电化学式氧传感器寿命特征分析

1、第5卷第1期20W年2月VcL5 No. IFeb , 2000哙尔滨理工大学学报JOURNAL HARBIN UNIV. SCL & TECH.立車編琴：1007-2683（2000）01 -0009-05电化学式氧传感器寿命特征分析张洪泉，郭建英（哈尔滨理工大学仅器仅表学隔'黑龙江哈尔漩15OO4O）摘 要：为了有效地提高电化学式氧传感器的可靠性采用失迸判据的方法，试验研究了其 寿帚特征，戋效规津及故进措就.关St词：氧传感黑；可靠性；寿带试蚩中图分类号:TP212.2文At标识码: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电化学式氧传感器以选择性好、灵酸度髙.输出线性等特点在氧传感器领域占有一定的优势, 并已柱粮食存储、医疗卫生、环境保护等方面有较广泛的应用，其结构见图L电化学式氧传感器的工柞 原理是当被测气体氧井子通过 透气膜即可在传感器内发生氧 化-还療反应叫当氧分子到达 正极表面时*发生还原反应，同 时负极发生氧化反应，化学反应 过程如下：正极 O2 + 2H3O + 4e4OH_L Pb负电极（由金厲雷制咸）2电囲單KOHaq（KOH的质分范为30%）叟业童电帳（由金禺钳制庞）4透气膜用PTFE财料制琥）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皑征学式牺羸酬绪构朗负极 Pb+2OHPbO + H5O + 2e收稿日期:999-10-20葺盘项目：五，传感器攻关项0 （8572J）柞倉简弁：张洪杲（】9旳-h折.喑尔演理工丸学颈士研究生、1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第1期张洪泉等：电化学式氧传感器寿命待征分析

5、11总反应 0： + 2Pbf2PbO此反區扱限电流与被测气休氧的体积分数成线性关系Si, = nFD C式中"为反应中涉及的电子数；F为法拉第常数;。为氧的扩散系统；S为正极面积；L为透气膜的厚 度；C为氣气休积分娥-通过检圖反应的极限电流就可以确定被测氧气的休积分数由于受电扱结构电解质材料及生产工艺的影响电化学式叙件感器的可靠性傭低，满足不了便用要 求，为客观反映电化学式氧传感器保持其性能指标的能力'分析和评价电化学式熨儒感器的可靠性水 平，建立传感器可靠度随时间变化规律摸型及特征参数间关系具有亶要意义从同批产品中随机抽样*进 行便用寿命试验，根据试验数据进行寿命分布模型

6、统计推断和失效分析2 寿命试验XI失效判据失效判据是判定产品是否失效的依据电化学氧传感器采用电池式结构通过测匿电化学反应时円 疵过电池的电流来检测氧的休积分数,其主要性能指标是灵敏度、测量范围、测量精度+按企业标准Q/UN2開5 - 298 规定叫氧传感器测量精度冬±1%,灵敏度变化及测量范围的变化都能由测量精度反映出来，所以寿侖试 验中的检测慕数确定为测量精度，若传感器的测雄精度超出土】即判为该传感器失效 2.2试验方法试豔在室内大气条件下进行从老优筛选令格的产品中随机耽10只样品，同时全投入寿命试验.2.11传感器性能测试系统结构S2椅感器性能测试乘统示竄圈测试系统结构如图2所示

7、.222试騷所用仪器MF-2型标准气休稀释装蜀;FLUKE8840 数字繁用表；ST9 1型数宇秒表;氮气瓶;高 纯氧气瓶.223 试验要求在规定的测翼#银分数范围内，选取整个盘程的】0%,30%,60%90% 4个悴积分数鼠打开气瓶的减压 阀，调整标准气休稀释装豎的流童阀至所需标准值'将标唸气通人传感器内持稳定后，用数字緊用表读出传感 器的输出值，此输出值与设定值之差同满量程休积分数值之比*即为测量精度、其试验失豉数据见表I*电代学氛博康器失效时洞嫌样品萨6*7*萨失效时间/h1 1203 32018105 7202 2402TJQ52»041103 67071«

8、3 寿命数据的统计推断3.1 图怙法文!4详细给出了利用寿命数据进行寿命分布类型推断的方法，并已编制成软件性将表1的寿命数 据从小到大依次输人后，该软件可实现6种分布下的线性化拟合井以残差平方和最小判断最住分布结 果为双参数WebuU分布，并由图3给出图怙结果.显见形状參数m = J.8;特征寿命>? = 4 300h.电化学式氧檳感器的寿命分布模型为F(t)-l -exp-(f/?rj= I -exp-(/4 300)' ft t>0(2)则可靠度函数R=吩一(咖)門= exp-(r/4 300)li£>0失效率函数丄=佃防)(的) (Sl.& 1

