一文读懂氧传感器(必须收藏)

传感器技术 2020-06-07

 

开车的朋友有时在某个时间,会发现在汽车发动机仪表盘上会突然出现下面这个图标。熟悉汽车的朋友都知道这是发动机自检故障灯,如果汽车启动后还是常亮的话,一般都表示发动机某个部位出现了故障。

 


发动机故障灯


如果车辆的年限比较久的话,很多情况下,这个故障灯一般都会和某个部件名词相关——发动机氧传感器。接下来,我们就和大家一起聊一聊这个与汽车发动机紧密相关的氧传感器

 


氧传感器


对汽车发动机而言,氧传感器并不是一开始就存在的,为满足环保部门日益严格的汽车排放要求,电喷发动机越来越得到广泛应用,氧传感器则是电喷发动机中的一个非常重要的部件。

 

在使用三元催化转换器减少排气污染的发动机上,氧传感器是必不可少的元件。由于混合气的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,故在排气管中安装氧传感器,用以检测排气中氧的浓度,并向ECU发出反馈信号,再由ECU根据来自氧传感器的信号差别判断空燃比的低或高,并相应地控制喷油持续的时间。


同时,氧传感器还能弥补由于机械及其它件磨损而引起空燃比的误差。可以说,它是电喷系统中唯一有“智能”的传感器。

 

氧传感器概念及工作原理

 

氧传感器是利用陶瓷敏感元件测量各类加热炉或排气管道中的氧电势,由化学平衡原理计算出对应的氧浓度,从而达到监测和控制燃烧空燃比,以保证产品质量及尾气排放达标的测量元件。

 

其实,氧传感器并不仅仅应用在汽车发动机,它还广泛应用于各类煤燃烧、油燃烧、气燃烧等炉体的气成分控制,它是目前最佳的燃烧气成分测量方式,具有结构简单、响应迅速、维护容易、使用方便、测量准确等优点。运用该传感器进行燃烧气成分测量和控制既能稳定和提高产品质量,又可缩短生产周期,节约能源。

 


氧传感器的结构



氧传感器内部结构


氧传感器是利用了Nernst原理。其核心元件是一种多孔的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, 即产生电位差,且浓度差越大,电位差越大。

 

大气中氧的含量为21%,浓混合气燃烧后的废气实际上不含氧,稀混合气燃烧后生成的废气或因缺火产生的废气中含有较多的氧,但仍比大气中的氧少得多。 


在高温及铂的催化下,带负电的氧离子吸附在氧化锆套管的内外表面上。由于大气中的氧气比废气中的氧气多,套管上与大气相通一侧比废气一侧吸附更多的负离子,两侧离子的浓度差产生电动势。


当套管废气一侧的氧浓度低时,在电极之间产生一个高电压(0。6~1V),这个电压信号被送到ECU放大处理,ECU把高电压信号看作浓混合气,而把低电压信号看作稀混合气。根据氧传感器的电压信号,电脑按照尽可能接近14.7:1的理论最佳空燃比来稀释或加浓混合气。


因此氧传感器是电子控制燃油计量的关键传感器。氧传感器只有在高温时(端部达到300°C以上)其特性才能充分体现,才能输出电压。它在约800°C时,对混合气的变化反应最快,而在低温时这种特性会发生很大变化。

 

氧传感器的分类及特点

 

实际应用的氧传感器有氧化锆式氧传感器和氧化钛式氧传感器两种。而常见的氧传感器又有单引线、双引线和三根引线之分;单引线的为氧化锆式氧传感器;双引线的为氧化钛式氧传感器;三根引线的为加热型氧化锆式氧传感器,原则上三种引线方式的氧传感器是不能替代使用的。

 

 

氧化锆式氧传感器


氧化锆式氧传感器结构

氧化锆式氧传感器主要由氧化锆(ZrO2)、和护套组成。氧化锆式氧传感器有加热式的和非加热式的两种。加热式的氧传感器在锆管中间有加热棒, 锆管是由陶瓷体制成、固定在带有安装螺纹的固定套中。


导人排插入排气管中,它的内表面与空气相通,外表面与废气相通。锆管的内、外表面覆盖一层多孔性铂膜作电极,为防止废气腐蚀铂膜,在锆管外表面的铂膜层上覆盖一层多孔陶瓷层,并有一个防护套管,套管上开有槽口或孔。


