氧傳感器的結(jié)構(gòu)：一篇文章看懂氧傳感器結(jié)構(gòu)原理

原標(biāo)題：一篇文章看懂氧傳感器結(jié)構(gòu)原理

作用

氧傳感器的作用即用來(lái)調(diào)整空燃比，在溫度達(dá)到約350℃以上時(shí)，氧傳感器開(kāi)始工作。在使用三元催化器以減少排氣污染的發(fā)動(dòng)機(jī)上，氧傳感器是必不可少的元件。由于混合氣的空燃比一旦偏離理論空燃比（理論空燃比14.7），三元催化劑對(duì)CO、HC和NOx的凈化能力將急劇下降，故在排氣管中安裝氧傳感器，用以檢測(cè)排氣中氧的濃度，并向ECM（行車(chē)電腦）發(fā)出反饋信號(hào)，再由ECM控制噴油器噴油量的增減，從而將混合氣的空燃比控制在理論值附近。

原理

氧傳感器的核心元件是傳感元，它是一種多孔介質(zhì)，常見(jiàn)的為ZrO2陶瓷管，它是一種固態(tài)電解質(zhì)，兩側(cè)面分別燒結(jié)上多孔鉑（Pt）電極。在一定溫度下，由于兩側(cè)氧濃度不同，高濃度側(cè)(陶瓷管內(nèi)側(cè)4)的氧分子被吸附在鉑電極上與電子（4e）結(jié)合形成氧離子O2-，使該電極帶正電，O2-離子通過(guò)電解質(zhì)中的氧離子空位遷移到低氧濃度側(cè)(廢氣側(cè))，使該電極帶負(fù)電, 即產(chǎn)生電勢(shì)差。

目前燃油車(chē)會(huì)配備兩個(gè)氧傳感器，前氧傳感器位于三元催化器之前，后氧傳感器位于三元催化器之后。

前氧：達(dá)到起燃溫度后，反饋調(diào)節(jié)，閉環(huán)控制空燃比

后氧：1.監(jiān)測(cè)三元催化器的轉(zhuǎn)化率（通過(guò)與前氧數(shù)據(jù)對(duì)比）

2.對(duì)空燃比進(jìn)行修正補(bǔ)償

通過(guò)以上可以看出如果前氧出現(xiàn)故障，會(huì)導(dǎo)致混合氣無(wú)法修正，造成油耗異常，后氧故障，則無(wú)法判斷三元催化器是否正常。所以如果氧傳感器出現(xiàn)故障要及時(shí)更換。

氧傳感器一般并沒(méi)有固定的更換周期，不過(guò)最好還是對(duì)達(dá)到10萬(wàn)公里以上的車(chē)對(duì)氧傳感器進(jìn)行一次更換，更換時(shí)要記得更換前氧和后氧。氧傳感器的價(jià)格一般在150-400塊之間。

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氧傳感器的結(jié)構(gòu)：氧傳感器的組成與工作原理

現(xiàn)在的汽車(chē)上主要運(yùn)用的氧傳感器有二氧化鋯氧傳感器、二氧化鈦氧傳感器及寬域型氧傳感器三種，下面將重點(diǎn)介紹二氧化鋯氧傳感器結(jié)構(gòu)、原理以及檢測(cè)方法。
氧傳感器的作用
氧傳感器用于檢測(cè)廢氣中的氧含量并獲得混合氣的空燃比濃稀信號(hào)，該信號(hào)輸入ECM后，ECM 根據(jù)該信號(hào)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使催化轉(zhuǎn)換器更好地發(fā)揮凈化作用。

二氧化鋯氧傳感器的組成結(jié)構(gòu)
二氧化鋯氧傳感器由鋯管（傳感元件）、電極和防護(hù)套管等組成，如下圖所示。鋯管是由含有少量釔的二氧化鋯（ZrO2）制成的固態(tài)電解質(zhì)元件，在鋯管內(nèi)、外兩側(cè)涂覆一層多孔性鉑膜電極。鋯管內(nèi)側(cè)通大氣，外側(cè)與排氣接觸。

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二氧化鋯氧傳感器的組成構(gòu)造（單線）
二氧化鋯氧傳感器的工作原理
工作時(shí)，在高溫廢氣沖刷下，氧氣發(fā)生電離，由于鋯管內(nèi)側(cè)氧離子濃度高，外側(cè)氧離子濃度低，在氧濃差作用下，氧離子從大氣側(cè)向排氣側(cè)擴(kuò)散，從而形成了氧濃度差電池，如下圖所示。

