氧化锆式氧传感器
传感器 电化学 氧化锆
传感器电化学氧化锆氧化锆（Zirconia）是一种具有重要应用价值的材料，尤其是在传感器和电化学领域。
它的化学式是ZrO2，具有高熔点、高电阻率、高催化性和良好的热、力学性能等优点。
因此，氧化锆已经广泛应用于气体和液体传感器、电化学传感器和其它相关设备中。
氧化锆在传感器领域的应用主要体现在气体浓度检测和液体参数监测。
其中，气体浓度检测主要包括氧气浓度和气体成分检测。
氧化锆氧传感器基于氧化锆的电化学性质，利用其在高温下与氧气发生反应生成氧离子的特性，通过测量氧离子浓度的变化来检测气体中氧气的浓度。
这种传感器广泛应用于燃烧控制、车辆尾气监测和生命科学等领域。
另外，氧化锆还可以用于检测其它气体成分，如CO2、CO、NOx等，适用于环境监测、工业过程控制等应用场合。
除了气体传感器，氧化锆在液体参数监测中也有广泛应用。
例如，氧化锆pH传感器通过测量液体中氧离子和阳离子的浓度变化来监测液体的pH值。
这种传感器通常用于化学、医疗和生物技术领域，广泛应用于水质监测、生物反应器控制等。
此外，氧化锆还可以用于测量液体中的电导率、温度等参数，对于工业过程控制和环境监测等具有重要作用。
在电化学领域，氧化锆也是一个重要的材料。
由于氧化锆具有高催化性和良好的电化学性能，它被广泛应用于电化学传感器和电化学催化剂中。
电化学传感器是一种通过测量电流、电势或阻抗变化来检测物质浓度或参数变化的传感器。
氧化锆基的电化学传感器通常通过改变表面的电势来实现对物质浓度或参数变化的检测。
这种传感器广泛应用于环境监测、生命科学和工业过程控制等领域。
此外，氧化锆还可以作为电化学催化剂，在电化学反应中发挥催化作用。
例如，氧化锆可以用作氧还原反应的催化剂，促进氧气在电极表面的还原和氧化反应。
这种催化剂常用于燃料电池、电解水制氢等系统中，对于能源领域具有重要意义。
综上所述，氧化锆在传感器和电化学领域具有广泛的应用价值。
通过利用氧化锆的电化学性质和催化性能，可以开发出高精度、高灵敏度的传感器，并且在物质浓度检测和参数监测中具有重要作用。
氧传感器的检测及故障案例
氧传感器的检测及故障案例1、结构和工作原理在使用三效催化转化器降低排放污染的发动机上，氧传感器是必不可少的。
三效催化转化器安装在排气管的中段，它能净化排气中CO、HC和NO某三种主要的有害成分，但只在混合气的空燃比处于接近理论空燃比的一个窄小范围内，三效催化转化器才能有效地起到净化作用。
故在排气管中插入氧传感器，借检测废气中的氧浓度测定空燃比。
并将其转换成电压信号或电阻信号，反馈给ECU。
ECU控制空燃比收敛于理论值。
目前使用的氧传感器有氧化锆式和氧化钛式两种，其中应用最多的是氧化锆式氧传感器。
（1）氧化锆式氧传感器氧化锆式氧传感器的基本元件是氧化锆陶瓷管（固体电解质），亦称锆管图1。
锆管固定在带有安装螺纹的固定套中，内外表面均覆盖着一层多孔性的铅膜，其内表面与大气接触，外表面与废气接触。
氧传感器的接线端有一个金属护套，其上开有一个用于锆管内腔与大气相通的孔；电线将锆管内表面铂极经绝缘套从此接线端引出。
氧化锆在温度超过300℃后，才能进行正常工作。
早期使用的氧传感器靠排气加热，这种传感器必须在发动机起动运转数分钟后才能开始工作，它只有一根接线与ECU相连（图2a）。
