一文讀懂氧傳感器

開車的朋友有時在某個時間，會發現在汽車發動機儀錶盤上會突然出現下面這個圖標。熟悉汽車的朋友都知道這是發動機自檢故障燈，如果汽車啟動後還是常亮的話，一般都表示發動機某個部位出現了故障。

發動機故障燈

如果車輛的年限比較久的話，很多情況下，這個故障燈一般都會和某個部件名詞相關——發動機氧傳感器。接下來，我們就和大家一起聊一聊這個與汽車發動機緊密相關的氧傳感器

氧傳感器

對汽車發動機而言，氧傳感器並不是一開始就存在的，為滿足環保部門日益嚴格的汽車排放要求，電噴發動機越來越得到廣泛應用，氧傳感器則是電噴發動機中的一個非常重要的部件。

在使用三元催化轉換器減少排氣汙染的發動機上，氧傳感器是必不可少的元件。由於混合氣的空燃比一旦偏離理論空燃比，三元催化劑對CO、HC和NOx的淨化能力將急劇下降，故在排氣管中安裝氧傳感器，用以檢測排氣中氧的濃度，並向ECU發出反饋信號，再由ECU根據來自氧傳感器的信號差別判斷空燃比的低或高，並相應地控制噴油持續的時間。

同時，氧傳感器還能彌補由於機械及其它件磨損而引起空燃比的誤差。可以說，它是電噴系統中唯一有「智能」的傳感器。

氧傳感器概念及工作原理

氧傳感器是利用陶瓷敏感元件測量各類加熱爐或排氣管道中的氧電勢，由化學平衡原理計算出對應的氧濃度，從而達到監測和控制燃燒空燃比，以保證產品質量及尾氣排放達標的測量元件。

其實，氧傳感器並不僅僅應用在汽車發動機，它還廣泛應用於各類煤燃燒、油燃燒、氣燃燒等爐體的氣成分控制，它是目前最佳的燃燒氣成分測量方式，具有結構簡單、響應迅速、維護容易、使用方便、測量準確等優點。運用該傳感器進行燃燒氣成分測量和控制既能穩定和提高產品質量，又可縮短生產周期，節約能源。

氧傳感器的結構

氧傳感器是利用了Nernst原理。其核心元件是一種多孔的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，由於兩側氧濃度不同，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, 即產生電位差，且濃度差越大，電位差越大。

大氣中氧的含量為21%，濃混合氣燃燒後的廢氣實際上不含氧，稀混合氣燃燒後生成的廢氣或因缺火產生的廢氣中含有較多的氧，但仍比大氣中的氧少得多。

在高溫及鉑的催化下，帶負電的氧離子吸附在氧化鋯套管的內外表面上。由於大氣中的氧氣比廢氣中的氧氣多，套管上與大氣相通一側比廢氣一側吸附更多的負離子，兩側離子的濃度差產生電動勢。

當套管廢氣一側的氧濃度低時，在電極之間產生一個高電壓(0。6～1V)，這個電壓信號被送到ECU放大處理，ECU把高電壓信號看作濃混合氣，而把低電壓信號看作稀混合氣。根據氧傳感器的電壓信號，電腦按照儘可能接近14.7：1的理論最佳空燃比來稀釋或加濃混合氣。

因此氧傳感器是電子控制燃油計量的關鍵傳感器。氧傳感器只有在高溫時(端部達到300°C以上)其特性才能充分體現，才能輸出電壓。它在約800°C時，對混合氣的變化反應最快，而在低溫時這種特性會發生很大變化。

氧傳感器的分類及特點

實際應用的氧傳感器有氧化鋯式氧傳感器和氧化鈦式氧傳感器兩種。而常見的氧傳感器又有單引線、雙引線和三根引線之分；單引線的為氧化鋯式氧傳感器；雙引線的為氧化鈦式氧傳感器；三根引線的為加熱型氧化鋯式氧傳感器，原則上三種引線方式的氧傳感器是不能替代使用的。

