浅谈氧传感器的结构原理与检测
浅谈氧传感器的结构原理与检测
摘 要
汽车排出的废气造成环境污染，使人类的健康受到损害，而氧传感器-----人类的好朋友，它能减少汽车的废气的排放，减轻对环境的污染，是汽车的健康卫士，本文论述了氧传感器的结构原理，在此基础上，分析了氧传感器检测方法，使氧传感器保持了活力，提高了发动机的动力性 、经济性。
关键词：氧传感器、结构、工作原理、检测
当今社会汽车工业迅速发展，汽车的大量增加，为人们提供快速便捷的交通工具，但汽车尾气的大量排放，对环境造成的破坏，令人触目惊心，随着电子技术的迅猛发展，汽车尾气排放得到了一定的治理，如何合理有效的利用汽车尾气的净化装置，使汽车尾气排放达到要求，氧传感器的合理利用和检测是我们必须认真对待的一个问题。
一、氧传感器的概述
氧传感器是安装在汽油发动机排气管上的一个传感器，用来测定废气中的含氧量，然后将检测的结果及时反馈给电控单元，电控单元根据反馈结果对喷油器的喷油量进行修正，使发动机混合气的空燃比控制在理论空燃比（14.7：1）附近狭小的一个范围内，保证让三元催化反应装置发挥最佳的排气净化效果，从而提高发动机的动力性、经济性、环保性。
二、氧传感器的种类
目前在汽油发动机上广泛应用的氧传感器可分为发生电压变化的氧化锆型和发生电阻变化的氧化钛型两种，氧化锆型氧传感器安装灵活性大，测量范围宽，稳定性好；氧化钛型氧传感器结构简单，造价便宜，抗腐蚀抗污染能力强。
三、氧传感器的结构原理
（一）氧化锆式氧传感器的结构原理
1、氧化锆式氧化传感器的结构
氧化锆式氧传感器由二氧化锆管、起电极作用的衬套，以及防止氧化锆管损坏和导入汽车排气的带孔防护套管等构成。
氧化锆式氧传感器的形状犹如一只试管，在其两侧覆盖了一层薄的多孔铂电极，内侧电极和氧浓度高的大气接触，外侧电极与发动机排出的废气接触。为了防止高温废气烧蚀外侧电极，在其外侧电极的外表面还设置了多孔氧化铝陶瓷的保护层，并且还加装一个防护套管。
2、氧化锆的特性
氧化锆是一种具有氧离子传导性的固体电解质，在高温状态下，氧气发生电离，锆管内、外氧含量不一致时，在固定电解质内部氧离子从大气一侧向排气一侧扩散，就会在内、外电极间产生电动势，内、外侧氧浓度差值越大，电动势亦越大。当混合气稀时，排气中所含的氧浓度大，两侧氧浓度差值小，几乎不产生电动势。而当混合气浓时，排气中氧含量少，同时伴有较多的未完全燃烧的CO、HC、H2等这些气体，在锆管外表面的铂催化作用下，它们与氧发生反应，减少了排气中含氧量，使锆管外表面氧气浓度几乎变成零，此时，锆管内、外表面的氧浓度差值变得非常大，可产生约1V的电动势。在理论空燃比附近，氧传感器输出电压信号值有一突变，见图1-1。
氧传感器的工作温度较高（300℃以上），早期使用的氧传感器靠排气管的温度升温来工作（它与ECU的连接线只有一根或两根），现在大部分均采用加热型氧传感器，在锆管体内安装了加热元件（一般是加热线圈），通常发动机起动20S-30S后迅速将氧传感器加热到正常工作温度，以便发动机电控单元转入反馈控制，这种氧传感器与电控单元ECU相连有三根或四根线。
3、氧化锆式氧传感器的工作原理
发动机运转时，排出的废气流经锆管的外表面，在高温时氧分子发生电离，电离后的氧离子吸附在氧化锆管的内外表面上，由于大气中的氧气含量比废气中氧含量高，所以锆管内表面的氧离子比外表面的氧离子多，两侧氧离子的浓度差产生了电动势；当发动机以较浓的混合气运转时，废气中缺氧，锆管内外氧离子差值大，在两电极之间产生一个高电压（0.6-1V），这个电压信号被送到ECU，ECU把高电压信号看作是浓混合气，而把低电压信号看作是稀混合气，根据氧传感器传来的电压信号，电控单元通过控制喷油器的喷油量，使实际混合气尽可能接近14.7：1的标准混合气（亦称理论空燃比）。
对混合气空燃比的反馈控制过程需要一定的时间，这样就存在了一个滞后时间，要想将实际混合气的空燃比保持在理论空燃比（14.7：1）是不可能的。因此，实际控制的混合气空燃比总是保持在理论空燃比的附近一个狭小的范围内波动，氧传感器的输出电压也随之在0.1-0.9V之间不断变化，并且每10S内变化8次。如果每10S内少于8次或电压保持不变，说明反馈控制系统有故障，不能正常工作。