现在，大部分汽车使用带加热器的氧传感器（图2b），这种传感器内有一个电加热元件，可在发动机起动后的20-30内迅速将氧传感器加热至工作温度。
它有三根接线，一根接ECU，另外两根分别接地和电源锆管的陶瓷体是多孔的，渗入其中的氧气，在温度较高时发生电离。
由于锆管内、外侧氧含量不一致，存在浓差，因而氧离子从大气侧向排气一侧扩散，从而使锆管成为一个微电池，在两铂极间产生电压（图3）。
当混合气的实际空燃比小于理论空燃比，即发动机以较浓的混合气运转时，排气中氧含量少，但CO、HC、H2等较多。
这些气体在锆管外表面的铅催化作用下与氧发生反应，将耗尽排气中残余的氧，使锆管外表面氧气浓度变为零，这就使得锆管内、外侧氧浓差加大，两铅极间电压陡增。
因此，锆管氧传感器产生的电压将在理论空燃比时发生突变：稀混合气时，输出电压几乎为零；浓混合气时，输出电压接近1V。
汽车发动机维修氧传感器的检测与更换
氧传感器的检测程序如下图所示。
（2）丰田COROLLA车4A-C、4A-GE和 4A-FE发动机氧传感器的检测。
测量氧传感器加热电阻
2）氧传感器反馈电压的检测
（1）丰田V形六缸发动机氧传感器反馈电压检测 。
①将发动机热车至正常工作温度（或起动后以 2500r/min的转速连续运转2min）。 ②把电压表的负极测笔接故障诊断插座内的E1插孔 或蓄电池负极，正极测笔接故障检测插座内的OX1或 OX2插孔或接氧传感器线束插头上的引出线,如下图 。
c.接上并设置好波形测试设备。 d.起动发动机，并使发动机在2500r/min下运 转2~3min。
e.使发动机怠速运转。
f.打开丙烷开关，加注丙烷，直到氧传感器 输出的信号电压升高，此时一个运行正常的 燃油反馈控制系统会试图将氧传感器的信号 电压向变小的方向拉回；再继续缓慢地加注 丙烷，直到该系统失去将混合气变稀的能力 ；再继续加注丙烷，直到发动机转速下降 100~200r/min。这个操作步骤须在20~25s 内完成。
汽车发动机维修氧传感 器的检测与更换
2024年2月8日星期四
任务要求
1.知道氧传感器的作用、种类和 工作原理；
2.分析发动机开环控制和闭环控 制对发动机的影响；
3.正确检测氧传感器的波形并根 据波形判断氧传感器是否损坏；
4.分析由氧传感器引起的故障
理论知识
1.氧传感器的安装位置 2.氧传感器作用、种类和工作原理 3.氧传感器的检测
1-主继电器；2-氧传感器；3-发动ECU
氧化锆氧传感器工作原理
氧化锆氧传感器工作原理
氧化锆氧传感器是一种使用氧化锆材料作为传感元件的气体传感器。
其工作原理基于氧化锆对氧气敏感的特性。
氧化锆是一种具有高离子电导率的固体材料，当氧分子与氧化锆接触时，氧分子会从气相中被电子从氧化锆表面弹出，生成氧化锆表面上的氧空缺。
这些氧空缺会导致氧化锆晶体形成正电静电场。
当氧气含量较高时，氧分子与氧化锆的接触频率较高，氧空缺较少，正电静电场较小。
而当氧气含量较低时，氧分子与氧化锆的接触频率较低，氧空缺较多，正电静电场较大。
氧化锆氧传感器利用这种特性来测量氧气含量。
传感器的结构中包含两个氧化锆电极，其中一个电极暴露在待测气体中，另一个电极则绝缘不被气体接触。
这两个电极之间的空间中装填着一种离子传导液体，该液体允许氧离子在两个电极之间传递。
当氧气含量较高时，氧化锆电极上的氧分子被电子弹出，产生氧空缺，形成正电静电场。
这个正电静电场会促使氧离子从暴露在气体中的电极传导到绝缘电极，引起电流流动。
