自然界的氧化鋯（ZrO2）礦物原料，主要有斜鋯石和鋯英石。鋯英石系火成巖深層礦物，顏色有淡黃、棕黃、黃綠等，比重4.6-4.7，硬度7.5，具有強(qiáng)烈的金屬光澤。純的氧化鋯是一種高級(jí)耐火原料，其熔融溫度約為2900℃。

　　純凈的氧化鋯是白色固體，含有雜質(zhì)時(shí)會(huì)顯現(xiàn)灰色或淡黃色，添加顯色劑還可顯示各種其它顏色。純氧化鋯的分子量為123.22，理論密度是5.89g/cm3，熔點(diǎn)為2715℃。氧化鋯有三種晶體形態(tài)：?jiǎn)涡薄⑺姆健⒘⒎骄唷３叵卵趸喼灰詥涡毕喑霈F(xiàn)，加熱到1100℃左右轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较啵訜岬礁邷囟葧?huì)轉(zhuǎn)化為立方相。由于在單斜相向四方相轉(zhuǎn)變的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生較大的體積變化，冷卻的時(shí)候又會(huì)向相反的方向發(fā)生較大的體積變化，容易造成產(chǎn)品的開(kāi)裂，限制了純氧化鋯在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。但是添加穩(wěn)定劑以后，四方相可以在常溫下穩(wěn)定，因此在加熱以后不會(huì)發(fā)生體積的突變，大大拓展了氧化鋯的應(yīng)用范圍。

　　由于氧化鋯材料具有高硬度，高強(qiáng)度，高韌性，極高的耐磨性及耐化學(xué)腐蝕性等等優(yōu)良的物化性能，氧化鋯已經(jīng)在陶瓷、耐火材料、機(jī)械、電子、光學(xué)、航空航天、生物、化學(xué)等等各種領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。

　　1989年能斯特（Nernst）發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定氧化鋯在高溫下呈現(xiàn)的離子導(dǎo)電現(xiàn)象。從此氧化鋯成為研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用最普遍的一種固體電解質(zhì)，它已在高溫技術(shù)，特別是高溫測(cè)試技術(shù)上得到廣泛應(yīng)用。由于氧探頭與現(xiàn)有測(cè)氧儀表（如磁氧分析器、電化學(xué)式氧量計(jì)、氣象色譜儀等）相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)時(shí)間短（0.1s～0.2s），測(cè)量范圍寬（從ppm到百分含量），使用溫度高（600℃～1200℃），運(yùn)行可靠，安裝方便，維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，因此在冶金、化工、電力、陶瓷、汽車(chē)、環(huán)保等工業(yè)部門(mén)得到廣泛的應(yīng)用。

　　氧化鋯氧探頭的測(cè)氧原理

　　氧化鋯的導(dǎo)電機(jī)理：電解質(zhì)溶液靠離子導(dǎo)電，具有離子導(dǎo)電性質(zhì)的固體物質(zhì)稱(chēng)為固體電解質(zhì)。固體電解質(zhì)是離子晶體結(jié)構(gòu)，靠空穴使離子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電，與P型半導(dǎo)體空穴導(dǎo)電的機(jī)理相似。

　　純氧化鋯（ZrO2）不導(dǎo)電，摻雜一定比例的低價(jià)金屬物作為穩(wěn)定劑，如氧化鈣（CaO2）、氧化鎂（MgO）、氧化釔（Y2O3），就具有高溫導(dǎo)電性，成為氧化鋯固體電解質(zhì)。

　　為什么加入穩(wěn)定劑后，氧化鋯就會(huì)具有很高的離子導(dǎo)電性呢？

　　這是因?yàn)椋瑩接猩倭緾aO2 的ZrO2混合物，在結(jié)晶過(guò)程中，鈣離子進(jìn)入立方晶體中，置換了鋯離子。由于鋯離子是+4價(jià)，而鈣離子是+2價(jià)，一個(gè)鈣離子進(jìn)入晶體，只帶入了一個(gè)氧離子，而被置換出來(lái)的鋯離子帶出了兩個(gè)氧離子，結(jié)果，在晶體中便留下了一個(gè)氧離子空穴。例如：（ZrO2）0.85 （CaO2）0.15這樣的氧化鋯（氧化鋯的摩爾分?jǐn)?shù)為85%、氧化鈣的摩爾分?jǐn)?shù)是15%），則具有7。5%的摩爾分?jǐn)?shù)的氧離子空穴，是成了一種良好的氧離子固體電解質(zhì)。

