氧传感器的结构与检测论文引言

氧传感器是进行闭环反馈控制的主要元件之一,用于检测发动机的燃烧状况,通过测定发动机排气管内废气中的氧含量（浓度） 判定空燃比,电子控制单元ECU 据此发出反馈信号不断修正喷油量,使空燃比收敛于理论值（λ= 1） 。其性能的好坏直接影响汽车的使用,因此,应及时检测、诊断并排除氧传感器的故障,从而保障汽车的使用性能。1 结构与原理 空燃比一旦偏离理论空燃比, 三元催化剂对CO、HC 和NOx 的净化能力将急剧下降。为了使装有三元催化转换装置的发动机达到最佳的排气净化性能,必须把混合气的空燃比控制在理论空燃比附近很窄的范围内。氧传感器用于检测进入三元催化转换装置的排气气体状态,是使用三元催化转换装置发动机上必不可少的传感器。目前已在汽车上使用的氧传感器有氧化锆式和氧化钛式两种。 1. 1 氧化锆式氧传感器 氧化锆式氧传感器（见图1） 的基本元件是专用图1 氧化皓式氧传感器在排气管中的结构陶瓷体,即氧化锆（ZrO2） 固体电解质,陶瓷体制成管状（锆管） ,固定在带有安装螺纹的固定套中。锆管表面装有透气铂电极,配有护管及电接头,其内表面与大气相通,外表面与废气相通,外表面还加装了一个防护套管,套管上开有通气槽。锆管的陶瓷体是多孔的,允许氧渗入该固体电解质内,温度较高时（高于300 ℃） ,氧气发生电离,如果在陶瓷体内（大气） 外（废气） 侧的氧气浓度不同,就会在2 个铂电极表面产生电压降,含氧量高的一侧为高电位。当混合气稀时,排气中含氧多,两侧浓度小,只产生小的电压；反之,混合气浓时,产生高电压。传感器的电压输出特性如图2 所示。根据所测电压值就可测量氧传感器外表面氧气含量,而发动机废气排放中的氧含量主要取决于混合气的空燃比,因此, ECU 根据氧传感器输入的电信号分析汽油的燃烧状况,以便及时修正喷油量,使空燃比处于理想状况,即λ=1 ,所以这种传感器又称为λ传感器。图2 氧化皓式氧传感器的电压输出特性 1. 2 氧化钛式氧传感器 氧化钛式氧传感器是利用二氧化钛（ TiO2） 材料的电阻值随排气中氧含量的变化而变化的特性构成的,故又称为电阻型氧传感器。二氧化钛是在室温下具有很高电阻的半导体,但当排气中氧含量少（混合气浓） 时,氧分子将脱离,使其晶体出现缺陷,便有更多的电子可用来传递电流,材料的电阻亦随之降低。此种现象与温度和氧含量有关,因此,欲将二氧化钛在300～900 ℃的排气温度中连续使用,必须作温度补偿。图3 为氧化钛式氧传感器的示意图,它具有2 个二氧化钛元件,一个是具有多孔性的用来感测排气中氧含量的二氧化钛陶瓷,另一个则为实心二氧化钛陶瓷,用作加热调节,补偿温度误差。该传感器外端以具有孔槽的金属管作为防护套,一方面让废气进出,另一方面防止里面二氧化钛元件受到外物撞击,传感器接线端以橡胶作为密封材料,防止外界气体渗入。它一般安装在排气歧管或尾管上,可借助排气高温将传感器加热至适当的工作温度。氧化钛式氧传感器的优点是结构简单,造价便宜,抗腐蚀、抗污染能力强,经久耐用,可靠性高。 图3 氧化钛式氧传感器结构示意图 2 氧传感器的故障原因 氧传感器的故障原因:氧传感器破碎失效；氧传感器内部进入油污或尘埃等沉积物,使传感器信号失真；使用含铅汽油使传感器中毒,而使其失效；此外,传感器橡胶垫及涂剂也会使传感器失效；电加热器故障也可能造成传感器在发动机起动及低温时不工作。氧传感器产生故障会造成其反馈信号出现异常,从而使电脑失去对混合气空燃比的调节。若混合气控制比不精确,会使排气净化恶化,因而必须及时排除故障或更换。 3 氧传感器的检测 氧传感器一般有单线、双线、三线、四线4 种引线形式。单线为氧化锆式氧传感器；双线为氧化钛式氧传感器；三线和四线为氧化锆式氧传感器。三线和四线的区别:三线氧传感器的加热器负极和信号输出负极共用一根线,四线氧传感器的加热器负极和信号负极分别各用一根线。图4 为四线氧化锆式氧传感器与ECU 的连接电路图。 