（二）氧化钛式氧传感器的结构原理
1、氧化钛式氧传感器的结构
氧化钛式氧传感器与氧化锆式氧传感器外形相似，但它体积较小，它是由二氧化钛元件、防护套、金属外壳等组成，其中二氧化钛元件有两个，一个是具有多孔性用来感测排气中氧含量的，另一个则为实心二氧化钛陶瓷用作加热调节、补偿温度的误差，该传感器外端以具有孔槽的金属管作为防护套，一方面让废气可进出，另一方面又可保护里面元件不受外力撞击。传感器接线端以橡胶来密封，防止外界气体渗入，它一般安装于排气歧管或尾管上，同时可借助排气高温将传感器加热至适当的工作温度。
2、二氧化钛的特性
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，但在一定温度范围内，当排气中氧含量少（混合气浓）时，二氧化钛表面缺氧，氧分子脱离，使其晶体出现空缺，于是便有更多的移动电子用来填补这些空缺，即形成了电流，材料的电阻也随之降低。在理论空燃比附近，氧传感器电阻值有一突变，见图1-2。
这种现象与温度和氧含量有关，因此，欲将传感器在300-900℃的排气温度中连续使用，必须做温度补偿，在其内部设置了一个电加热器。
3、氧化钛式氧传感器的工作原理
氧化钛式氧传感器采用了半导体材料二氧化钛，由于二氧化钛的电阻特性，所以当排气中氧含量少（混合气浓）时，氧分子脱离，便有更多 的电子用来传送电流，二氧化钛的电阻值也随之降低。而在稀混合气燃烧的排气中，氧含量多，氧分子脱离就少，二氧化钛的电阻值则较高，这样，电控单元就能从判别电阻值的高低来进行理论空燃比的控制。
4、电控单元的工作
电控单元ECU将1V电压加在氧化钛型氧传感器的正极，并将传感器负极上的电压降与电控单元设定的参考电压相比较，当氧传感器负极上的电压高于参考电压时，电控单元判定混合气过浓，于是控制减少喷油器的喷油量。当低于参考电压时，则判定混合气过稀，就增加喷油量。氧化钛式氧传感器通过这种反馈控制，使混合气的浓度保持在理论空燃比附近。
实际上，与氧化锆式氧传感器相似，氧化钛式氧传感器负极输给电控单元的电压也是在0.1-0.9V之间不断变化的，电压高，表示混合气浓，电压低，表示混合气稀。
四、氧传感器故障的检测
氧传感器使用时需要按照规定里程或时间间隔定期检测或更换（新型的氧传感器能保证行驶8-11万km），或者当发动机氧传感器的故障代码出现时，也应检测。
（一）氧传感器的故障现象
当氧传感器发生故障时，会出现：
发动机运转不平稳，工作粗暴，燃油经济性下降，加速性能差，排放超标，过早导致三元催化反应装置损坏等现象。
（二）氧传感器故障的原因
1、线路短路、断路。
2、电控单元的反馈控制电路有问题。
3、氧传感器失效
（1）是已到使用期限。
（2）是碳烟、铅化合物、硅胶、机油等物质沉积在氧传感器上，造成失效。
（3）是陶瓷芯损坏，外壳上的通气孔堵塞。
（三）线路检测
分静态检测和动态检测。
1、静态检测
检测氧传感器加热线圈供电电压；点火开关不打开（OFF）,拔下氧传感器的接线插头，打开点火开火（ON）,但不起动，检测电源接脚与搭铁之间的电压，其值应为12V，否则检测线路。
2、动态检测
（1）检测氧传感器信号电压。
不打开点火开关(OFF)，插上氧传感器的接线插头，打开点火开关(ON)，起动发动机并空载运行，检测氧传感器两插头之间信号电压应在0.1-0.9V之间并在此区间内摆动为正常。
（2）检测尾气中CO的变化。
将氧传感器的信号线拆下，将电控单元与氧传感器相接的插脚搭铁，起动发动机热车后，测量尾气中CO的变化，此时CO的值应上升，说明氧传感器到电控单元之间线路正常。
（四）氧传感器的检测
1、氧传感器加热器电阻的检测
拔下氧传感器接线插头，用欧姆表测量加热器两端子之间的电阻，其阻值参考具体车型说明书，一般为2-40Ω，如常温下无穷大,说明加热器断路,应更换氧传感器。测好后，接回氧传感器的导线插头，以便下一步的检测。