當(dāng)混合氣稀時(shí)，排氣中含氧量高，鋯管內(nèi)外兩側(cè)濃度差小，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)小，大約為100mV。
當(dāng)混合氣濃時(shí)，排氣中含氧量低，濃度差大，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)高，大約為900mV。電動(dòng)勢(shì)的高低以理論空燃比為界限發(fā)生突變，如下圖。

氧傳感器輸出特性曲線
氧傳感器的輸出特性與排氣溫度有關(guān)，當(dāng)排氣溫度低于300℃時(shí)，氧傳感器的輸出特性不穩(wěn)定。
發(fā)動(dòng)機(jī)剛剛啟動(dòng)后，由于排氣溫度偏低，氧傳感器不工作，發(fā)動(dòng)機(jī)在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下工作。只有排氣溫度升高后，氧傳感器才工作。所以，氧傳感器的安裝位置應(yīng)在排氣溫度較高處。
有的車(chē)型上安裝有排氣溫度傳感器，當(dāng)排氣溫度傳感器的信號(hào)達(dá)到一定值后ECU 才根據(jù)氧傳感器的信號(hào)進(jìn)行空燃比反饋修正一調(diào)整噴油量、控制混合氣的濃度，即發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始進(jìn)行閉環(huán)控制。

氧傳感器的結(jié)構(gòu)：氧傳感器的組成構(gòu)造 氧傳感器的作用介紹

目前，汽車(chē)上采用的氧傳感器有氧化鈦（TiO2）式和氧化鋯（ZrO2）式兩種。氧化鋯式氧傳感器又分為加熱型氧傳感器和非加熱型氧傳感器兩種。氧化鈦式氧傳感器本身帶有一個(gè)電加熱器。大部分汽車(chē)使用帶加熱器的氧傳感器，這種傳感器是在原來(lái)傳感器的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)陶瓷加熱元件用于加熱傳感器，可在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后的20~30s內(nèi)迅速將氧傳感器加熱至工作溫度，擴(kuò)大了空燃比閉環(huán)控制的工作范圍，故又稱為加熱型氧傳感器。
氧傳感器有一線制、二線制、三線制、四線制4種類型。一線制只有一根信號(hào)線與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU連接，傳感器的另一極直接搭鐵；二線制的兩根線均與ECU相連，一根為信號(hào)線，另一根進(jìn)入ECU后搭鐵；三線制、四線制均屬于加熱式氧傳感器，由于添加了兩根加熱電阻的接線，和氧傳感器信號(hào)線組合成為三線制或四線制。加熱電阻的兩根接線，一根直接接控制繼電器或主繼電器，接受12V加熱電源，一根由ECU控制搭鐵端，控制加熱電阻加熱時(shí)間。氧傳感器加熱器是正比例系數(shù)熱敏元件，在傳感器與線束斷開(kāi)的情況下，可以通過(guò)檢測(cè)加熱器的阻值來(lái)對(duì)加熱元件進(jìn)行檢測(cè)。▲ 氧傳感器的結(jié)構(gòu)圖
1—?dú)んw；2—陶瓷管支承；3—加熱電阻電纜；
4—帶槽的保護(hù)套；5—二氧化鋯；6—接觸元件；7—外保護(hù)套；9—加熱元件；9—電加熱觸頭；10—彈簧墊圈；11—氧傳感器信號(hào)
隨著排放法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，現(xiàn)在越來(lái)越多的車(chē)輛都在三元催化轉(zhuǎn)化器的前后端分別安裝了氧傳感器，稱為雙氧傳感器系統(tǒng)，一個(gè)在三元催化轉(zhuǎn)化器之前，稱作為主氧傳感器或上游氧傳感器，用于混合氣反饋控制，發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元根據(jù)主氧傳感器的反饋信號(hào)，增加或減少噴油量，將實(shí)際空燃比控制在理論空燃比附近；另一個(gè)位于三元催化轉(zhuǎn)化器之后，稱作副氧傳感器或下游氧傳感器，用于監(jiān)測(cè)三元催化轉(zhuǎn)化器的催化凈化效率。
當(dāng)三元催化轉(zhuǎn)化器損壞時(shí)，其轉(zhuǎn)化效率喪失，這時(shí)在其前后的排氣管中的氧氣量十分接近，幾乎相當(dāng)于沒(méi)有安裝三元催化轉(zhuǎn)化器，前、后兩個(gè)氧傳感器的信號(hào)電壓波形就趨于相同，并且電壓波動(dòng)范圍也趨于一致，此時(shí)表明三元催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化能力下降。
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氧傳感器的結(jié)構(gòu)：氧傳感器的結(jié)構(gòu)？

