氧传感器的结构：一篇文章看懂氧传感器结构原理

原标题：一篇文章看懂氧传感器结构原理

作用

氧传感器的作用即用来调整空燃比，在温度达到约350℃以上时，氧传感器开始工作。在使用三元催化器以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（理论空燃比14.7），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ECM（行车电脑）发出反馈信号，再由ECM控制喷油器喷油量的增减，从而将混合气的空燃比控制在理论值附近。

原理

氧传感器的核心元件是传感元，它是一种多孔介质，常见的为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。

目前燃油车会配备两个氧传感器，前氧传感器位于三元催化器之前，后氧传感器位于三元催化器之后。

前氧：达到起燃温度后，反馈调节，闭环控制空燃比

后氧：1.监测三元催化器的转化率（通过与前氧数据对比）

2.对空燃比进行修正补偿

通过以上可以看出如果前氧出现故障，会导致混合气无法修正，造成油耗异常，后氧故障，则无法判断三元催化器是否正常。所以如果氧传感器出现故障要及时更换。

氧传感器一般并没有固定的更换周期，不过最好还是对达到10万公里以上的车对氧传感器进行一次更换，更换时要记得更换前氧和后氧。氧传感器的价格一般在150-400块之间。

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氧传感器的结构：氧传感器的组成与工作原理

现在的汽车上主要运用的氧传感器有二氧化锆氧传感器、二氧化钛氧传感器及宽域型氧传感器三种，下面将重点介绍二氧化锆氧传感器结构、原理以及检测方法。
氧传感器的作用
氧传感器用于检测废气中的氧含量并获得混合气的空燃比浓稀信号，该信号输入ECM后，ECM 根据该信号调整发动机的喷油量，实现闭环控制，使催化转换器更好地发挥净化作用。

二氧化锆氧传感器的组成结构
二氧化锆氧传感器由锆管（传感元件）、电极和防护套管等组成，如下图所示。锆管是由含有少量钇的二氧化锆（ZrO2）制成的固态电解质元件，在锆管内、外两侧涂覆一层多孔性铂膜电极。锆管内侧通大气，外侧与排气接触。

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二氧化锆氧传感器的组成构造（单线）
二氧化锆氧传感器的工作原理
工作时，在高温废气冲刷下，氧气发生电离，由于锆管内侧氧离子浓度高，外侧氧离子浓度低，在氧浓差作用下，氧离子从大气侧向排气侧扩散，从而形成了氧浓度差电池，如下图所示。

当混合气稀时，排气中含氧量高，锆管内外两侧浓度差小，产生的电动势小，大约为100mV。
当混合气浓时，排气中含氧量低，浓度差大，产生的电动势高，大约为900mV。电动势的高低以理论空燃比为界限发生突变，如下图。

氧传感器输出特性曲线
氧传感器的输出特性与排气温度有关，当排气温度低于300℃时，氧传感器的输出特性不稳定。
发动机刚刚启动后，由于排气温度偏低，氧传感器不工作，发动机在开环状态下工作。只有排气温度升高后，氧传感器才工作。所以，氧传感器的安装位置应在排气温度较高处。
有的车型上安装有排气温度传感器，当排气温度传感器的信号达到一定值后ECU 才根据氧传感器的信号进行空燃比反馈修正一调整喷油量、控制混合气的浓度，即发动机开始进行闭环控制。

