電化學(xué)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(xué)學(xué)報JOURNAL HARBIN UNIV. SCL & TECH.立車編琴：1007-2683（2000）01 -0009-05電化學(xué)式氧傳感器壽命特征分析張洪泉，郭建英（哈爾濱理工大學(xué)僅器僅表學(xué)隔'黑龍江哈爾漩15OO4O）摘 要：為了有效地提高電化學(xué)式氧傳感器的可靠性采用失迸判據(jù)的方法，試驗研究了其 壽帚特征，戔效規(guī)津及故進措就.關(guān)St詞：氧傳感黑；可靠性；壽帶試蚩中圖分類號:TP212.2文At標(biāo)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(xué)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(lǐng)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(yīng)用，其結(jié)構(gòu)見圖L電化學(xué)式氧傳感器的工柞 原理是當(dāng)被測氣體氧井子通過 透氣膜即可在傳感器內(nèi)發(fā)生氧 化-還療反應(yīng)叫當(dāng)氧分子到達 正極表面時*發(fā)生還原反應(yīng)，同 時負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng) 過程如下：正極 O2 + 2H3O + 4e4OH_L Pb負(fù)電極（由金厲雷制咸）2電囲單KOHaq（KOH的質(zhì)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(xué)式犧羸酬緒構(gòu)朗負(fù)極 Pb+2OHPbO + H5O + 2e收稿日期:999-10-20葺盤項目：五，傳感器攻關(guān)項0 （8572J）柞倉簡弁：張洪杲（】9旳-h折.喑爾演理工丸學(xué)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(xué)式氧傳感器壽命待征分析

5、11總反應(yīng) 0： + 2Pbf2PbO此反區(qū)扱限電流與被測氣休氧的體積分?jǐn)?shù)成線性關(guān)系Si, = nFD C式中"為反應(yīng)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(yīng)的極限電流就可以確定被測氧氣的休積分?jǐn)?shù)由于受電扱結(jié)構(gòu)電解質(zhì)材料及生產(chǎn)工藝的影響電化學(xué)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(xué)式氧傳感器保持其性能指標(biāo)的能力'分析和評價電化學(xué)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(guān)系具有亶要意義從同批產(chǎn)品中隨機抽樣*進 行便用壽命試驗，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)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(jù)失效判據(jù)是判定產(chǎn)品是否失效的依據(jù)電化學(xué)氧傳感器采用電池式結(jié)構(gòu)通過測匿電化學(xué)反應(yīng)時円 疵過電池的電流來檢測氧的休積分?jǐn)?shù),其主要性能指標(biāo)是靈敏度、測量范圍、測量精度+按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)大氣條件下進行從老優(yōu)篩選令格的產(chǎn)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(jié)構(gòu)S2椅感器性能測試乘統(tǒng)示竄圈測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示

7、.222試騷所用儀器MF-2型標(biāo)準(zhǔn)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?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，選取整個盤程的】0%,30%,60%90% 4個悴積分?jǐn)?shù)鼠打開氣瓶的減壓 閥，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)氣休稀釋裝豎的流童閥至所需標(biāo)準(zhǔn)值'將標(biāo)唸氣通人傳感器內(nèi)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(shè)定值之差同滿量程休積分?jǐn)?shù)值之比*即為測量精度、其試驗失豉數(shù)據(jù)見表I*電代學(xué)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(jù)的統(tǒng)計推斷3.1 圖怙法文!4詳細(xì)給出了利用壽命數(shù)據(jù)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(jù)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(jié) 果為雙參數(shù)WebuU分布，并由圖3給出圖怙結(jié)果.顯見形狀參數(shù)m = J.8;特征壽命>? = 4 300h.電化學(xué)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(biāo)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(nèi)散點經(jīng)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(yīng)在選定置信度下對前面的推斷分布類型進行假設(shè) 檢懸由于本試驗失效數(shù)據(jù)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(jīng)驗分布函數(shù)與總休的分布函數(shù)之風(fēng)

10、的關(guān)系+設(shè)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(jīng)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(dāng)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(yán)K(10, 0.20).置信度y=l-« = 0,8認(rèn)為電化學(xué)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(quán)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(biāo)準(zhǔn)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(jīng)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(xué)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(yán)

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(nóng)平均壽命為4- /m) = 4 391 xo.886=388lh方差和標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果如表4所示.4電化學(xué)式氧傳感器的失效分析電牝?qū)W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(chǎn)品 潛在可能發(fā)生失效的諸因索，是提高產(chǎn)品可靠性的有效方法根據(jù)壽命試驗及初期開發(fā)，設(shè)計，定型制 造、老練、使用、維慘及報廢等階段實際情況總結(jié)出電化學(xué)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(fù)極金SPb的表面反應(yīng)沉積PbO后的鈍化效應(yīng)；透氣膜曲透氣和拒水 能力降低.延緩傳SE器的失效.應(yīng)在傳感器的設(shè)計與制造過程中加強結(jié)構(gòu)密封性；對負(fù)電極Pb材料進行修怖 技術(shù)研究，增強負(fù)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(jié)論1）對電化學(xué)式氣傳感器的壽命試驗數(shù)據(jù)，采用了三種方法進行統(tǒng)計推斷,其結(jié)果相近；2）從統(tǒng)計推斷結(jié)果看，電化學(xué)式氣傳感器的平均壽命仍偏低*應(yīng)采用FMEA法進行失效分析,井努力 克服故障隱患；3）根據(jù)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(shè)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(yīng)ffl MJ.it陽:遼寧科學(xué)拉術(shù)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