氧傳感器是進(jìn)行閉環(huán)反饋控制的主要元件之一,用于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒狀況,通過(guò)測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管內(nèi)廢氣中的氧含量（濃度） 判定空燃比,電子控制單元ECU 據(jù)此發(fā)出反饋信號(hào)不斷修正噴油量,使空燃比收斂于理論值（λ=1） 。其性能的好壞直接影響汽車(chē)的使用,因此,應(yīng)及時(shí)檢測(cè)、診斷并排除氧傳感器的故障,從而保障汽車(chē)的使用性能。1 　結(jié)構(gòu)與原理    空燃比一旦偏離理論空燃比, 三元催化劑對(duì)CO、HC 和NOx 的凈化能力將急劇下降。為了使裝有三元催化轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最佳的排氣凈化性能,必須把混合氣的空燃比控制在理論空燃比附近很窄的范圍內(nèi)。氧傳感器用于檢測(cè)進(jìn)入三元催化轉(zhuǎn)換裝置的排氣氣體狀態(tài),是使用三元催化轉(zhuǎn)換裝置發(fā)動(dòng)機(jī)上必不可少的傳感器。目前已在汽車(chē)上使用的氧傳感器有氧化鋯式和氧化鈦式兩種。     1. 1 　氧化鋯式氧傳感器       氧化鋯式氧傳感器（見(jiàn)圖1） 的基本元件是專用圖1 　氧化皓式氧傳感器在排氣管中的結(jié)構(gòu)陶瓷體,即氧化鋯（ZrO2） 固體電解質(zhì),陶瓷體制成管狀（鋯管） ,固定在帶有安裝螺紋的固定套中。鋯管表面裝有透氣鉑電極,配有護(hù)管及電接頭,其內(nèi)表面與大氣相通,外表面與廢氣相通,外表面還加裝了一個(gè)防護(hù)套管,套管上開(kāi)有通氣槽。鋯管的陶瓷體是多孔的,允許氧滲入該固體電解質(zhì)內(nèi),溫度較高時(shí)（高于300 ℃） ,氧氣發(fā)生電離,如果在陶瓷體內(nèi)（大氣） 外（廢氣） 側(cè)的氧氣濃度不同,就會(huì)在2 個(gè)鉑電極表面產(chǎn)生電壓降,含氧量高的一側(cè)為高電位。當(dāng)混合氣稀時(shí),排氣中含氧多,兩側(cè)濃度小,只產(chǎn)生小的電壓；反之,混合氣濃時(shí),產(chǎn)生高電壓。傳感器的電壓輸出特性如圖2 所示。根據(jù)所測(cè)電壓值就可測(cè)量氧傳感器外表面氧氣含量,而發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放中的氧含量主要取決于混合氣的空燃比,因此, ECU 根據(jù)氧傳感器輸入的電信號(hào)分析汽油的燃燒狀況,以便及時(shí)修正噴油量,使空燃比處于理想狀況,即λ=1 ,所以這種傳感器又稱為λ傳感器。圖2 　氧化皓式氧傳感器的電壓輸出特性     1. 2 　氧化鈦式氧傳感器     氧化鈦式氧傳感器是利用二氧化鈦（ TiO2） 材料的電阻值隨排氣中氧含量的變化而變化的特性構(gòu)成的,故又稱為電阻型氧傳感器。二氧化鈦是在室溫下具有很高電阻的半導(dǎo)體,但當(dāng)排氣中氧含量少（混合氣濃） 時(shí),氧分子將脫離,使其晶體出現(xiàn)缺陷,便有更多的電子可用來(lái)傳遞電流,材料的電阻亦隨之降低。此種現(xiàn)象與溫度和氧含量有關(guān),因此,欲將二氧化鈦在300～900 ℃的排氣溫度中連續(xù)使用,必須作溫度補(bǔ)償。圖3 為氧化鈦式氧傳感器的示意圖,它具有2 個(gè)二氧化鈦元件,一個(gè)是具有多孔性的用來(lái)感測(cè)排氣中氧含量的二氧化鈦陶瓷,另一個(gè)則為實(shí)心二氧化鈦陶瓷,用作加熱調(diào)節(jié),補(bǔ)償溫度誤差。該傳感器外端以具有孔槽的金屬管作為防護(hù)套,一方面讓廢氣進(jìn)出,另一方面防止里面二氧化鈦元件受到外物撞擊,傳感器接線端以橡膠作為密封材料,防止外界氣體滲入。