氧传感器的接线端有一个金属护套,上面开有孔,使锆管内表面与空气相通,电线将锆管内表面铂极经绝缘套从传感器引出。



氧化锆式传感器结构



带加热的氧化锆式传感器结构


氧化锆式氧传感器特点

优点:结构简单、响应迅速、维护容易、使用方便、测量准确。运用该传感器进行燃烧气氛测量和控制既能稳定和提高产品质量,又可缩短生产周期,节约能源。


缺点:其缺点是这种特性只有在温度较高时(600℃左右)才充分体现出来。在低温时,这种特性会发生很大变化。

 

 

氧化钛式氧传感器


氧化钛式氧传感器工作原理

相对于氧化锆型的氧传感器是以产生电压的讯号,氧化钛(TiO2)型则是利用电阻的变化来判别其中的含氧量。在某个温度以上钛与氧的结合微弱,在氧气极少的情况下就必须放弃氧气,因此缺氧而形成低电阻的氧化半导体。


相反的,若氧气较多,则形成高电阻的状态。就像水温度传感器一样,有着电阻高低的变化,这时只要供给一参考电压,即可由电压来可知冷却水的温度。



氧化钛式传感器结构


氧化钛式氧传感器特点

氧化钛式氧传感器对比氧化锆式氧传感器的工作原理有很大的不同,它是利用多孔状导体TiO2的导电性随排气中氧含量的变化而变化的特性制成的,故又称电阻性氧传感器。


这种传感器的结构简单、体积小、成本低,但是在300℃~900℃工作时,电阻值随温度变化较大,所以必须用温度补偿的方法来提高精度,通常用另一个实心TiO2导体作为温度补偿。

 

氧传感器的未来发展

 

前面提到过,氧传感器并不仅仅应用在汽车发动机,它还广泛应用于各类烧煤、烧油、烧气等炉体的气成分控制,甚至在医疗领域也有广泛应用。


但汽车行业是目前国际上应用传感器的最大市场之一,而从世界各国公布的专利情况来看,氧传感器的申报专利数,居汽车传感器的首位。因此氧传感器(氧探头)的市场前景非常广阔。

 

从目前情况来看,针对氧传感器材料的研究重点应在以下几个方面:

 

1、研究改进保护层材料,提高抗劣化性,增强透气性。

汽油和机油中含有铅、硫、磷等杂质,会使传感器性能大幅下降.而灰尘、油、硅等成分则会堵塞传感器保护层和电极。为此,需改进保护层材料,使传感器元件抗劣化性能提高。


可采取的方式有使用吸附效果、催化作用好的材料,使杂质被吸附、聚集在保护层上并得到转化。同时通过添加适当材料改进制造工艺.使保护层透气性能增强,减小响应时间。

 

2、提高氧传感器材料的环境适应性,延长使用寿命。

对于汽车用氧传感器其工作环境很恶劣.工作时处于500℃~800℃的高温下,平时还要承受一30℃左右的气候温度的影响。因此,扩大其工作温度范围,尤其是商温区工作稳定性,耐久性,成为材料改进的一个方向。


同时整个元件在很大温差快速变化下,其可靠性、抗劣化性的改进也是~个关键问题。普遍采取的方法是,从材料添加剂入手,改进电极材料、敏感材料在高温时的稳定性,改进工艺,提高电极与敏感材料的附着力。

 

3、扩大空/燃比控制测量区域。实现广域空/燃比的测量控制。

这样可使氧传感器能连续计量控测从过浓区域空/燃比向稀薄区域(贫油区)的整个状态,实现厂域反馈控制。

 

4、提高测量、反馈信号的精确度,增强对瞬时变化状态的反馈控制能力

由子西方发达国家对排放废气法规的目趋严格,因而要求氧传感器测量信号的精度不断提高,以利于提高控制能力。同时对瞬时变化的排气也要求做到及时测量修正。因此,这也成为改进材料性能的一个主要方向。


氧传感器的作用

 

上世纪90年代,汽车排放污染已日渐成为人们关注的热门话题。随着我国汽车排放法规的逐步规范和社会对汽车排放污染物控制的重视,电喷发动机在我国开始普及。经过近二十年的发展,电喷发动机技术已日益成熟,而汽车排放污染也得到了逐步控制,这都和发动机上一个重要的部件—氧传感器密不可分。

 

确切地说,电喷发动机采用了混合气成分的闭环控制和三元催化反应装置的联合使用技术,这是目前为止汽油机最有效的净化排气的方法。三元催化转化器能有效地净化CO,HC和NOx这三种有害气体,但其净化效率严格依赖于混合气浓度必须保持在理论空燃比(14.7:1)附近的狭小范围内。一旦混合气体浓度偏离了这个范围,三元催化转化器净化排气污染物的能力便急剧下降。正是由于空燃比的变化会引起排气中氧浓度相应的变化,因此,便在排气管中设置了氧传感器。