图4 四线氧化皓式氧传感器与ECU的连接图 3. 1 氧传感器加热电阻丝电阻的检测 点火开关置于“OFF”位置,拔下氧传感器的导线连接器,用万用表的Ω 档测量氧传感器接线端中加热器端子和搭铁端子间的电阻,应为4～40 Ω ,若过大或过小,表示加热元件已损坏,应更换传感器。 3. 2 氧传感器反馈电压的检测拔下氧传感器插头,使发动机以2 500 r/ min 转速运转,电压应在0～1 V 变换（频率约50 次/ min） 。如电压保持在0 V 或1 V 不变,可用改变油门开度的办法人为地改变混合气浓度:突然踏下油门踏板时产生浓混合气,反馈电压应上升；突然松开油门时产生稀混合气,反馈电压应下降。如果没有变化,说明氧传感器已损坏,应更换。在检测氧传感器的反馈电压时,最好使用指针式万用表,以便直观地反应出反馈电压的变化情况,此外,电压表应是低量程和高阻抗的（阻抗太低会损坏传感器） 。氧传感器是否损坏,还可用简易方法判断:拔下氧传感器的插头,从插头处引入2 根导线,一根接线路的信号线电路,另一根接控制单元供应电压,两只手分别拿住线路两头,如果发动机的转速发生变化,即为氧传感器损坏,否则,为其它部位故障。 3. 3 氧化钛式氧传感器的检测 在采用上述方法检测时,良好的氧化钛式氧传感器输出端电压应以2. 5 V 为中心上下波动,否则,可拆下传感器并暴露在空气中,冷却后测量其电阻值。若阻值很大,说明传感器良好；反之,则传感器已损坏,应予更换。

一、按检测方式的不同，氧化锆氧探头分为两大类：采样检测式氧探头及直插式氧探头。1、采样检测式氧探头采样检测方式是通过导引管，将被测气体导入氧化锆检测室，再通过加热元件把氧化锆加热到工作温度（750℃以上）。氧化锆一般采用管状，电极采用多孔铂电极（如图2）。其优点是不受检测气体温度的影响，通过采用不同的导流管可以检测各种温度气体中的氧含量，这种灵活性被运用在许多工业在线检测上。其缺点是反应时间慢；结构复杂，容易影响检测精度；在被检测气体杂质较多时，采样管容易堵塞；多孔铂电极容易受到气体中的硫，砷等的腐蚀以及细小粉尘的堵塞而失效；加热器一般用电炉丝加热，寿命不长。在被检测气体温度较低（0℃～650℃），或被测气体较清洁时，适宜采样式检测方式，如制氮机测氧，实验室测氧等。2、直插检测式氧探头直插式检测是将氧化锆直接插入高温被测气体，直接检测气体中的氧含量，这种检测方式适宜被检测气体温度在700℃～1150℃时（特殊结构还可以用于1400℃的高温），它利用被测气体的高温使氧化锆达到工作温度，不需另外用加热器（如图3）。直插式氧探头的技术关键是陶瓷材料的高温密封和电极问题。以下列举了两种直插式氧探头的结构形式。

氧传感器利用了Nernst原理。2、其核心元件是多孔的ZrO2陶瓷管，它是一种固态电解质，两侧面分别烧结上多孔铂（Pt）电极。在一定温度下，由于两侧氧浓度不同，高浓度侧(陶瓷管内侧4)的氧分子被吸附在铂电极上与电子（4e）结合形成氧离子O2-，使该电极带正电，O2-离子通过电解质中的氧离子空位迁移到低氧浓度侧(废气侧)，使该电极带负电, 即产生电势差

结构和工作原理 在使用三效催化转化器降低排放污染的发动机上，氧传感器是必不可少的。三效催化转化器安装在排气管的中段，它能净化排气中CO、HC和NOx三种主要的有害成分，但只在混合气的空燃比处于接近理论空燃比的一个窄小范围内，三效催化转化器才能有效地起到净化作用。故在排气管中插入氧传感器，借检测废气中的氧浓度测定空燃比。并将其转换成电压信号或电阻信号，反馈给ECU。ECU控制空燃比收敛于理论值。 目前使用的氧传感器有氧化锆式和氧化钛式两种，其中应用最多的是氧化锆式氧传感器。 （1）氧化锆式氧传感器 氧化锆式氧传感器的基本元件是氧化锆陶瓷管（固体电解质），亦称锆管。锆管固定在带有安装螺纹的固定套中，内外表面均覆盖着一层多孔性的铅膜，其内表面与大气接触，外表面与废气接触。