9、0_B)t0(t>0平均寿命：g = 3 814h.标椎差：孑二= 2 021 h.9S 3 双參嫂WdniH柢率图h4 '-10K尺，FtO.Att),/：)的函数曲线见图4.S4悽轿器眸饰特征画數曲裟3,2寿命分布类型的K-S检验对于不同塑折系内散点经直线拟合效果的相互比较选定的分布函数，虽撚相对地符合联差平方和最 小的条件，但対此柞出的推断是线性化的焼计推断应在选定置信度下对前面的推断分布类型进行假设 检懸由于本试验失效数据属小样本适合采用精度较高的Kolmogorov-SmimovKolmogorov -Sminio#检验的基本思想是样本的经验分布函数与总休的分布函数之風

10、的关系+设总体分布函数(t)=Fo(0其中F0(t) = l-exp-(f/4 300)18t>0检骚统计量为D 尸 sup |F.(X)-F0(t)l(6)常丄* CD式中人是大小为n的样本的经瞳分布函数0Y凡彳讪 t(】)Wxg+l)(7)1 Z f(n) = 1, 2, 31n这里r(I)t(2) -t(町是样本(b如 ，fj的贋序统计量的观测值，对于毎个t都有倶差显燃 比越小，叫可能性越大.5-max Fct(O -1 )/n, i/n - FGt(i)令K(叽町为K-S檢骚的临界值，当n = lO显著性水平a = 0.20f查统计量临界值表可知 K(lOt 0,20) = 0,

11、322 6.若ZvK(10, 0.20),则在显著性水平6 = 0.20时，寿命分布为Wri>ull分布一袅2捡验疑计羸序号I2345678910I 1201 810224027303 3203 6704 1105 2805 7207 1阴叫仏)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可知严K(10, 0.20).置信度y=l-« = 0,8认为电化学氧传愿器的寿命分布模型为二参数Webull分布+33 其它统计方法的验证m3S1 最好线性无偏估计(BLUE)查可靠性试验用表得"W, r=10, J=1 IS权系数C(nr rt j). D(nt rt j)t Ct(n, rt j),D, rr门填入表3,由此可算縛(叭 町的BLUE.ru* = X D(n, r, j)lnt = = 8.381 2 j-i(10)r扩仏片 >)111 = 0.494 6)m-叱-貯凳1.9(12

13、)沪0,4946ij* = exp(u*)i=4363h(13)寿命分布函数为F(r)= 1 -exp-(rMf) -1 -ejcp-(t/4363)' *)i>0(14)平均寿命为* = £( = ,1 + l/m) = 4 363 x0.887 = 3 870b(15)方差和标准差为irtni+1»(16)ZD 山-ijr(l +2/m)- ftJ + l/m)1/a-2 247h好嫌性北個沽丼&星好经性不序号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. 第丄期张洪泉等：电化学式氧传感器寿命特征分析133A2 最好线性不变估计（BLIE）r, ；)lnt =8.385 1(17)5 = Cf(n, r , j)lntj = 0.455 8 严

17、i（m -1-1禹 2.1d0.421 8(19)ff exp(JF)" 381 h(20)方医mGT图怙搓1.84 3003 814ZQ2IBLUE1,94 3633 87C2 247BLIE2.14 5813B8L2 &31表4估计參敷一览農平均寿命为4- /m) = 4 391 xo.886=388lh方差和标准巻为P=D（r） - r（l + 2/m） - ra（l + l/m）了三。啦=和（l +2/m）- rJ（l + l/m）' = 2031hBLUES .BLIE志段图怙祛的估计结果如表4所示.4电化学式氧传感器的失效分析电牝学式氧传感器的失效分折是分

18、析其失效模式、失效机理和失效原因*旨在排除或尽量减少产品 潜在可能发生失效的诸因索，是提高产品可靠性的有效方法根据寿命试验及初期开发，设计，定型制 造、老练、使用、维慘及报废等阶段实际情况总结出电化学式氧传感器的失效的原因主要有以下几方 面:电堺液的挥发与泄漏；负极金SPb的表面反应沉积PbO后的钝化效应；透气膜曲透气和拒水 能力降低.延缓传SE器的失效.应在传感器的设计与制造过程中加强结构密封性；对负电极Pb材料进行修怖 技术研究，增强负电极活性、延缓盹化;深入进行透气膜蓿定化研究，从而进一步提高传感器寿命5结论1）对电化学式氣传感器的寿命试验数据，采用了三种方法进行统计推断,其结果相近；2）从统计推断结果看，电化学式氣传感器的平均寿命仍偏低*应采用FMEA法进行失效分析,井努力 克服故障隐患；3）根据形状套数m=I,8来分析.传感器在便用过程中有耗损失效的潜在因素，需从设计及原理上引 起注意、 餐署文献；I 徐开先.实用新曜传感器及其应ffl MJ.it阳:辽宁科学拉术出脈社*1995閣0 小林隹生，恤伐尼电迪式瓠挎感胖任| 一吒协特感器特辑J旳1