氧傳感器的結構：一篇文章看懂氧傳感器結構原理

原標題：一篇文章看懂氧傳感器結構原理

作用

氧傳感器的作用即用來調整空燃比，在溫度達到約350℃以上時，氧傳感器開始工作。在使用三元催化器以減少排氣污染的發動機上，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，用以檢測排氣中氧的濃度，并向ECM（行車電腦）發出反饋信號，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，常見的為ZrO2陶瓷管，它是一種固態電解質，兩側面分別燒結上多孔鉑（Pt）電極。在一定溫度下，由于兩側氧濃度不同，高濃度側(陶瓷管內側4)的氧分子被吸附在鉑電極上與電子（4e）結合形成氧離子O2-，使該電極帶正電，O2-離子通過電解質中的氧離子空位遷移到低氧濃度側(廢氣側)，使該電極帶負電, 即產生電勢差。

目前燃油車會配備兩個氧傳感器，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：達到起燃溫度后，反饋調節，閉環控制空燃比

后氧：1.監測三元催化器的轉化率（通過與前氧數據對比）

2.對空燃比進行修正補償

通過以上可以看出如果前氧出現故障，會導致混合氣無法修正，造成油耗異常，后氧故障，則無法判斷三元催化器是否正常。所以如果氧傳感器出現故障要及時更換。

氧傳感器一般并沒有固定的更換周期，不過最好還是對達到10萬公里以上的車對氧傳感器進行一次更換，更換時要記得更換前氧和后氧。氧傳感器的價格一般在150-400塊之間。

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氧傳感器的結構：氧傳感器的組成與工作原理

現在的汽車上主要運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，下面將重點介紹二氧化鋯氧傳感器結構、原理以及檢測方法。
氧傳感器的作用
氧傳感器用于檢測廢氣中的氧含量并獲得混合氣的空燃比濃稀信號，該信號輸入ECM后，ECM 根據該信號調整發動機的噴油量，實現閉環控制，使催化轉換器更好地發揮凈化作用。

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

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二氧化鋯氧傳感器的組成構造（單線）
二氧化鋯氧傳感器的工作原理
工作時，在高溫廢氣沖刷下，氧氣發生電離，由于鋯管內側氧離子濃度高，外側氧離子濃度低，在氧濃差作用下，氧離子從大氣側向排氣側擴散，從而形成了氧濃度差電池，如下圖所示。

當混合氣稀時，排氣中含氧量高，鋯管內外兩側濃度差小，產生的電動勢小，大約為100mV。
當混合氣濃時，排氣中含氧量低，濃度差大，產生的電動勢高，大約為900mV。電動勢的高低以理論空燃比為界限發生突變，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，當排氣溫度低于300℃時，氧傳感器的輸出特性不穩定。
發動機剛剛啟動后，由于排氣溫度偏低，氧傳感器不工作，發動機在開環狀態下工作。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在排氣溫度較高處。
有的車型上安裝有排氣溫度傳感器，當排氣溫度傳感器的信號達到一定值后ECU 才根據氧傳感器的信號進行空燃比反饋修正一調整噴油量、控制混合氣的濃度，即發動機開始進行閉環控制。

氧傳感器的結構：氧傳感器的組成構造 氧傳感器的作用介紹

目前，汽車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電加熱器。大部分汽車使用帶加熱器的氧傳感器，這種傳感器是在原來傳感器的基礎上，增加了一個陶瓷加熱元件用于加熱傳感器，可在發動機啟動后的20~30s內迅速將氧傳感器加熱至工作溫度，擴大了空燃比閉環控制的工作范圍，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線與發動機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，一根為信號線，另一根進入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間。氧傳感器加熱器是正比例系數熱敏元件，在傳感器與線束斷開的情況下，可以通過檢測加熱器的阻值來對加熱元件進行檢測。▲ 氧傳感器的結構圖
1—殼體；2—陶瓷管支承；3—加熱電阻電纜；
4—帶槽的保護套；5—二氧化鋯；6—接觸元件；7—外保護套；9—加熱元件；9—電加熱觸頭；10—彈簧墊圈；11—氧傳感器信號
隨著排放法規越來越嚴格，現在越來越多的車輛都在三元催化轉化器的前后端分別安裝了氧傳感器，稱為雙氧傳感器系統，一個在三元催化轉化器之前，稱作為主氧傳感器或上游氧傳感器，用于混合氣反饋控制，發動機電控單元根據主氧傳感器的反饋信號，增加或減少噴油量，將實際空燃比控制在理論空燃比附近；另一個位于三元催化轉化器之后，稱作副氧傳感器或下游氧傳感器，用于監測三元催化轉化器的催化凈化效率。
當三元催化轉化器損壞時，其轉化效率喪失，這時在其前后的排氣管中的氧氣量十分接近，幾乎相當于沒有安裝三元催化轉化器，前、后兩個氧傳感器的信號電壓波形就趨于相同，并且電壓波動范圍也趨于一致，此時表明三元催化轉化器轉化能力下降。
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氧傳感器的結構：氧傳感器的結構？

