電化學式氧傳感器壽命特征分析

1、第5卷第1期20W年2月VcL5 No. IFeb , 2000噲爾濱理工大學學報JOURNAL HARBIN UNIV. SCL & TECH.立車編琴：1007-2683（2000）01 -0009-05電化學式氧傳感器壽命特征分析張洪泉，郭建英（哈爾濱理工大學僅器僅表學隔'黑龍江哈爾漩15OO4O）摘 要：為了有效地提高電化學式氧傳感器的可靠性采用失迸判據的方法，試驗研究了其 壽帚特征，戔效規(guī)津及故進措就.關St詞：氧傳感黑；可靠性；壽帶試蚩中圖分類號:TP212.2文At標識碼:AThe Analysis of Electro-chemical OxygenSensor

2、's Ufe featureZHANG Hongquant GUO Jian ying(Instrumemi & Apparatus College； Harbin (Jniv. Scia Tech，HiTbin 150040 China)Abstract: To improve electro chemical Oxygen sensor's reliability, its life feature test, failure principle and itnprovement method were researched.Key words: Oxygen se

3、nsor; reliability; life test電化學式氧傳感器以選擇性好、靈酸度髙.輸出線性等特點在氧傳感器領域占有一定的優(yōu)勢, 并已柱糧食存儲、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護等方面有較廣泛的應用，其結構見圖L電化學式氧傳感器的工柞 原理是當被測氣體氧井子通過 透氣膜即可在傳感器內發(fā)生氧 化-還療反應叫當氧分子到達 正極表面時*發(fā)生還原反應，同 時負極發(fā)生氧化反應，化學反應 過程如下：正極 O2 + 2H3O + 4e4OH_L Pb負電極（由金厲雷制咸）2電囲單KOHaq（KOH的質分范為30%）叟業(yè)童電帳（由金禺鉗制龐）4透氣膜用PTFE財料制琥）1994-2010 China Academ

4、ic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第5卷第1期20W年2月VcL5 No. IFeb , 2000ffil皚征學式犧羸酬緒構朗負極 Pb+2OHPbO + H5O + 2e收稿日期:999-10-20葺盤項目：五，傳感器攻關項0 （8572J）柞倉簡弁：張洪杲（】9旳-h折.喑爾演理工丸學頸士研究生、1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第1期張洪泉等：電化學式氧傳感器壽命待征分析

5、11總反應 0： + 2Pbf2PbO此反區(qū)扱限電流與被測氣休氧的體積分數(shù)成線性關系Si, = nFD C式中"為反應中涉及的電子數(shù)；F為法拉第常數(shù);。為氧的擴散系統(tǒng)；S為正極面積；L為透氣膜的厚 度；C為氣氣休積分娥-通過檢圖反應的極限電流就可以確定被測氧氣的休積分數(shù)由于受電扱結構電解質材料及生產工藝的影響電化學式敘件感器的可靠性傭低，滿足不了便用要 求，為客觀反映電化學式氧傳感器保持其性能指標的能力'分析和評價電化學式熨儒感器的可靠性水 平，建立傳感器可靠度隨時間變化規(guī)律摸型及特征參數(shù)間關系具有亶要意義從同批產品中隨機抽樣*進 行便用壽命試驗，根據試驗數(shù)據進行壽命分布模型

6、統(tǒng)計推斷和失效分析2 壽命試驗XI失效判據失效判據是判定產品是否失效的依據電化學氧傳感器采用電池式結構通過測匿電化學反應時円 疵過電池的電流來檢測氧的休積分數(shù),其主要性能指標是靈敏度、測量范圍、測量精度+按企業(yè)標準Q/UN2開5 - 298 規(guī)定叫氧傳感器測量精度冬±1%,靈敏度變化及測量范圍的變化都能由測量精度反映出來，所以壽侖試 驗中的檢測慕數(shù)確定為測量精度，若傳感器的測雄精度超出土】即判為該傳感器失效 2.2試驗方法試豔在室內大氣條件下進行從老優(yōu)篩選令格的產品中隨機耽10只樣品，同時全投入壽命試驗.2.11傳感器性能測試系統(tǒng)結構S2椅感器性能測試乘統(tǒng)示竄圈測試系統(tǒng)結構如圖2所示

