溫(wen)度，從而使其在低(di)于600℃的被測煙氣環境中也能正(zheng)常工(gong)(gong)作。
來自氧探頭(tou)的(de)氧電(dian)(dian)勢信號(hao)、熱(re)偶溫(wen)(wen)度(du)信號(hao)經(jing)放(fang)大送A/D轉換電(dian)(dian)路，與校正系數(shu)(shu)一起進(jin)行(xing)數(shu)(shu)據處(chu)理(li)，即可(ke)得出氧含(han)量的(de)百分(fen)含(han)量。同時，系統可(ke)實行(xing)氧電(dian)(dian)勢、探頭(tou)溫(wen)(wen)度(du)、校正系數(shu)(shu)值的(de)顯示，并對鋯管的(de)加熱(re)電(dian)(dian)爐進(jin)行(xing)恒(heng)溫(wen)(wen)控制(zhi)，且輔以斷偶、超溫(wen)(wen)保護、熱(re)偶反接保護，確(que)保系統可(ke)靠工(gong)作。
按檢測(ce)方式(shi)的不同，氧(yang)化鋯氧(yang)探頭分為兩大類：采樣檢測(ce)式(shi)氧(yang)探頭及直插式(shi)氧(yang)探頭。
采樣檢測式氧探頭
采(cai)樣檢(jian)測方(fang)式(shi)是通(tong)過導引管，將(jiang)被測氣體(ti)(ti)(ti)(ti)導入(ru)氧(yang)化(hua)鋯檢(jian)測室，再通(tong)過加熱(re)元件把氧(yang)化(hua)鋯加熱(re)到(dao)工(gong)作(zuo)溫度(du)（750℃以上）。氧(yang)化(hua)鋯一般采(cai)用(yong)(yong)管狀(zhuang)，電極采(cai)用(yong)(yong)多(duo)孔鉑電極。其(qi)優點是不(bu)受檢(jian)測氣體(ti)(ti)(ti)(ti)溫度(du)的(de)影響(xiang)，通(tong)過采(cai)用(yong)(yong)不(bu)同的(de)導流管可以檢(jian)測各種溫度(du)氣體(ti)(ti)(ti)(ti)中的(de)氧(yang)含(han)量，這種靈活性被運(yun)用(yong)(yong)在許(xu)多(duo)工(gong)業(ye)在線檢(jian)測上。其(qi)缺點是反(fan)應時(shi)間慢(man)；結(jie)構復(fu)雜(za)，容易影響(xiang)檢(jian)測精度(du)；在被檢(jian)測氣體(ti)(ti)(ti)(ti)雜(za)質(zhi)較多(duo)時(shi)，采(cai)樣管容易堵塞(sai)；多(duo)孔鉑電極容易受到(dao)氣體(ti)(ti)(ti)(ti)中的(de)硫，砷等(deng)的(de)腐蝕(shi)以及細小粉塵的(de)堵塞(sai)而失效；加熱(re)器一般用(yong)(yong)電爐絲加熱(re)，壽命不(bu)長。
在被檢測(ce)(ce)氣體溫度較(jiao)低（0℃～650℃），或被測(ce)(ce)氣體較(jiao)清潔時，適宜采(cai)樣(yang)式(shi)檢測(ce)(ce)方式(shi)，如制(zhi)氮(dan)機測(ce)(ce)氧(yang)，實驗室(shi)測(ce)(ce)氧(yang)等。
直插檢測式氧探頭
直(zhi)插(cha)式(shi)(shi)(shi)檢(jian)測(ce)(ce)是(shi)將氧化(hua)鋯(gao)直(zhi)接插(cha)入高(gao)(gao)溫(wen)(wen)被(bei)(bei)測(ce)(ce)氣(qi)體，直(zhi)接檢(jian)測(ce)(ce)氣(qi)體中的(de)(de)氧含量，這種檢(jian)測(ce)(ce)方式(shi)(shi)(shi)適(shi)宜被(bei)(bei)檢(jian)測(ce)(ce)氣(qi)體溫(wen)(wen)度在700℃～1150℃時（特殊結構還可以用(yong)于1400℃的(de)(de)高(gao)(gao)溫(wen)(wen)），它利用(yong)被(bei)(bei)測(ce)(ce)氣(qi)體的(de)(de)高(gao)(gao)溫(wen)(wen)使氧化(hua)鋯(gao)達(da)到(dao)工作溫(wen)(wen)度，不需另外(wai)用(yong)加熱器。直(zhi)插(cha)式(shi)(shi)(shi)氧探頭的(de)(de)技術(shu)關鍵是(shi)陶瓷材料的(de)(de)高(gao)(gao)溫(wen)(wen)密封和電極問題。
由于(yu)需要(yao)(yao)將(jiang)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)鋯(gao)直接(jie)(jie)插(cha)入檢(jian)測(ce)氣(qi)體(ti)中，對氧(yang)(yang)探(tan)(tan)頭的(de)長度(du)有(you)較(jiao)高要(yao)(yao)求(qiu)，其(qi)有(you)效長度(du)在500mm～1000mm左右，特殊的(de)環境長度(du)可(ke)達(da)1500mm。且檢(jian)測(ce)精度(du)，工作穩定性(xing)和使用壽命都(dou)有(you)很高的(de)要(yao)(yao)求(qiu)，因此(ci)直插(cha)式(shi)氧(yang)(yang)探(tan)(tan)頭很難采用傳(chuan)統氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)鋯(gao)氧(yang)(yang)探(tan)(tan)頭的(de)整體(ti)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)鋯(gao)管(guan)狀結(jie)構，而(er)多采取技術要(yao)(yao)求(qiu)較(jiao)高的(de)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)鋯(gao)和氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)鋁管(guan)連接(jie)(jie)的(de)結(jie)構。密封性(xing)能是這(zhe)種氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)鋯(gao)氧(yang)(yang)探(tan)(tan)頭的(de)最關鍵技術之一。目(mu)前國際上最先(xian)進的(de)連接(jie)(jie)方式(shi)，是將(jiang)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)鋯(gao)與(yu)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)鋁管(guan)永久的(de)焊接(jie)(jie)在一起，其(qi)密封性(xing)能極佳(jia)，與(yu)采樣(yang)式(shi)檢(jian)測(ce)方式(shi)比，直插(cha)式(shi)檢(jian)測(ce)有(you)顯(xian)而(er)易見(jian)的(de)優(you)點：氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)鋯(gao)直接(jie)(jie)接(jie)(jie)觸氣(qi)體(ti)，檢(jian)測(ce)精度(du)高，反應速(su)度(du)快，維(wei)護量較(jiao)小。