而当氧气含量较低时，氧化锆电极上的氧空缺增加，正电静电场增大，导致更多的氧离子传导。
因此，氧化锆氧传感器的输出电流与氧气含量呈线性关系。
通过测量传感器的输出电流，可以确定待测气体中的氧气含量。
这种氧化锆氧传感器具有高灵敏度、快速响应、稳定可靠等优
点，因此广泛应用于空气质量监测、工业过程控制、环境监测等领域。
氧化锆式氧传感器的性能与应用
氧化锆式氧传感器的性能与应用摘要：氧传感器安装在排气管上，将检测到的废气中氧浓度的电信号传递给ECU，ECU根据此信号对喷油和废气再循环量进行反馈控制，为尾气净化装置（如三元催化转换器、存储式NOx净化器等）提供良好的外部环境，从而降低尾气排放，以满足严格的排放法规。
氧传感器性能的优劣对于尾气净化的效果起着关键作用。
本文通过简述氧化锆式氧传感器的工作原理，重点论述了氧化锆式氧传感器的类型、性能特点、应用及发展情况，并阐述了其使用方法和注意事项。
关键词：氧化锆式氧传感器；性能；应用；发展1 氧化锆式氧传感工作原理1.1 氧传感器类型根据检测电信号不同：可分为氧化锆式氧传感器和二氧化钛（Ti02）式氧传感器，前者为电压型，后者为电阻型。
发动机电控系统常用氧化锆式氧传感器（下文氧传感器均为氧化锆式氧传感器）。
1.2 氧传感器的工作原理当气缸内混合气空燃比较浓时，排放气体中的氧气比较少，大气中的氧通过二氧化锆管在两电极（通常为Pt电极）间通过氧的渗透产生较大的电压（1V）左右；反之，当空燃比较低时，排气管中氧气浓度较高，大气中的氧通过二氧化锆管在两电极（Pt电极）间氧通过氧的渗透产生较小的电压（0V）左右。
因此，氧传感器是一个反应排气管氧含量浓稀的一个开关，形象地称为是一个随时向ECU反馈空燃比信息的“通信员”。
ECU则根据反馈来的氧传感器信号及时调整喷油量（喷油脉宽），如信号反映混合气较浓，则减少喷油时间；反之，如信号反映较稀，则延长喷油时间。
从而使混合气的空燃比始终保持在理论空燃比（14.7：1）附近，这就是氧传感器闭环控制或氧传感器反馈控制。
2 氧化锆式氧传感器的应用与发展2.1 普通型氧化锆传感器氧化锆式传感器的基本元件是氧化锆管。
氧化锆管固定在带有安装螺纹的固定套内，在氧化锆管的内、外表面均覆盖着一薄层铂（Pt）作为电极，传感器内侧通大气，外侧直接与排气管中的废气接触。
在氧化锆管外表面的铂层上，还覆盖着一层多孔的陶瓷涂层，并加有带槽的防护套管，用来防止废气对铂电极产生腐蚀；在传感器的线束连接器端有金属护套，其上设有小孔，以便使氧化锆管内侧通大气。
氧传感器的原理
氧传感器，也称为λ传感器，主要应用在汽车排放控制系统中，用于测量发动机排放气体中的氧含量。
它的工作原理基于一个化学反应，即氧化锆（ZrO2）的离子传导性质会随着氧分压的变化而改变。
在氧传感器的结构中，有一个陶瓷体，其一侧通入发动机排气管中的废气，另一侧则通入外界空气。
由于两侧的氧气浓度不同，就会在氧化锆陶瓷体内产生电势差。
当混合气的空燃比（A/F）偏离理论空燃比时，排气中的氧含量也会随之变化，从而导致氧传感器输出的电压信号发生变化。
具体来说，当混合气偏稀（A/F>14.7）时，排气中的氧含量较高，传感器的输出电压较低（接近0V）；反之，当混合气偏浓（A/F<14.7）时，排气中的氧含量较低，传感器的输出电压较高（接近1V）。
因此，通过监测氧传感器的输出电压，就可以判断出发动机混合气的空燃比情况。