7、.222試騷所用儀器MF-2型標準氣休稀釋裝蜀;FLUKE8840 數(shù)字繁用表；ST9 1型數(shù)宇秒表;氮氣瓶;高 純氧氣瓶.223 試驗要求在規(guī)定的測翼#銀分數(shù)范圍內，選取整個盤程的】0%,30%,60%90% 4個悴積分數(shù)鼠打開氣瓶的減壓 閥，調整標準氣休稀釋裝豎的流童閥至所需標準值'將標唸氣通人傳感器內持穩(wěn)定后，用數(shù)字緊用表讀出傳感 器的輸出值，此輸出值與設定值之差同滿量程休積分數(shù)值之比*即為測量精度、其試驗失豉數(shù)據見表I*電代學氛博康器失效時洞嫌樣品薩6*7*薩失效時間/h1 1203 32018105 7202 2402TJQ52»041103 67071«

8、3 壽命數(shù)據的統(tǒng)計推斷3.1 圖怙法文!4詳細給出了利用壽命數(shù)據進行壽命分布類型推斷的方法，并已編制成軟件性將表1的壽命數(shù) 據從小到大依次輸人后，該軟件可實現(xiàn)6種分布下的線性化擬合井以殘差平方和最小判斷最住分布結 果為雙參數(shù)WebuU分布，并由圖3給出圖怙結果.顯見形狀參數(shù)m = J.8;特征壽命>? = 4 300h.電化學式氧檳感器的壽命分布模型為F(t)-l -exp-(f/?rj= I -exp-(/4 300)' ft t>0(2)則可靠度函數(shù)R=吩一(咖)門= exp-(r/4 300)li£>0失效率函數(shù)丄=佃防)(的) (Sl.& 1

9、0_B)t0(t>0平均壽命：g = 3 814h.標椎差：孑二= 2 021 h.9S 3 雙參嫂WdniH柢率圖h4 '-10K尺，F(xiàn)tO.Att),/：)的函數(shù)曲線見圖4.S4悽轎器眸飾特征畫數(shù)曲裟3,2壽命分布類型的K-S檢驗對于不同塑折系內散點經直線擬合效果的相互比較選定的分布函數(shù)，雖撚相對地符合聯(lián)差平方和最 小的條件，但対此柞出的推斷是線性化的焼計推斷應在選定置信度下對前面的推斷分布類型進行假設 檢懸由于本試驗失效數(shù)據屬小樣本適合采用精度較高的Kolmogorov-SmimovKolmogorov -Sminio#檢驗的基本思想是樣本的經驗分布函數(shù)與總休的分布函數(shù)之風

10、的關系+設總體分布函數(shù)(t)=Fo(0其中F0(t) = l-exp-(f/4 300)18t>0檢騷統(tǒng)計量為D 尸 sup |F.(X)-F0(t)l(6)常丄* CD式中人是大小為n的樣本的經瞳分布函數(shù)0Y凡彳訕 t(】)Wxg+l)(7)1 Z f(n) = 1, 2, 31n這里r(I)t(2) -t(町是樣本(b如 ，fj的贋序統(tǒng)計量的觀測值，對于毎個t都有倶差顯燃 比越小，叫可能性越大.5-max Fct(O -1 )/n, i/n - FGt(i)令K(嘰町為K-S檢騷的臨界值，當n = lO顯著性水平a = 0.20f查統(tǒng)計量臨界值表可知 K(lOt 0,20) = 0,

11、322 6.若ZvK(10, 0.20),則在顯著性水平6 = 0.20時，壽命分布為Wri>ull分布一裊2撿驗疑計羸序號I2345678910I 1201 810224027303 3203 6704 1105 2805 7207 1陰叫仏)0.085 00.1899D.269D.35690.46620.528 50.602 20J64 70.SI200 9182i-(n00.10» 200.300.400.50Qr6D0.70OSO0.0Un0.10.20.30 40.3OX0.70.80.9.O0.0S50.08990.066 90.05690.(966 20.071

12、50.097 80.064 70.C8«0.0818由表2可知嚴K(10, 0.20).置信度y=l-« = 0,8認為電化學氧傳愿器的壽命分布模型為二參數(shù)Webull分布+33 其它統(tǒng)計方法的驗證m3S1 最好線性無偏估計(BLUE)查可靠性試驗用表得"W, r=10, J=1 IS權系數(shù)C(nr rt j). D(nt rt j)t Ct(n, rt j),D, rr門填入表3,由此可算縛(叭 町的BLUE.ru* = X D(n, r, j)lnt = = 8.381 2 j-i(10)r擴仏片 >)111 = 0.494 6)m-叱-貯凳1.9(12