氧傳感器是進行閉環反饋控制的主要元件之一,用于檢測發動機的燃燒狀況,通過測定發動機排氣管內廢氣中的氧含量（濃度） 判定空燃比,電子控制單元ECU 據此發出反饋信號不斷修正噴油量,使空燃比收斂于理論值（λ=1） 。其性能的好壞直接影響汽車的使用,因此,應及時檢測、診斷并排除氧傳感器的故障,從而保障汽車的使用性能。1 　結構與原理    空燃比一旦偏離理論空燃比, 三元催化劑對CO、HC 和NOx 的凈化能力將急劇下降。為了使裝有三元催化轉換裝置的發動機達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。氧傳感器用于檢測進入三元催化轉換裝置的排氣氣體狀態,是使用三元催化轉換裝置發動機上必不可少的傳感器。目前已在汽車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構陶瓷體,即氧化鋯（ZrO2） 固體電解質,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,配有護管及電接頭,其內表面與大氣相通,外表面與廢氣相通,外表面還加裝了一個防護套管,套管上開有通氣槽。鋯管的陶瓷體是多孔的,允許氧滲入該固體電解質內,溫度較高時（高于300 ℃） ,氧氣發生電離,如果在陶瓷體內（大氣） 外（廢氣） 側的氧氣濃度不同,就會在2 個鉑電極表面產生電壓降,含氧量高的一側為高電位。當混合氣稀時,排氣中含氧多,兩側濃度小,只產生小的電壓；反之,混合氣濃時,產生高電壓。傳感器的電壓輸出特性如圖2 所示。根據所測電壓值就可測量氧傳感器外表面氧氣含量,而發動機廢氣排放中的氧含量主要取決于混合氣的空燃比,因此, ECU 根據氧傳感器輸入的電信號分析汽油的燃燒狀況,以便及時修正噴油量,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體,但當排氣中氧含量少（混合氣濃） 時,氧分子將脫離,使其晶體出現缺陷,便有更多的電子可用來傳遞電流,材料的電阻亦隨之降低。此種現象與溫度和氧含量有關,因此,欲將二氧化鈦在300～900 ℃的排氣溫度中連續使用,必須作溫度補償。圖3 為氧化鈦式氧傳感器的示意圖,它具有2 個二氧化鈦元件,一個是具有多孔性的用來感測排氣中氧含量的二氧化鈦陶瓷,另一個則為實心二氧化鈦陶瓷,用作加熱調節,補償溫度誤差。該傳感器外端以具有孔槽的金屬管作為防護套,一方面讓廢氣進出,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的工作溫度。氧化鈦式氧傳感器的優點是結構簡單,造價便宜,抗腐蝕、抗污染能力強,經久耐用,可靠性高。     圖3 　氧化鈦式氧傳感器結構示意圖        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；氧傳感器內部進入油污或塵埃等沉積物,使傳感器信號失真；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使傳感器失效；電加熱器故障也可能造成傳感器在發動機起動及低溫時不工作。氧傳感器產生故障會造成其反饋信號出現異常,從而使電腦失去對混合氣空燃比的調節。若混合氣控制比不精確,會使排氣凈化惡化,因而必須及時排除故障或更換。     3 　氧傳感器的檢測     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。三線和四線的區別:三線氧傳感器的加熱器負極和信號輸出負極共用一根線,四線氧傳感器的加熱器負極和信號負極分別各用一根線。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     點火開關置于“OFF”位置,拔下氧傳感器的導線連接器,用萬用表的Ω 檔測量氧傳感器接線端中加熱器端子和搭鐵端子間的電阻,應為4～40 Ω ,若過大或過小,表示加熱元件已損壞,應更換傳感器。     3. 2 　氧傳感器反饋電壓的檢測拔下氧傳感器插頭,使發動機以2 500 r/ min 轉速運轉,電壓應在0～1 V 變換（頻率約50 次/ min） 。如電壓保持在0 V 或1 V 不變,可用改變油門開度的辦法人為地改變混合氣濃度:突然踏下油門踏板時產生濃混合氣,反饋電壓應上升；突然松開油門時產生稀混合氣,反饋電壓應下降。如果沒有變化,說明氧傳感器已損壞,應更換。在檢測氧傳感器的反饋電壓時,最好使用指針式萬用表,以便直觀地反應出反饋電壓的變化情況,此外,電壓表應是低量程和高阻抗的（阻抗太低會損壞傳感器） 。氧傳感器是否損壞,還可用簡易方法判斷:拔下氧傳感器的插頭,從插頭處引入2 根導線,一根接線路的信號線電路,另一根接控制單元供應電壓,兩只手分別拿住線路兩頭,如果發動機的轉速發生變化,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      在采用上述方法檢測時,良好的氧化鈦式氧傳感器輸出端電壓應以2. 5 V 為中心上下波動,否則,可拆下傳感器并暴露在空氣中,冷卻后測量其電阻值。若阻值很大,說明傳感器良好；反之,則傳感器已損壞,應予更換。