在现代汽车中，氧传感器的作用不仅仅局限于排放控制。
它还被用于燃油喷射控制、点火提前角控制等多个系统中，以实现更精确、更经济的燃烧控制。
例如，在燃油喷射控制系统中，ECU（发动机控制单元）会根据氧传感器的反馈信号来调整喷油量，以保证发动机在各种工况下都能获得最佳的燃烧效率。
此外，氧传感器还需要定期维护和更换。
因为长时间在高温、高湿、高污染的环境下工作，会导致传感器的老化、失效或堵塞。
一般来说，建议每行驶XX至XX万公里就检查或更换一次氧传感器。
这样可以确保发动机的性能和排放都能保持在最佳状态。
以上便是氧传感器的工作原理和应用介绍。
通过对氧含量的精确测量和控制，氧传感器为现代汽车的燃油效率、性能和环保性做出了重要贡献。
氧传感器原理
氧传感器原理
氧传感器通过测量氧气浓度来确定气体或液体中的氧含量。
其工作原理基于氧分子在固体电解质表面的电离和还原。
下面是氧传感器的工作原理：
1. 锆氧电池传感器原理(ZrO2)：
- 在两侧电极之间存在一个氧离子导体，通常是由氧化锆构成。
- 当传感器的一个侧面暴露在待测气体或液体环境中时，氧气分子会通过穿透金属屏蔽层并进入氧离子导体。
- 在导体表面，氧气分子会与导体中的自由氧离子结合形成氧离子，这些氧离子会在传感器电解质上建立电势差。
- 电势差通过两侧的电极之间的电阻读数来测量，由此可以得出氧气浓度的值。
2. 膜扩散型氧传感器原理：
- 传感器的一个侧面暴露在待测气体或液体环境中，传感器内部为气体分压系统。
- 氧气分子在待测气体和膜层之间扩散，通过气体分压差来影响传感器输出。
- 传感器上的半导体或电极被氧气分子吸附，从而改变电流或电势输出，用于测量氧气浓度。
这些氧传感器工作原理的共同点是使用传感器内部的氧离子导体或膜层与待测气体中的氧气发生反应，通过测量电势差或电
流变化进行氧气浓度的测量。
这些传感器在许多应用中被广泛使用，包括环境监测、医疗设备和工业领域等。
汽车氧化锆(ZrO2)式氧气浓度传感器的原理与结构
汽车氧化锆（ZrO 2）式氧气浓度传感器的原理与结构汽车氧化锆（ZrO 2）式氧气浓度传感器属于电化学传感器中浓度差电池式传感器类，又从属于浓度差电池式的固体电解质浓度差电池传感器。
一、基本理论当两种物质之间有化学反应，并出现电子转移现象时，就形成化学反应的电效应，是化学电池的基本原理。
其中的能量转换关系，由能斯特方程定量表示。
对物质A 、B 间的可逆化学反应B A βα+ H G ηγ+当有电子转移时，其电动势E 为ηγa a a a nF RT E E ln 0-= （1） 上式即为能斯特方程，能够产生电动势的典型化学反应是氧化-还原反应。
（1）式中：E ，化学反应电动势，单位为V ；E 0，标准电动势，不同的反应和温度有不同的标准电动势；R ，通用理想气体常数，R = 8.314 J·mol -1·K -1；T ，化学反应温度，单位为热力学温度K ；n ，化学反应中转移的电子数；F ，法拉第常数，表示每摩尔电子所携带的电荷，F =96485 C·mol -1，C 是电荷单位即库伦；a ，x 物质的活度，x 表示化学反应体系中的组分，为A 、B 、G 和H ，i =α，β，γ，η。
对理想溶液，活度是组分的浓度；对非理想溶液，活度代表组分的有效浓度。
对理想气体，可以用其分压力表示活度。
对实际气体，用逸度表示活度。
固体成分不计。