它一般安裝在排氣歧管或尾管上,可借助排氣高溫將傳感器加熱至適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟取Ｑ趸伿窖鮽鞲衅鞯膬?yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)便宜,抗腐蝕、抗污染能力強(qiáng),經(jīng)久耐用,可靠性高。     圖3 　氧化鈦式氧傳感器結(jié)構(gòu)示意圖        2 　氧傳感器的故障原因      氧傳感器的故障原因:氧傳感器破碎失效；氧傳感器內(nèi)部進(jìn)入油污或塵埃等沉積物,使傳感器信號(hào)失真；使用含鉛汽油使傳感器中毒,而使其失效；此外,傳感器橡膠墊及涂劑也會(huì)使傳感器失效；電加熱器故障也可能造成傳感器在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)及低溫時(shí)不工作。氧傳感器產(chǎn)生故障會(huì)造成其反饋信號(hào)出現(xiàn)異常,從而使電腦失去對(duì)混合氣空燃比的調(diào)節(jié)。若混合氣控制比不精確,會(huì)使排氣凈化惡化,因而必須及時(shí)排除故障或更換。     3 　氧傳感器的檢測(cè)     氧傳感器一般有單線、雙線、三線、四線4 種引線形式。單線為氧化鋯式氧傳感器；雙線為氧化鈦式氧傳感器；三線和四線為氧化鋯式氧傳感器。三線和四線的區(qū)別:三線氧傳感器的加熱器負(fù)極和信號(hào)輸出負(fù)極共用一根線,四線氧傳感器的加熱器負(fù)極和信號(hào)負(fù)極分別各用一根線。圖4 為四線氧化鋯式氧傳感器與ECU 的連接電路圖。     圖4 　四線氧化皓式氧傳感器與ECU的連接圖    3. 1 　氧傳感器加熱電阻絲電阻的檢測(cè)     點(diǎn)火開(kāi)關(guān)置于“OFF”位置,拔下氧傳感器的導(dǎo)線連接器,用萬(wàn)用表的Ω 檔測(cè)量氧傳感器接線端中加熱器端子和搭鐵端子間的電阻,應(yīng)為4～40 Ω ,若過(guò)大或過(guò)小,表示加熱元件已損壞,應(yīng)更換傳感器。     3. 2 　氧傳感器反饋電壓的檢測(cè)拔下氧傳感器插頭,使發(fā)動(dòng)機(jī)以2 500 r/ min 轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn),電壓應(yīng)在0～1 V 變換（頻率約50 次/ min） 。如電壓保持在0 V 或1 V 不變,可用改變油門(mén)開(kāi)度的辦法人為地改變混合氣濃度:突然踏下油門(mén)踏板時(shí)產(chǎn)生濃混合氣,反饋電壓應(yīng)上升；突然松開(kāi)油門(mén)時(shí)產(chǎn)生稀混合氣,反饋電壓應(yīng)下降。如果沒(méi)有變化,說(shuō)明氧傳感器已損壞,應(yīng)更換。在檢測(cè)氧傳感器的反饋電壓時(shí),最好使用指針式萬(wàn)用表,以便直觀地反應(yīng)出反饋電壓的變化情況,此外,電壓表應(yīng)是低量程和高阻抗的（阻抗太低會(huì)損壞傳感器） 。氧傳感器是否損壞,還可用簡(jiǎn)易方法判斷:拔下氧傳感器的插頭,從插頭處引入2 根導(dǎo)線,一根接線路的信號(hào)線電路,另一根接控制單元供應(yīng)電壓,兩只手分別拿住線路兩頭,如果發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化,即為氧傳感器損壞,否則,為其它部位故障。     3. 3 　氧化鈦式氧傳感器的檢測(cè)      在采用上述方法檢測(cè)時(shí),良好的氧化鈦式氧傳感器輸出端電壓應(yīng)以2. 5 V 為中心上下波動(dòng),否則,可拆下傳感器并暴露在空氣中,冷卻后測(cè)量其電阻值。若阻值很大,說(shuō)明傳感器良好；反之,則傳感器已損壞,應(yīng)予更換。