氧化鋯式氧傳感器

氧化鋯式氧傳感器結構

氧化鋯式氧傳感器主要由氧化鋯（ZrO2）、和護套組成。氧化鋯式氧傳感器有加熱式的和非加熱式的兩種。加熱式的氧傳感器在鋯管中間有加熱棒， 鋯管是由陶瓷體製成、固定在帶有安裝螺紋的固定套中。

導人排插入排氣管中，它的內表面與空氣相通，外表面與廢氣相通。鋯管的內、外表面覆蓋一層多孔性鉑膜作電極，為防止廢氣腐蝕鉑膜，在鋯管外表面的鉑膜層上覆蓋一層多孔陶瓷層，並有一個防護套管，套管上開有槽口或孔。

氧傳感器的接線端有一個金屬護套，上面開有孔，使鋯管內表面與空氣相通，電線將鋯管內表面鉑極經絕緣套從傳感器引出。

氧化鋯式傳感器結構

帶加熱的氧化鋯式傳感器結構

氧化鋯式氧傳感器特點

優點：結構簡單、響應迅速、維護容易、使用方便、測量準確。運用該傳感器進行燃燒氣氛測量和控制既能穩定和提高產品質量，又可縮短生產周期，節約能源。

缺點：其缺點是這種特性只有在溫度較高時（600℃左右）才充分體現出來。在低溫時，這種特性會發生很大變化。

氧化鈦式氧傳感器

氧化鈦式氧傳感器工作原理

相對於氧化鋯型的氧傳感器是以產生電壓的訊號，氧化鈦(TiO2)型則是利用電阻的變化來判別其中的含氧量。在某個溫度以上鈦與氧的結合微弱，在氧氣極少的情況下就必須放棄氧氣，因此缺氧而形成低電阻的氧化半導體。

相反的，若氧氣較多，則形成高電阻的狀態。就像水溫度傳感器一樣，有著電阻高低的變化，這時只要供給一參考電壓，即可由電壓來可知冷卻水的溫度。

氧化鈦式傳感器結構

氧化鈦式氧傳感器特點

氧化鈦式氧傳感器對比氧化鋯式氧傳感器的工作原理有很大的不同，它是利用多孔狀導體TiO2的導電性隨排氣中氧含量的變化而變化的特性製成的，故又稱電阻性氧傳感器。

這種傳感器的結構簡單、體積小、成本低，但是在300℃～900℃工作時，電阻值隨溫度變化較大，所以必須用溫度補償的方法來提高精度，通常用另一個實心TiO2導體作為溫度補償。

氧傳感器的未來發展

前面提到過，氧傳感器並不僅僅應用在汽車發動機，它還廣泛應用於各類燒煤、燒油、燒氣等爐體的氣成分控制，甚至在醫療領域也有廣泛應用。

但汽車行業是目前國際上應用傳感器的最大市場之一，而從世界各國公布的專利情況來看，氧傳感器的申報專利數，居汽車傳感器的首位。因此氧傳感器（氧探頭）的市場前景非常廣闊。

從目前情況來看，針對氧傳感器材料的研究重點應在以下幾個方面：

1、研究改進保護層材料，提高抗劣化性，增強透氣性。

汽油和機油中含有鉛、硫、磷等雜質，會使傳感器性能大幅下降．而灰塵、油、矽等成分則會堵塞傳感器保護層和電極。為此，需改進保護層材料，使傳感器元件抗劣化性能提高。

可採取的方式有使用吸附效果、催化作用好的材料，使雜質被吸附、聚集在保護層上並得到轉化。同時通過添加適當材料改進位造工藝．使保護層透氣性能增強，減小響應時間。

2、提高氧傳感器材料的環境適應性，延長使用壽命。

對於汽車用氧傳感器其工作環境很惡劣．工作時處於500℃～800℃的高溫下，平時還要承受一30℃左右的氣候溫度的影響。因此，擴大其工作溫度範圍，尤其是商溫區工作穩定性，耐久性，成為材料改進的一個方向。