从（1）式可看出，化学反应电动势取决于化学反应的计量式，受反应温度和反应体系中各组分浓度的影响。
只有对确定的化学反应，在确定的反应温度或温度影响可以忽略的条件下，当被测组分物质以外的其它组分的浓度已经确定时，才能通过化学反应电动势测量被测组分物质的浓度。
二、典型结构汽车氧化锆式氧气浓度传感器的典型结构如图1所示。
传感器的主要元件是专用陶瓷体，即氧化锆（ZrO 2）、陶瓷薄膜和微孔铂（Pt ）电极。
氧化锆作为固体电解质，制成微孔管状（锆管），内外两侧有能透气的微孔Pt 电极。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
静态值：发动机不运转，
0.45-0.5V
V
（2）示波器检测
最高信号电压 >850mV
从浓到稀的最 大允许响应时
间<100ms
最低信号电压 75~175mV
发动机转速2500r/min，2-3min， 每10s内，变化不少于8次。
氧传感器的信号波形
七、故障分析
传感器头部的孔堵塞、 传感器脏污、无加热
丰田LS400轿车氧传感器控制电路
六、氧传感器检测
（1）万用表检测
桑塔纳AJR
起动，水温大于80℃
1）检测加热线圈
V
a、线圈电阻：
室温1-5Ω
b、供电电压： Ω
起动后12V
c、搭铁电阻：0Ω Ω
2）检测信号电路 动态值：发动机运转 2500r/min， 以 0.45V为中心上下波动 次数10s内不少于8次
窄带式 氧化锆（ZrO2）式 氧化钛（TiO2）式
宽带式
一、氧化锆式氧传感器（窄带式）
SANTANA氧传感 器
JETTA氧传感器的外 型
宝来六线式氧传感器的外型
1、结构
由陶瓷二氧化锆管、 防护罩、电极等组成。
2、工作原理
二氧化锆固体电解质 U型管，安装在带有 螺丝的固定套中，内 表面与大气相通，外 表面与废气相通，安 装于排气管上，锆管 的陶瓷体是多孔的， 允许氧渗入该固体电 解质内。
解除闭环控制
氧传感器失效
怠速不稳、油耗增大、污染增大
混合气过浓、过稀
氧传感器故障
信号电压持 续偏低
信号电压持 续偏高
氧传感器
变化次数少
加速、减速 无变化
氧传感器故障
EFI系统的闭环控制过程
在带氧传感器的EFI系统中，并不是所有工况都进行闭 环控制。在起动、怠速、暖机、加速、全负荷、减速断油 等工况下，发动机不可能以理论空燃比工作，此时仍采用 开环控制方式。
第六节 氧传感器
Exhaust Gas Oxygen Sensor，EGO
【作用】氧传感器是用来检测排气管中 氧气的浓度，并将氧气浓度信号转变成 电子信号输送给发动机控制模块，作为 判定混合气浓度并对混合气浓度进行修 正的重要参考信号。 【目的】采用氧传感器的最终目的是为 了提高发动机的排放性能。
【安装位置】排气管上 【分类】按检测A/F范围分
泵氧元电阻
四、主、副EGO
❖ 三元催化器之前为主EGO： 用作空燃比控制的反馈信号
❖ 三元催化器之后为副EGO： 用来检测三元催化器（TWC）转化 效能
五、氧传感器电路
两个热型氧传感器 两个普通型氧传感器
氧传感器外部接线： 单线：信号线、外壳 接地 双线：信号线、接地 线 三线：电源、加热、 信号（外壳接地） 四线：电源、加热、 信号、接地
金属保护套
导线
陶瓷元件
2、工作原理（电阻型氧传感器）