 

氧传感器随时检测排气中的氧浓度,并随时向汽车的电控单元反馈信号。电控单元根据反馈信号及时调整喷油量,如信号反映混合气偏浓,则减少喷油时间;反之,则增加喷油时间,从而使混合气的空燃比始终保持在理论空燃比附近。这就是所谓的发动机闭环控制。

 

氧传感器是实现这一闭环控制必不可少的重要部件,它对发动机排放控制起着不可或缺的作用。现代电喷发动机一般装有前后两只氧传感器,三元催化转化器效率监测,必须使用位于三元催化转化器后方的第二个氧传感器。当三元催化转化器工作正常时,位于三元催化器前方的氧传感器的变动次数应高于后方的氧传感器,监测器比较前/后氧传感器的变动次数来判定三元催化转化器老化与否。 

 



氧传感器的常见故障

 

氧传感器一旦出现故障,汽车电控单元就不能接收空燃比反馈信号,因而不能对空燃比进行反馈控制,会使发动机油耗和排气污染增加,发动机出现怠速不稳、缺火、喘振等故障现象。

 

1、氧传感器中毒

 

氧传感器中毒是经常出现并且较难防治的一种故障,氧传感器顶尖部位的正常颜色为淡灰色,当顶尖部位的颜色为白色则是硅中毒,颜色为棕色则是铅中毒。

 

随着环保要求的日益提高,我国已全面禁止使用含铅汽油,这也避免了氧传感器铅中毒的问题。

 

2、积碳

 

积碳的氧传感器顶部是碳黑色的。积碳粘附在氧传感器表面,让对氧敏感材料不能与排气充分接触,积碳少的情况下,可能出现输出信号失准,积碳过多的情况下,氧传感器会完全失效。

 

3、氧传感器陶瓷碎裂

 

氧化锆氧传感器的陶瓷硬并且脆,在安装或维修过程中要避免用较硬的工具敲击或者是用强烈气流吹洗,这样都有可能会使陶瓷碎裂,所以要特别注意。

 

4、加热器电阻丝烧断

 

加热器电阻丝是给氧传感器进行加热,让其可以提前进入工作状态,如果加热器电阻丝烧蚀,就很难使传感器达到正常的工作温度而失去作用。 

 

5、氧传感器内部线路断脱

 

氧传感器内部线路有很多是由线束和端子连接不良造成的,故障还可能是由于其它电系统干涉和机械或化学损坏所造成的,有时会因为检修或其它原因导致其线路断路或脱落。

 

氧传感器的检测

 

1、氧传感器加热器电阻的检测

 

将点火开关置于“OFF”,拔下氧传感器的导线连接器,用万用表欧姆挡测量氧传感器接线端中加热器端子与搭铁端子间的电阻(具体端子请查阅相关车型的维修手册),其电阻值应符合标准,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,重新连接好氧传感器线束,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,使用汽车电路测试跨接线进行测量,在发动机运转时从引出线上测量反馈电压。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。发动机氧传感器反馈电压检测的具体步骤:


(1)、将发动机运转至正常工作温度。


(2)、把电压表的负表笔连接搭铁端或负极,正表笔接氧传感器线束插头上引出的测试线。

 

(3)、让发动机以2500r/min左右的转速保持运转,同时检查电压表指针能否在0-1V之间来回摆动,记下10s内电压表指针摆动次数。在正常情况下,随着反馈控制的进行,氧传感器的反馈电压将在0.4V上下不断变化,10s内反馈电压的变化次数应不少于8次。如果使用数字万用表,则记录下变化的次数。


(4)、若电压表指针在10s内的摆动次数等于或多于8次,则说明氧传感器及反馈控制系统工作正常;电压表指针若在10s内的摆动次数少于8次,则说明氧传感器或反馈控制系统工作不正常,可能是氧传感器表面有积碳而使灵敏度降低,此时应让发动机以2500r/min的转速运转约2min,以清除氧传感器表面的积碳;若电压表指针变化依旧缓慢,则为氧传感器损坏或ECU反馈控制电路有故障。

 

氧传感器故障还可以通过观察氧传感器顶尖部位的颜色进行判断:

 

1、淡灰色顶尖:这是氧传感器的正常颜色;

2、白色顶尖:由硅污染造成的,此时必须更换氧传感器;

3、棕色顶尖:由铅污染造成的,如果严重,也必须更换氧传感器;

4、黑色顶尖:由积碳造成的,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。

  

氧传感器的应用及主要品牌

 