　　氧化鋯的導(dǎo)電機(jī)理

　　在一個(gè)高致密的氧化鋯固體電解質(zhì)的兩側(cè)，用燒結(jié)的方法制成幾微米到幾十微米厚的多孔鉑層作為電極，再在電極上焊上鉑絲作為引線，就構(gòu)成了氧濃差電池，如果電池左側(cè)通入?yún)⒈葰怏w（空氣），其氧分壓為p0；電池右側(cè)通入被測(cè)氣體，其氧分壓為p1（未知）。

　　設(shè)p0 》 p1，在高溫下（650…850℃），氧就會(huì)從分壓大的p0一側(cè)向分壓小的p1側(cè)擴(kuò)散，這種擴(kuò)散，不是氧分子透過(guò)氧化鋯從P0側(cè)到P1側(cè)，而是氧分子離解成氧離子后，通過(guò)氧化鋯的過(guò)程。

　　在750℃左右的高溫中，在鉑電極的催化作用下，在電池的P0側(cè)發(fā)生還原反應(yīng)，一個(gè)氧分子從鉑電極取得4個(gè)電子，變成兩個(gè)氧離子（O2-）進(jìn)入電解質(zhì)，即：O2（P0）+ 4e →2O2-

　　P0側(cè)鉑電極由于大量給出電子而帶正電，成為氧濃差電池的正極或陽(yáng)極。

　　這些氧離子進(jìn)入電解質(zhì)后，通過(guò)晶體中的空穴向前運(yùn)動(dòng)到達(dá)右側(cè)的鉑電極，在電池的P1側(cè)發(fā)生氧化反應(yīng)，氧離子在鉑電極上釋放電子并結(jié)合成氧分子析出，即：2O2- - 4e →O2（P1）

　　P1側(cè)鉑電極由于大量得到電子而帶負(fù)電，成為氧濃差電池的負(fù)極或陰極。

　　這樣在兩個(gè)電極上，由于正負(fù)電荷的堆積而形成一個(gè)電勢(shì)，稱(chēng)之為氧濃差電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)用導(dǎo)線將兩個(gè)電極連成電路時(shí)，負(fù)極上的電子就會(huì)通過(guò)外電路流到正極，再供給氧分子形成離子，電路中就有電流通過(guò)。氧濃差電動(dòng)勢(shì)的大小，與氧化鋯固體電解質(zhì)兩側(cè)氣體中的氧濃度有關(guān)。

　　氧化鋯氧傳感器工作原理

　　在氧化鋯電解質(zhì)（ZrO2管）的兩側(cè)面分別燒結(jié)上多孔鉑（Pt）電極，測(cè)量電池本體分為3層：鉑（電極）─氧化鋯（電解質(zhì)）─鉑（電極）。鉑電極是多孔性的。煙道氣體通過(guò)過(guò)濾器或校驗(yàn)氣體通過(guò)傳導(dǎo)管進(jìn)入測(cè)量電池被測(cè)氣體一側(cè)，而另一側(cè)為參比空氣（含氧20.60％）。

　　兩種含氧濃度不同的氣體作用在測(cè)量電池，便產(chǎn)生一個(gè)以對(duì)數(shù)為規(guī)律的電勢(shì)（兩側(cè)的氧濃度差愈大， 電勢(shì)信號(hào)愈大）。毫伏信號(hào)經(jīng)氧分析儀轉(zhuǎn)換成0—10mA或4－20mA標(biāo)準(zhǔn)電流。此電流由氧分析儀接線端子輸出。

　　測(cè)量電池的工作溫度設(shè)置為高于650℃的恒定溫度， 為了保持工作溫度恒定，用一支Ｋ型熱電偶測(cè)量電池的工作溫度，經(jīng)氧分析儀內(nèi)的溫度控制器調(diào)節(jié)加熱器的加熱電壓。

　　氧化鋯氧傳感器示意圖

　　當(dāng)測(cè)量煙氣溫度高于700℃時(shí)，傳感器組成中省去加熱器和測(cè)溫?zé)犭娕肌?/p>

　　在理想狀態(tài)下，當(dāng)被測(cè)煙氣與參比氣濃度一樣時(shí)， 其輸出電勢(shì)E值為 0 mV， 但在實(shí)際應(yīng)用中，鋯管實(shí)際條件和現(xiàn)場(chǎng)情況均不是理想狀態(tài)。 故事實(shí)上的鋯管是偏離此值的。實(shí)際上，一定氧含量鋯管輸出的電勢(shì)為理論值和本底電勢(shì)的和，我們稱(chēng)為無(wú)濃差條件下鋯管輸出的電勢(shì)值為本底電勢(shì)或稱(chēng)為零位電勢(shì)，此值的大小又在不同溫度下呈不同的值， 并且隨鋯管使用期延長(zhǎng)而變化。 因此， 如不對(duì)此情況處理，會(huì)嚴(yán)重影響整套測(cè)氧儀的準(zhǔn)確和探頭壽命。