2、氧传感器反馈电压的测量
拔下氧传感器接线插头，从氧传感器反馈电压输出端引出一条细导线，然后插好接线插头，在发动机运转中从引出线上测量反馈电压。
（1）发动机起动热车。
将发动机起动后以2500r/min的转速连续运转2min,使氧传感器达到正常工作温度。
（2）电压表的表笔连接。
将电压表的负表笔接蓄电池的负极，正表笔接从氧传感器反馈电压输出端引出的细导线，或者插入故障检测插座内的OX孔内。
（3）灵敏度检测。
让发动机以2500r/min左右的转速继续运转，同时观察电压表指针是否在0.1-0.9V之间来回摆动，通常情况，指针应在0.45V上下摆动，10S内反馈电压的变化次数应等于或多于8次以上，这些现象说明氧传感器的灵敏度正常,否则,应当更换氧传感器。
（4）电压表指针摆动过慢。
如果电压表指针在10S内的摆动次数少于8次，说明氧传感器或反馈控制系统工作不正常，首先应考虑到有可能是氧传感器表面有积炭而使灵敏度下降，继续让发动机运转以清除积炭，然后再检查反馈电压，若指针变化缓慢，说明氧传感器损坏或电控单元反馈控制电路有故障。
（5）检测氧传感器的损坏。
将氧传感器与电控单元连线断开，将电压表的正表笔与氧传感器反馈电压输出端连接，在发动机运转中测反馈电压，当突然踩下加速踏板时，混合气变浓,观察电压表指针应在0.7-1.0之间摆动，此时反馈电压应上升，当突然松开加速踏板时，混合气变稀，反馈电压下降，如果反馈电压无变化，说明氧传感器已损坏。
3、通过观察氧传感器顶尖部位的颜色判断故障
（1）淡灰色顶尖：
这是氧传感器的正常颜色。
（2）棕色顶尖：
由铅污染造成（又称铅中毒），资料显示，使用含铅汽油只要行驶500km，铅化物会粘附在氧传感器表面，使氧传感器基本丧失信息反馈功能，此时，只能更换氧传感器，并换用无铅汽油。
（3）白色顶尖：
由硅污染造成（又称硅中毒），这是由于在维修发动机时使用了硅密封胶、硅密封圈等引起的，如果将它们安装在有机油流动的部位，硅胶会散发出有机硅气体，进入曲轴箱，经过废气再循环系统进入气缸，最终经过排气管排出后损坏氧传感器，另外，如果汽油和机油中含有的硅化合物过多，燃烧后生成的二氧化硅也会使氧传感器“中毒”失效。此时，必须换氧传感器，密封胶，并换用质量好的燃油和润滑油。
（4）黑色顶尖：
由积碳造成的，积碳沉积过多时，会影响氧传感器反馈信息的灵敏度，在排除发动机积碳故障后，一般可以自动清除氧传感器上的积碳。
如果氧传感器正常，就要检测与之相关的部件，如空气流量传感器、喷油器、节气门位置传感器等的损坏也会导致空燃比偏差无法修正。另外，最糟糕的情况是发动机电控单元损坏，这种情况下，它不仅不报告自身的故障，还会把责任推到氧传感器上。
氧传感器的正常工作，可以使电控单元对空燃比进行精确控制，让发动机处于最佳工作状态，与没有反馈控制的汽油机相比，采用了反馈控制，可使废气排放污染降低约20%，燃料消耗降低5-10%，发动机功率提高5-10%，提高了经济性、动力性，降低了排放污染，保护了生态环境。
参考文献：
[1]李柱成，舒华。《汽车电子控制装置使用维修技术》。北京：金盾出版社，2005。
[2]乔维高，《现代汽车电子装置结构原理与维修》。北京：高等教育出版社，2000。
[3]邓楚南，《轿车构造》。北京：人民交通出版社，1999。
[4]郑殿旺，《轿车维修新技术》，哈尔滨工业大学出版社，1998。
[5]贺建波，贺展开，《汽车传感器的检测》。北京：机械工业出版社，2005。
[6]李东江，吴维军，《汽车发动机电控系统的万用表检测》。北京：科学技术文献出版社，2002。
致 谢
本论文是在彭朝晖教授的关心指导下完成的，在此向指导老师彭朝晖教授表示衷心的感谢和由衷的敬意！
在论文的写作过程中，得到了授课老师的关心和教导，得到了同班同学的帮助，在此一并表示感谢！
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