在排气管中氧气浓度发生变化的时候，氧 传感器的电阻将发生变化（氧含量少，电阻下 降），发动机控制模块根据传感器两端的电压 降来判定混合气的浓度，进而对混合气的浓度 进行适当的调整。 (a)废气中的氧浓度高时，二氧化钛的电阻值 增大； (b)废气中氧浓度较低时二氧化钛的电阻值减 小。
3、信号特性
氧传感器产生的电 压将在理想空燃比 14.7时产生突变， 浓混合气时，氧传 感器输出电压几乎 为零，一般为0.1V， 稀混合气时，氧传 感器输出电压去接 近1V或0.9V。
4、工作条件
❖ 发动机水温高于60℃ ❖ 传感器自身温度高于600℃ ❖ 中等负荷工况形成闭环控制Hale Waihona Puke 三、宽带式氧传感器 UEGO
4、工作条件
❖ 发动机水温高于60℃ ❖ 传感器自身温度高于300℃ ❖ 中等负荷工况形成闭环控制
（在中等负荷工况时ECU根据输出信号 对喷油量进行修正，其他工况采用开环 控制）
二、氧化钛式氧传感器
1、结构组成
由二氧化钛元件、导线、金属外壳和 接线端子等。
二氧化钛元件
金属外壳
陶瓷绝缘体
接线端子
❖ 稀混合气：排气中氧气↑→排气中氧气扩散到 测试腔→电压小于0.45V→ECU控制泵氧元 的电流变化，使测试腔的氧气减少，维持电 压在0.45V，此时电流为正电流
3、电路图 教材P70 2-79
❖ 1-泵电流输入端 ❖ 2、4-参考电压端 ❖ 3-信号输出端
电压值为1-2V 稀：1.5-2.0V 浓：1.0-1.5V ❖ 5、6加热端子
❖ 能够提供准确的空燃比反馈信号给ECU， 从而使ECU精确地控制喷油时间，使气 缸内混和气浓度始终保持理论空燃比值。 1、组成 感应室（一面通大气，一面接测试腔） 泵氧元（一面接测试腔，一面通排气）
2、工作原理
❖ 浓混合气：排气中氧气↓→测试腔氧气扩散到 排气中→电压大于0.45V→ECU控制泵氧元 的电流变化，使测试腔的氧气增多，维持电 压在0.45V，此时电流为负电流
案例：氧传感器铅中毒
车型：宁波美日MR6370A型轿车，装用天津丰田8AFE电喷发动机。 故障：发动机怠速不稳、排气管冒黑烟且排污超标，故 障灯亮起。 检查：故障代码21，无氧传感器信号。起动待发动机 温度上升为60℃以上时，用万用表检测氧传感器的输 出信号，始终为0.7V。拔下一根发动机的真空管，使 混合气变稀，再堵住空气滤清器，使混合气变浓，输出 电压还是0.7V不变，说明氧传感器损坏。拆下氧传感 器，顶尖呈棕色状（铅中毒），更换后试车，故障灯熄 灭，故障排除。 分析：使用含铅汽油，汽油中的铅造成氧传感器失效。 ECU不能实行空燃比闭环控制，造成怠速时混合气较浓。
温度较高时，氧气分子 发生电离变成氧离子， 若陶瓷体内（大气）外 （废气）侧氧离子含量 不一致，即存在浓度差 时，在固体电解质内部 氧离子从大气一侧向排 气一侧扩散，锆管元件 成了一个微电池，在锆 管两铂极间产生电压。
当混合气稀时，排气 中所含氧多，两侧氧 浓度差小，只产生小 的电压；当混合气浓 时，排气中氧含量少， 两电极间产生较大的 电压。
3、信号特性
(1)氧传感器产生的 电压将在理想空燃比 14.7时产生突变，稀 混合气时，氧传感器 输出电压几乎为零， 一般为0.1V，浓混合 气时，氧传感器输出 电压去接近1V或 0.9V。
（2）ECU如何根据信号电压识别空燃比， 控制喷油？
大于0.45V ， ECU控制减油；小于0.45V， ECU控制增油。维持空燃比14.7。