13、)滬0,4946ij* = exp(u*)i=4363h(13)壽命分布函數(shù)為F(r)= 1 -exp-(rMf) -1 -ejcp-(t/4363)' *)i>0(14)平均壽命為* = £( = ,1 + l/m) = 4 363 x0.887 = 3 870b(15)方差和標準差為irtni+1»(16)ZD 山-ijr(l +2/m)- ftJ + l/m)1/a-2 247h好嫌性北個沽丼&星好經性不序號1叫Dux m nCOO, 10, j、D * l 叫C *】MA(ioT ID, j)Q(iot io,刀巧 InjC Inf,11 L2

14、QQ.Q28 爭-0.077 90.205 1-Q.JS290.027 3-0.072 70.193 S-0.51602i 8107.5010 041 7-D.0S3 60J12 8-Q.627 I0.040 0-0.078 00J0D0-0.585 132 2407J&40.0542-O.OB2 S0,418 I-0.638 70.052 S-0 077 20.409 2-0.601 742 7307 9120.0670-0.077 00.S30 I-0 609 20.065 4-0.071 90JI74-D.56S853 3208.0800.Q806-0.066 10,6Sl 2-

15、0.534 I0.07? 3-0.061 70.640 7-0.498 5E3 670«.20S0.055 5-0.04S 70-792 I-0.39 70.094 6-0.045 40.775-0.372 674 110&3210. LL2 9-0,022 20.939 5-0.18470.112 4-0.D20 f0.935 2-0J72285 280S.J710.1339-0.019 2LI46 9-0J64 50.L3410.01了 91 150 20.153495 720S.<i520.162 3-0.091 2t.404 2-0.789 004«4

16、 20.0S5 I1.420 60.736 J107 1608.8760.2229-0347 8L«8 5k087 I0.230 00.324 62.045 12.SBIE8.381 20L4»468.3SS90.455 81994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第丄期張洪泉等：電化學式氧傳感器壽命特征分析133A2 最好線性不變估計（BLIE）r, ；)lnt =8.385 1(17)5 = Cf(n, r , j)lntj = 0.455 8 嚴

17、i（m -1-1禹 2.1d0.421 8(19)ff exp(JF)" 381 h(20)方醫(yī)mGT圖怙搓1.84 3003 814ZQ2IBLUE1,94 3633 87C2 247BLIE2.14 5813B8L2 &31表4估計參敷一覽農平均壽命為4- /m) = 4 391 xo.886=388lh方差和標準巻為P=D（r） - r（l + 2/m） - ra（l + l/m）了三。啦=和（l +2/m）- rJ（l + l/m）' = 2031hBLUES .BLIE志段圖怙祛的估計結果如表4所示.4電化學式氧傳感器的失效分析電牝學式氧傳感器的失效分折是分

18、析其失效模式、失效機理和失效原因*旨在排除或盡量減少產品 潛在可能發(fā)生失效的諸因索，是提高產品可靠性的有效方法根據壽命試驗及初期開發(fā)，設計，定型制 造、老練、使用、維慘及報廢等階段實際情況總結出電化學式氧傳感器的失效的原因主要有以下幾方 面:電堺液的揮發(fā)與泄漏；負極金SPb的表面反應沉積PbO后的鈍化效應；透氣膜曲透氣和拒水 能力降低.延緩傳SE器的失效.應在傳感器的設計與制造過程中加強結構密封性；對負電極Pb材料進行修怖 技術研究，增強負電極活性、延緩盹化;深入進行透氣膜蓿定化研究，從而進一步提高傳感器壽命5結論1）對電化學式氣傳感器的壽命試驗數(shù)據，采用了三種方法進行統(tǒng)計推斷,其結果相近；2）從統(tǒng)計推斷結果看，電化學式氣傳感器的平均壽命仍偏低*應采用FMEA法進行失效分析,井努力 克服故障隱患；3）根據形狀套數(shù)m=I,8來分析.傳感器在便用過程中有耗損失效的潛在因素，需從設計及原理上引 起注意、 餐署文獻；I 徐開先.實用新曜傳感器及其應ffl MJ.it陽:遼寧科學拉術出脈社*1995閣0 小林隹生，恤伐尼電迪式瓠挎感胖任| 一吒協(xié)特感器特輯J旳1