氧传感器的接线端有一个金属护套，其上开有一个用于锆管内腔与大气相通的孔；电线将锆管内表面铂极经绝缘套从此接线端引出。 氧化锆在温度超过300℃后，才能进行正常工作。早期使用的氧传感器靠排气加热，这种传感器必须在发动机起动运转数分钟后才能开始工作，它只有一根接线与ECU相连。现在，大部分汽车使用带加热器的氧传感器，这种传感器内有一个电加热元件，可在发动机起动后的20-30s内迅速将氧传感器加热至工作温度。它有三根接线，一根接ECU，另外两根分别接地和电源。 锆管的陶瓷体是多孔的，渗入其中的氧气，在温度较高时发生电离。由于锆管内、外侧氧含量不一致，存在浓差，因而氧离子从大气侧向排气一侧扩散，从而使锆管成为一个微电池，在两铂极间产生电压。当混合气的实际空燃比小于理论空燃比，即发动机以较浓的混合气运转时，排气中氧含量少，但CO、HC、H2等较多。这些气体在锆管外表面的铅催化作用下与氧发生反应，将耗尽排气中残余的氧，使锆管外表面氧气浓度变为零，这就使得锆管内、外侧氧浓差加大，两铅极间电压陡增。因此，锆管氧传感器产生的电压将在理论空燃比时发生突变：稀混合气时，输出电压几乎为零；浓混合气时，输出电压接近1V。 要准确地保持混合气浓度为理论空燃比是不可能的。实际上的反馈控制只能使混合气在理论空燃比附近一个狭小的范围内波动，故氧传感器的输出电压在之间不断变化（通常每10s内变化8次以上）。如果氧传感器输出电压变化过缓（每1Os少于8次）或电压保持不变（不论保持在高电位或低电位），则表明氧传感器有故障，需检修。 （2）氧化钛式氧传感器 氧化钛式氧传感器是利用二氧化钛材料的电阻值随排气中氧含量的变化而变化的特性制成的，故又称电阻型氧传感器。二氧化钛式氧传感器的外形和氧化锆式氧传感器相似，在传感器前端的护罩内是一个二氧化钛厚膜元件。纯二氧化钛在常温下是一种高电阻的半导体，但表面一旦缺氧，其品格便出现缺陷，电阻随之减小。由于二氧化钛的电阻也随温度不同而变化，因此，在二氧化钛式氧传感器内部也有一个电加热器，以保持氧化钛式氧传感器在发动机工作过程中的温度恒定不变。 如图 5所示，ECU 2#端子将一个恒定的1V电压加在氧化钛式氧传感器的一端上，传感器的另一端与ECU4#端子相接。当排出的废气中氧浓度随发动机混合气浓度变化而变化时，氧传感器的电阻随之改变，ECU4#端子上的电压降也随着变化。当4#端子上的电压高于参考电压时，ECU判定混合气过浓；当4#端子上的电压低于参考电压时，ECU判定混合气过稀。通过ECU的反馈控制，可保持混合气的浓度在理论空燃比附近。在实际的反馈控制过程中，二氧化钛式氧传感器与ECU连接的4#端子上的电压也是在之间不断变化，这一点与氧化锆式氧传感器是相似的。 2、氧传感器的检测 氧传感器的基本电路 （1）氧传感器加热器电阻的检测 点火开关置于“OFF”，拔下氧传感器的导线连接器，用万用表Ω档测量氧传感器接线端中加热器端子与自搭铁端子（图 6的端子1和2）间的电阻其电阻值应符合标准值（一般为4-40Ω；具体数值参见具体车型说明书）。如不符合标准，应更换氧传感器。测量后，接好氧传感器线束连接器，以便作进一步的检测。 （2）氧传感器反馈电压的检测 测量氧传感器反馈电压时，应先拔下氧传感器线束连接器插头，对照被测车型的电路图，从氧传感器反馈电压输出端引出一条细导线，然后插好连接器，在发动机运转时从引出线上测量反馈电压。有些车型也可以从故障诊断插座内测得氧传感器的反馈电压，如丰田汽车公司生产的小轿车，可从故障诊断插座内的OX1或OX2插孔内直接测得氧传感器反馈电压（丰田V型六缸发动机两侧排气管上各有一个氧传感器，分别和故障检测插座内的OX1和OX2插孔连接）。 在对氧传感器的反馈电压进行检测时，最好使用指针型的电压表，以便直观地反映出反馈电压的变化情况。此外，电压表应是低量程（通常为2V）和高阻抗（阻抗太低会损坏氧传感器）的。