同時整個元件在很大溫差快速變化下，其可靠性、抗劣化性的改進也是～個關鍵問題。普遍採取的方法是，從材料添加劑入手，改進電極材料、敏感材料在高溫時的穩定性，改進工藝，提高電極與敏感材料的附著力。

3、擴大空/燃比控制測量區域。實現廣域空/燃比的測量控制。

這樣可使氧傳感器能連續計量控測從過濃區域空/燃比向稀薄區域(貧油區)的整個狀態，實現廠域反饋控制。

4、提高測量、反饋信號的精確度，增強對瞬時變化狀態的反饋控制能力。

由子西方發達國家對排放廢氣法規的目趨嚴格，因而要求氧傳感器測量信號的精度不斷提高，以利於提高控制能力。同時對瞬時變化的排氣也要求做到及時測量修正。因此，這也成為改進材料性能的一個主要方向。

氧傳感器的作用

上世紀90年代，汽車排放汙染已日漸成為人們關注的熱門話題。隨著我國汽車排放法規的逐步規範和社會對汽車排放汙染物控制的重視，電噴發動機在我國開始普及。經過近二十年的發展，電噴發動機技術已日益成熟，而汽車排放汙染也得到了逐步控制，這都和發動機上一個重要的部件—氧傳感器密不可分。

確切地說，電噴發動機採用了混合氣成分的閉環控制和三元催化反應裝置的聯合使用技術，這是目前為止汽油機最有效的淨化排氣的方法。三元催化轉化器能有效地淨化CO,HC和NOx這三種有害氣體，但其淨化效率嚴格依賴於混合氣濃度必須保持在理論空燃比（14.7:1）附近的狹小範圍內。一旦混合氣體濃度偏離了這個範圍，三元催化轉化器淨化排氣汙染物的能力便急劇下降。正是由於空燃比的變化會引起排氣中氧濃度相應的變化，因此，便在排氣管中設置了氧傳感器。

氧傳感器隨時檢測排氣中的氧濃度，並隨時向汽車的電控單元反饋信號。電控單元根據反饋信號及時調整噴油量，如信號反映混合氣偏濃，則減少噴油時間；反之，則增加噴油時間，從而使混合氣的空燃比始終保持在理論空燃比附近。這就是所謂的發動機閉環控制。

氧傳感器是實現這一閉環控制必不可少的重要部件，它對發動機排放控制起著不可或缺的作用。現代電噴發動機一般裝有前後兩隻氧傳感器，三元催化轉化器效率監測，必須使用位於三元催化轉化器後方的第二個氧傳感器。當三元催化轉化器工作正常時，位於三元催化器前方的氧傳感器的變動次數應高於後方的氧傳感器，監測器比較前／後氧傳感器的變動次數來判定三元催化轉化器老化與否。

氧傳感器的常見故障

氧傳感器一旦出現故障，汽車電控單元就不能接收空燃比反饋信號，因而不能對空燃比進行反饋控制，會使發動機油耗和排氣汙染增加，發動機出現怠速不穩、缺火、喘振等故障現象。

1、氧傳感器中毒

氧傳感器中毒是經常出現並且較難防治的一種故障，氧傳感器頂尖部位的正常顏色為淡灰色，當頂尖部位的顏色為白色則是矽中毒，顏色為棕色則是鉛中毒。

隨著環保要求的日益提高，我國已全面禁止使用含鉛汽油，這也避免了氧傳感器鉛中毒的問題。

2、積碳

積碳的氧傳感器頂部是碳黑色的。積碳粘附在氧傳感器表面，讓對氧敏感材料不能與排氣充分接觸，積碳少的情況下，可能出現輸出信號失準，積碳過多的情況下，氧傳感器會完全失效。