答：部分氧傳感器采用二氧化鋯（一種在有氧氣的情況下能產(chǎn)生小電壓的陶瓷材料）作敏感元件，即在傳感器端部有一個(gè)由二氧化鋯做成的試管狀的套管，傳感器內(nèi)側(cè)通大氣，外側(cè)暴露在排氣中。發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣，穿過(guò)裝在排氣歧管中的氧傳感器的端部，與二氧化鋯的外側(cè)接觸。空氣從傳感器的另一端進(jìn)入，與套管的內(nèi)側(cè)接觸。套管的內(nèi)外表面覆蓋了薄層多孔鉑（白金）作為電極，內(nèi)表面是負(fù)極，外表面是正極。鉑起催化作用，使排氣中的氧與一氧化碳反應(yīng)，減少排氣中的含氧量，提高傳感器的靈敏度。一般在外側(cè)電極表面還有一個(gè)多孔氧化鋁陶瓷保護(hù)層，它可以防止廢氣燒蝕電極，但廢氣能夠滲進(jìn)保護(hù)層與電極接觸反應(yīng)。

氧傳感器采用二氧化鋯（一種在有氧氣的情況下能產(chǎn)生小電壓的陶瓷材料）作敏感元件，即在傳感器端部有一個(gè)由二氧化鋯做成的試管狀的套管，傳感器內(nèi)側(cè)通大氣，外側(cè)暴露在排氣中。發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣，穿過(guò)裝在排氣歧管中的氧傳感器的端部，與二氧化鋯的外側(cè)接觸。空氣從傳感器的另一端進(jìn)入，與套管的內(nèi)側(cè)接觸。套管的內(nèi)外表面覆蓋了薄層多孔鉑（白金）作為電極，內(nèi)表面是負(fù)極，外表面是正極。鉑起催化作用，使排氣中的氧與一氧化碳反應(yīng)，減少排氣中的含氧量，提高傳感器的靈敏度。一般在外側(cè)電極表面還有一個(gè)多孔氧化鋁陶瓷保護(hù)層，它可以防止廢氣燒蝕電極，但廢氣能夠滲進(jìn)保護(hù)層與電極接觸

1、氧傳感器：當(dāng)氧傳感器故障時(shí)，ECU無(wú)法獲取這些信息，就不知道噴射的汽油量是否正確，而不合適的油氣空燃比會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率降低，增加排放污染；
2、輪速傳感器：它主要是收集汽車(chē)的轉(zhuǎn)速來(lái)判斷汽車(chē)有沒(méi)有打滑的征兆，所以，就有一一個(gè)專門(mén)收集汽車(chē)輪速的傳感器來(lái)完成這項(xiàng)工作，一般安裝在每個(gè)車(chē)輪的輪轂上，而一旦傳感器損壞，ABS會(huì)失效；
3、水溫傳感器：當(dāng)水溫傳感器故障后，往往冷車(chē)啟動(dòng)時(shí)顯示的還是熱車(chē)時(shí)的溫度信號(hào)，ECU得不到正確的信號(hào)，只能供給發(fā)動(dòng)機(jī)較稀薄的混合氣，所以發(fā)動(dòng)機(jī)冷車(chē)不易啟動(dòng)，且還會(huì)伴隨怠速運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，加速動(dòng)力不足的問(wèn)題；
4、電子油門(mén)踏板位置傳感器：當(dāng)傳感器失效后，ECU無(wú)法測(cè)得油門(mén)位置信號(hào)，無(wú)法獲得油門(mén)門(mén)踏板的正確位置，所以會(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)加速無(wú)力的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)不能加速的情況；
5、進(jìn)氣壓力傳感器：進(jìn)氣壓力傳感器顧名思義就是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)不同的轉(zhuǎn)速負(fù)荷，感應(yīng)一系列的電阻和壓力變化，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，供ECU修正噴油量和點(diǎn)火正時(shí)角度。一般安裝在節(jié)氣門(mén)邊上，假如故障了會(huì)引起點(diǎn)火困難、怠速不穩(wěn)、加速無(wú)力等問(wèn)題。