氧传感器的结构：氧传感器的组成构造 氧传感器的作用介绍

目前，汽车上采用的氧传感器有氧化钛（TiO2）式和氧化锆（ZrO2）式两种。氧化锆式氧传感器又分为加热型氧传感器和非加热型氧传感器两种。氧化钛式氧传感器本身带有一个电加热器。大部分汽车使用带加热器的氧传感器，这种传感器是在原来传感器的基础上，增加了一个陶瓷加热元件用于加热传感器，可在发动机启动后的20~30s内迅速将氧传感器加热至工作温度，扩大了空燃比闭环控制的工作范围，故又称为加热型氧传感器。
氧传感器有一线制、二线制、三线制、四线制4种类型。一线制只有一根信号线与发动机ECU连接，传感器的另一极直接搭铁；二线制的两根线均与ECU相连，一根为信号线，另一根进入ECU后搭铁；三线制、四线制均属于加热式氧传感器，由于添加了两根加热电阻的接线，和氧传感器信号线组合成为三线制或四线制。加热电阻的两根接线，一根直接接控制继电器或主继电器，接受12V加热电源，一根由ECU控制搭铁端，控制加热电阻加热时间。氧传感器加热器是正比例系数热敏元件，在传感器与线束断开的情况下，可以通过检测加热器的阻值来对加热元件进行检测。▲ 氧传感器的结构图
1—壳体；2—陶瓷管支承；3—加热电阻电缆；
4—带槽的保护套；5—二氧化锆；6—接触元件；7—外保护套；9—加热元件；9—电加热触头；10—弹簧垫圈；11—氧传感器信号
随着排放法规越来越严格，现在越来越多的车辆都在三元催化转化器的前后端分别安装了氧传感器，称为双氧传感器系统，一个在三元催化转化器之前，称作为主氧传感器或上游氧传感器，用于混合气反馈控制，发动机电控单元根据主氧传感器的反馈信号，增加或减少喷油量，将实际空燃比控制在理论空燃比附近；另一个位于三元催化转化器之后，称作副氧传感器或下游氧传感器，用于监测三元催化转化器的催化净化效率。
当三元催化转化器损坏时，其转化效率丧失，这时在其前后的排气管中的氧气量十分接近，几乎相当于没有安装三元催化转化器，前、后两个氧传感器的信号电压波形就趋于相同，并且电压波动范围也趋于一致，此时表明三元催化转化器转化能力下降。
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氧传感器的结构：氧传感器的结构？

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。

答：部分氧传感器采用二氧化锆（一种在有氧气的情况下能产生小电压的陶瓷材料）作敏感元件，即在传感器端部有一个由二氧化锆做成的试管状的套管，传感器内侧通大气，外侧暴露在排气中。发动机排出的废气，穿过装在排气歧管中的氧传感器的端部，与二氧化锆的外侧接触。空气从传感器的另一端进入，与套管的内侧接触。套管的内外表面覆盖了薄层多孔铂（白金）作为电极，内表面是负极，外表面是正极。铂起催化作用，使排气中的氧与一氧化碳反应，减少排气中的含氧量，提高传感器的灵敏度。一般在外侧电极表面还有一个多孔氧化铝陶瓷保护层，它可以防止废气烧蚀电极，但废气能够渗进保护层与电极接触反应。

氧传感器采用二氧化锆（一种在有氧气的情况下能产生小电压的陶瓷材料）作敏感元件，即在传感器端部有一个由二氧化锆做成的试管状的套管，传感器内侧通大气，外侧暴露在排气中。发动机排出的废气，穿过装在排气歧管中的氧传感器的端部，与二氧化锆的外侧接触。空气从传感器的另一端进入，与套管的内侧接触。套管的内外表面覆盖了薄层多孔铂（白金）作为电极，内表面是负极，外表面是正极。铂起催化作用，使排气中的氧与一氧化碳反应，减少排气中的含氧量，提高传感器的灵敏度。一般在外侧电极表面还有一个多孔氧化铝陶瓷保护层，它可以防止废气烧蚀电极，但废气能够渗进保护层与电极接触

1、氧传感器：当氧传感器故障时，ECU无法获取这些信息，就不知道喷射的汽油量是否正确，而不合适的油气空燃比会导致发动机功率降低，增加排放污染；
2、轮速传感器：它主要是收集汽车的转速来判断汽车有没有打滑的征兆，所以，就有一一个专门收集汽车轮速的传感器来完成这项工作，一般安装在每个车轮的轮毂上，而一旦传感器损坏，ABS会失效；
3、水温传感器：当水温传感器故障后，往往冷车启动时显示的还是热车时的温度信号，ECU得不到正确的信号，只能供给发动机较稀薄的混合气，所以发动机冷车不易启动，且还会伴随怠速运转不稳定，加速动力不足的问题；
4、电子油门踏板位置传感器：当传感器失效后，ECU无法测得油门位置信号，无法获得油门门踏板的正确位置，所以会出现发动机加速无力的现象，甚至出现发动机不能加速的情况；
5、进气压力传感器：进气压力传感器顾名思义就是随着发动机不同的转速负荷，感应一系列的电阻和压力变化，转换成电压信号，供ECU修正喷油量和点火正时角度。一般安装在节气门边上，假如故障了会引起点火困难、怠速不稳、加速无力等问题。