3、氧傳感器陶瓷碎裂

氧化鋯氧傳感器的陶瓷硬並且脆，在安裝或維修過程中要避免用較硬的工具敲擊或者是用強烈氣流吹洗，這樣都有可能會使陶瓷碎裂，所以要特別注意。

4、加熱器電阻絲燒斷

加熱器電阻絲是給氧傳感器進行加熱，讓其可以提前進入工作狀態，如果加熱器電阻絲燒蝕，就很難使傳感器達到正常的工作溫度而失去作用。

5、氧傳感器內部線路斷脫

氧傳感器內部線路有很多是由線束和端子連接不良造成的，故障還可能是由於其它電系統幹涉和機械或化學損壞所造成的，有時會因為檢修或其它原因導致其線路斷路或脫落。

氧傳感器的檢測

1、氧傳感器加熱器電阻的檢測

將點火開關置於「OFF」，拔下氧傳感器的導線連接器，用萬用表歐姆擋測量氧傳感器接線端中加熱器端子與搭鐵端子間的電阻（具體端子請查閱相關車型的維修手冊），其電阻值應符合標準，一般為4～40Ω（具體數值參見具體車型說明書）。如不符合標準，應更換氧傳感器。測量後，重新連接好氧傳感器線束，以便作進一步的檢測。

2、氧傳感器反饋電壓的檢測

測量氧傳感器反饋電壓時，應先拔下氧傳感器線束連接器插頭，使用汽車電路測試跨接線進行測量，在發動機運轉時從引出線上測量反饋電壓。在對氧傳感器的反饋電壓進行檢測時，最好使用指針型的電壓表，以便直觀地反映出反饋電壓的變化情況。發動機氧傳感器反饋電壓檢測的具體步驟：

(1)、將發動機運轉至正常工作溫度。

(2)、把電壓表的負表筆連接搭鐵端或負極，正表筆接氧傳感器線束插頭上引出的測試線。

(3)、讓發動機以2500r/min左右的轉速保持運轉，同時檢查電壓表指針能否在0-1V之間來回擺動，記下10s內電壓表指針擺動次數。在正常情況下，隨著反饋控制的進行，氧傳感器的反饋電壓將在0.4V上下不斷變化，10s內反饋電壓的變化次數應不少於8次。如果使用數字萬用表，則記錄下變化的次數。

(4)、若電壓表指針在10s內的擺動次數等於或多於8次，則說明氧傳感器及反饋控制系統工作正常；電壓表指針若在10s內的擺動次數少於8次，則說明氧傳感器或反饋控制系統工作不正常，可能是氧傳感器表面有積碳而使靈敏度降低，此時應讓發動機以2500r/min的轉速運轉約2min，以清除氧傳感器表面的積碳；若電壓表指針變化依舊緩慢，則為氧傳感器損壞或ECU反饋控制電路有故障。

氧傳感器故障還可以通過觀察氧傳感器頂尖部位的顏色進行判斷：

1、淡灰色頂尖：這是氧傳感器的正常顏色；

2、白色頂尖：由矽汙染造成的，此時必須更換氧傳感器；

3、棕色頂尖：由鉛汙染造成的，如果嚴重，也必須更換氧傳感器；

4、黑色頂尖：由積碳造成的，在排除發動機積碳故障後，一般可以自動清除氧傳感器上的積碳。

氧傳感器的應用及主要品牌

汽車氧傳感器最早是由Bosch公司於1976年發明的，該產品一經問世就得到社會的廣泛關注和認同，一些大的汽車零部件配套企業也紛紛開發自己的氧傳感器，如通用、本田、豐田、日立、現代、大宇等汽車整車企業都有其專門配套的氧傳感器。後來，逐步形成了現在的幾大氧傳感器生產企業並存的格局。