汽车氧传感器最早是由Bosch公司于1976年发明的,该产品一经问世就得到社会的广泛关注和认同,一些大的汽车零部件配套企业也纷纷开发自己的氧传感器,如通用、本田、丰田、日立、现代、大宇等汽车整车企业都有其专门配套的氧传感器。后来,逐步形成了现在的几大氧传感器生产企业并存的格局。

 

现在,生产汽车氧传感器的主要有Bosch、Delphi、Denso、NTK、Kefico等,以及其在各地的一些合资公司和子公司。其中Bosch公司为最大的氧传感器生产企业。另外,国外一些陶瓷企业,依靠其强大的陶瓷开发能力,生产氧传感器敏感元件和陶瓷加热器,如日本京瓷。

 

 

世界知名的汽车氧传感器品牌介绍

 

Bosch公司




博世公司于1976年研制出了世界上第一只汽车氧传感器,1982年又率先开发了加热型汽车氧传感器,能使汽车冷启动后30s内进入完全工作状态,1994年又开发出平面陶瓷结构氧传感器,将反应时间缩短到10s。现在其每年的氧传感器产量已超过3500万只,世界上许多中高档车大都采用了博世氧传感器。

 

Delphi公司




德尔福氧传感器应用非常广泛,除了在美国本部生产氧传感器外,其与韩国大宇合作的KDAC公司、中国的德尔福万源发动机管理系统有限公司、德尔福汽车系统国际公司、德尔福汽车系统技术开发有限公司等众多公司也都提供氧传感器,特别是在中国,几乎所有的汽车生产企业都有用到德尔福或其在华公司提供的氧传感器。

 

Denso公司




Denso公司生产氧传感器的时间也比较早,其产品除为丰田汽车配套外,还供应英国捷豹、路虎、日本铃木和我国的一汽、上海通用等汽车公司。电装中国的氧传感器生产企业主要集中在天津电装电子有限公司,产品主要供应长安铃木和四川丰田。

 

NTK/NGK公司




NGK公司从1982开始生产汽车氧传感器,该公司具有从敏感元件到传感器成品的全套生产技术。产品主要在日本本土生产,主要供应美国、欧洲和亚洲地区,现在汽车氧传感器已成为该公司主产品之一,应用非常广泛。

 

Kefico公司




Kefico公司是韩国现代汽车集团的子公司, 1993年开始生产氧传感器,其产品主要为现代汽车及其合资公司配套。

 

UAES公司




UAES(联合汽车电子有限公司)是由Bosch公司与上海汽车集团股份有限公司、无锡威孚高科技股份有限公司和西安昆仑工业(集团)公司等8家国内大型企业联合投资,专业生产和经营车用电子产品。氧传感器是其主要产品之一,产品主要供应上海通用、北汽、浙江吉利、安徽奇瑞、保定长城等汽车制造企业。

 

 

氧气传感器在医疗领域的应用

 

便携式呼吸机上使用的氧气含量检测设备

 



便携式呼吸机,是一种用于急救的医疗设备,在这种设备工作的时候,往往需要注意氧气浓度的变化与气体气压的变化,否则比较容易对正在抢救的患者的身体健康构成一定的威胁,所以在大多数的便携式呼吸机上面就需要安装一种测量氧气浓度的设备,这就是氧气传感器。

 

国外新出现的高压氧气疗法 




目前,随着医疗技术的提高,在国外已经出现了一种利用氧气质量病人疾病的方式,它利用将压缩的氧气(气压高于普通大气压值)作用在病变处进行质量,这种质量方式对于热烧伤、 视网膜动脉硬化、一氧化碳中毒、脑外伤、慢性疲劳、免疫功能紊乱以及气性坏疽等病症有着很好的了解,这也会是氧气传感器在医疗行业的最新应用之一。

 

另外,氧传感器还广泛用于石油、化工、煤炭、冶金、造纸、消防、市政、气体排放监测等行业。

 


在我国,氧传感器方面得到了国家政策的大力支持,进展比较快,但目前绝大多数氧传感还限于工业氧检测和水融氧检测方面,在汽车氧感器方面很少。近年来,国内许多科研院所也开始汽车用氧传感器的研究开发,如西安交大、北科大、北京航空航天大学、中国原子能科学研究院等,相信不久的将来,我们一定能我们生产的汽车上用上我们自己研发的汽车氧传感器。


- END -



  



制造业的未来是智能化,智能化的基础就是传感器;互联网的方向是物联网,物联网的基石也是传感器;

 

《传感器技术》汇编了一套各种传感器的基础知识,介绍了各种传感器的原理。



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