浅谈氧传感器的工作原理及检测方法

陈良

摘要：氧传感器作为发动机电控系统实行闭环反馈控制必备的核心部件，对节约燃料，提高发动机的排气质量，保持发动机良好的动力性、经济性具有重要的作用。氧传感器主要通过检测排气中的氧含量，向电子控制系统发出调节空燃比浓稀的电压信号，以实现电子控制系统增加或减少喷油量的目的。常用的氧传感器检测方法主要有三种：依据氧传感器工作面顶端颜色判断故障原因、氧传感器加热器电阻的检查以及氧传感器反馈电压的测量。

关键词：氧传感器；工作原理；检测方法

氧传感器作为控制汽车尾气排放、提高燃油经济性的关键零件，主要通过电子控制燃油喷射装置的反馈控制系统来测算排气系统氧离子的剩余量，并向电脑发出反馈信号，从而将空燃比控制在理论值附近，以达到节约燃料和减少排气污染的目的。

一、氧传感器的工作原理

当前，汽车发动机燃油喷射系统采用的氧传感主要包括三种：按固态电解质的氧浓度差电池原理制成的氧化锆式氧传感器、利用氧化钛材料的电阻值随排气中氧含量变化的特性制成的氧化钛式氧传感器以及在普通加热型开关式氧化锆式氧传感器基础上改进而来的新型宽带氧传感器，其中氧化锆式氧传感器是最为常用的。

氧化锆式氧传感器的工作原理与电池相似。它以二氧化锆陶瓷材料制成的氧化锆陶瓷作为工作介质，利用氧化锆内外两侧的氧浓度差探测排气中氧的含量，达到监测和控制炉内燃烧空燃比的目的。陶瓷锆管不透气，结构疏松多孔，但其内外表面涂有透气的多孔铂，当温度高于3500C时，陶瓷锆管内外表面氧浓度相差悬殊，带负电荷的氧离子从陶瓷锆管的内表面向外表面扩散，锆管的内外侧产生一个电位差，浓度差越大，电位差越大，而锆管（固态电解质）则成为一个微电池。但由于大气中的含氧量较为稳定，稀混合燃烧后生产的废气以及因缺火产生的废气中含有一定量的氧，浓混合气燃烧后的废气不含氧，因此，氧传感器输出信号电压的高低取决于排气中氧的含量：当混合气稀时，排气中含氧较多，陶瓷锆管内外表面之间氧的浓度差小，输出的电压较低；当混合气浓时，排气含氧较少，锆管内外侧氧浓度差变大，两电极间的电压增大，输出的电压较高。发动机工作时，氧传感器信号电压在0-1V之间不断变化，当混合气稀时，氧传感器输出信号电压在0—0.45V之间；当混合气浓时，氧传感器输出信号电压在0.5—1V之间；ECU会根据氧传感器反馈的电压信号值来控制喷油器的喷油时间，缩减或增加喷油量，从而使实际空燃比接近于理论空然比14.7：1附近。

氧传感器只有在发动机和传感器同时达到一定温度时，才能使氧气电离产生氧离子，为迅速提高氧传感的温度，使其尽快投入工作，常采用加热型二氧化锆氧传感（俗称四线型氧传感器），即附加一个电阻为4-40Ω的陶瓷加热器，借助于汽车电源供电对锆管进行电加热，发动机工作约半分钟，传感器温度就能达到3500C以上。

二、氧传感器的检测方法

氧传感器在工作过程中，通常会因加热线圈故障、信号电路故障等问题，导致发动机出现怠速不稳、缺火、油耗增加等现象。因此，当氧传感发生故障时，我们可以采用以下方法进行检测：

（一）依据氧传感器顶端工作面颜色判断故障原因。氧传感器顶端工作面常见的颜色有黑色、白色和棕色。黑色主要是由积碳沉积过多引起的，积炭过多会影响传感器的信息反馈灵敏度，因此，应做好定期清除积碳工作；白色是由发动机使用硅橡胶密封圈、汽油燃烧后生成的二氧化硅等导致的。实践表明，任何硅胶都会导致氧传感器中毒失效。发动机上使用的硅胶密封圈会散发有机硅气体，用在润换油流动部位的醋酸硅胶会经排气管排出，硅化合物燃烧后生成的二氧化硅等都会损坏氧传感器。由于硅污染造成氧传感损坏时，应及时更换氧传感器；棕色是由铅污染引起的。铅能使氧传感器丧失信息反馈功能，污染氧传感器的铅主要来自含铅的汽油。据相关研究表明，使用含铅汽油行驶五百公里就会使氧传感器产生铅“中毒”，对此应尽量使用铅含量较少的汽油。

（二）氧传感器加热器电阻的检查。为使氧传感器快速达到较高温度并投入工作，现代大部分汽车使用的是带加热器的氧传感器，一旦加热器损坏，氧传感器就无法正常工作。检测加热元件时，需将点火开关置于关闭（OFF）位置，用万能表检测加热器电阻。常温状态下，氧传感器加热电阻值为4-40Ω，如果阻值无穷大，说明加热元件断路；如果加热元件正常，则需要拆下氧传感线束插头，测量氧传感器接线端中加热器端子与搭铁接柱之间的电阻，观察电阻值是否在标准值4-40Ω之间，如不符合应更换氧传感器；如正常则应检查电热元件的电源线路，若电压不低于11V，说明电源线路完好；若低于11V说明可能出现出现了熔断器断路或油泵继电器接触不良，应进一步检测，并分别予以处理。

（三）氧传感器反馈电压的测量。使用万用表或电压表检测氧传感器反馈电压时应先拆下线束插头，从中引出一细导线，负极搭铁，正极接氧传感器引线，然后接好插头；让发动机以2500r/min的转速运转，观察万用表或电压表指针的摆动情况，，正常情况下，万用表或电压表的指针应在0-1V之间摆动，10s内电压变化次数应在8次以上。如果反复升高或降低发动机转速，万用表或电压表指示电压均为0，说明氧传感器损坏，应更换氧传感器；如果10s内电压变化次數少于8次，可采用开环控制状态观察氧传感器反馈电压，若反馈电压大于0.45V，说明混合气过浓，可进一步脱开进气管上的制动真空助力软管，使混合气变稀，若结果仍显示电压大于0.45V，说明氧传感损坏，反之，电压小于0.45V，说明氧传感器工作正常，故障可能出现在燃油系统、电子控制系统或进气系统。如果反馈电压小于0.45V，说明混合气过稀，接上脱开进气管上的制动真空助力软管，再拔下水温传感器接头，且用一个4-8KΩ的电阻代替水温传感器（或堵住空气滤清器的进气口），人为形成浓混合气，观察其电压变化；若电压仍小于0.45V，说明氧传感器损坏，应更换氧传感器，反之，电压大于0.45V，则说明燃油系统、电子控制系统或进气系统出现故障，氧传感器正常。

三、结语

随着科学技术的发展，汽车发动机已步入电子精确控制时代，氧传感器作为发动机电控系统实行闭环反馈控制必备的核心部件，对节约燃料，提高发动机的排气质量，保持发动机良好的动力性、经济性具有重要的作用。但由于氧传感器原件易受高温气体和废气污染影响，因而，应按厂家说明定期更换氧传感器，以保证车辆在良好状态下运行。

参考文献：

[1]曾显恒，苗全生.汽车发动机电控系统的诊断与修复[M].上海：上海交通大学出版社2012.

[2]张海山，黄长征.氧传感器DE工作原理与故障检测[J].汽车维修与保养，2000，（1）.