現在，生產汽車氧傳感器的主要有Bosch、Delphi、Denso、NTK、Kefico等，以及其在各地的一些合資公司和子公司。其中Bosch公司為最大的氧傳感器生產企業。另外，國外一些陶瓷企業，依靠其強大的陶瓷開發能力，生產氧傳感器敏感元件和陶瓷加熱器，如日本京瓷。

世界知名的汽車氧傳感器品牌介紹

Bosch公司

博世公司於1976年研製出了世界上第一隻汽車氧傳感器，1982年又率先開發了加熱型汽車氧傳感器，能使汽車冷啟動後30s內進入完全工作狀態，1994年又開發出平面陶瓷結構氧傳感器，將反應時間縮短到10s。現在其每年的氧傳感器產量已超過3500萬隻，世界上許多中高檔車大都採用了博世氧傳感器。

Delphi公司

德爾福氧傳感器應用非常廣泛，除了在美國本部生產氧傳感器外，其與韓國大宇合作的KDAC公司、中國的德爾福萬源發動機管理系統有限公司、德爾福汽車系統國際公司、德爾福汽車系統技術開發有限公司等眾多公司也都提供氧傳感器，特別是在中國，幾乎所有的汽車生產企業都有用到德爾福或其在華公司提供的氧傳感器。

Denso公司

Denso公司生產氧傳感器的時間也比較早，其產品除為豐田汽車配套外，還供應英國捷豹、路虎、日本鈴木和我國的一汽、上海通用等汽車公司。電裝中國的氧傳感器生產企業主要集中在天津電裝電子有限公司，產品主要供應長安鈴木和四川豐田。

NTK／NGK公司

NGK公司從1982開始生產汽車氧傳感器，該公司具有從敏感元件到傳感器成品的全套生產技術。產品主要在日本本土生產，主要供應美國、歐洲和亞洲地區，現在汽車氧傳感器已成為該公司主產品之一，應用非常廣泛。

Kefico公司

Kefico公司是韓國現代汽車集團的子公司， 1993年開始生產氧傳感器，其產品主要為現代汽車及其合資公司配套。

UAES公司

UAES（聯合汽車電子有限公司）是由Bosch公司與上海汽車集團股份有限公司、無錫威孚高科技股份有限公司和西安崑崙工業（集團）公司等8家國內大型企業聯合投資，專業生產和經營車用電子產品。氧傳感器是其主要產品之一，產品主要供應上海通用、北汽、浙江吉利、安徽奇瑞、保定長城等汽車製造企業。

氧氣傳感器在醫療領域的應用

可攜式呼吸機上使用的氧氣含量檢測設備

可攜式呼吸機，是一種用於急救的醫療設備，在這種設備工作的時候，往往需要注意氧氣濃度的變化與氣體氣壓的變化，否則比較容易對正在搶救的患者的身體健康構成一定的威脅，所以在大多數的可攜式呼吸機上面就需要安裝一種測量氧氣濃度的設備，這就是氧氣傳感器。

國外新出現的高壓氧氣療法

目前，隨著醫療技術的提高，在國外已經出現了一種利用氧氣質量病人疾病的方式，它利用將壓縮的氧氣(氣壓高於普通大氣壓值)作用在病變處進行質量，這種質量方式對於熱燒傷、 視網膜動脈硬化、一氧化碳中毒、腦外傷、慢性疲勞、免疫功能紊亂以及氣性壞疽等病症有著很好的了解，這也會是氧氣傳感器在醫療行業的最新應用之一。

另外，氧傳感器還廣泛用於石油、化工、煤炭、冶金、造紙、消防、市政、氣體排放監測等行業。

在我國，氧傳感器方面得到了國家政策的大力支持，進展比較快，但目前絕大多數氧傳感還限於工業氧檢測和水融氧檢測方面，在汽車氧感器方面很少。近年來，國內許多科研院所也開始汽車用氧傳感器的研究開發，如西安交大、北科大、北京航空航天大學、中國原子能科學研究院等，相信不久的將來，我們一定能我們生產的汽車上用上我們自己研發的汽車氧傳感器。