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生小電壓的陶瓷材料）作敏感元件，即在傳感器端部有一個由二氧化鋯做成的試管狀的套管，傳感器內側通大氣，外側暴露在排氣中。發動機排出的廢氣，穿過裝在排氣歧管中的氧傳感器的端部，與二氧化鋯的外側接觸。空氣從傳感器的另一端進入，與套管的內側接觸。套管的內外表面覆蓋了薄層多孔鉑（白金）作為電極，內表面是負極，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，減少排氣中的含氧量，提高傳感器的靈敏度。一般在外側電極表面還有一個多孔氧化鋁陶瓷保護層，它可以防止廢氣燒蝕電極，但廢氣能夠滲進保護層與電極接觸反應。

氧傳感器采用二氧化鋯（一種在有氧氣的情況下能產生小電壓的陶瓷材料）作敏感元件，即在傳感器端部有一個由二氧化鋯做成的試管狀的套管，傳感器內側通大氣，外側暴露在排氣中。發動機排出的廢氣，穿過裝在排氣歧管中的氧傳感器的端部，與二氧化鋯的外側接觸。空氣從傳感器的另一端進入，與套管的內側接觸。套管的內外表面覆蓋了薄層多孔鉑（白金）作為電極，內表面是負極，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，減少排氣中的含氧量，提高傳感器的靈敏度。一般在外側電極表面還有一個多孔氧化鋁陶瓷保護層，它可以防止廢氣燒蝕電極，但廢氣能夠滲進保護層與電極接觸

1、氧傳感器：當氧傳感器故障時，ECU無法獲取這些信息，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導致發動機功率降低，增加排放污染；
2、輪速傳感器：它主要是收集汽車的轉速來判斷汽車有沒有打滑的征兆，所以，就有一一個專門收集汽車輪速的傳感器來完成這項工作，一般安裝在每個車輪的輪轂上，而一旦傳感器損壞，ABS會失效；
3、水溫傳感器：當水溫傳感器故障后，往往冷車啟動時顯示的還是熱車時的溫度信號，ECU得不到正確的信號，只能供給發動機較稀薄的混合氣，所以發動機冷車不易啟動，且還會伴隨怠速運轉不穩定，加速動力不足的問題；
4、電子油門踏板位置傳感器：當傳感器失效后，ECU無法測得油門位置信號，無法獲得油門門踏板的正確位置，所以會出現發動機加速無力的現象，甚至出現發動機不能加速的情況；
5、進氣壓力傳感器：進氣壓力傳感器顧名思義就是隨著發動機不同的轉速負荷，感應一系列的電阻和壓力變化，轉換成電壓信號，供ECU修正噴油量和點火正時角度。一般安裝在節氣門邊上，假如故障了會引起點火困難、怠速不穩、加速無力等問題。