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摘 要：介绍了汽车氧传感器的结构和工作原理，重点阐述了氧传感器失效的原因和检测方法，并说明了氧传感器的发展方向。
关键词：氧传感器；失效；检测
1、前言
汽车尾气所含的有害物主要有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOX）、硫化物（SOX）以及微粒物质（铅化物、碳烟、油雾等）等。随着汽车工业的飞速发展，这些有害物对人类赖以生存的大气环境造成严重污染。对此，发达国家从六、七十年代就开始探索汽车尾气净化的途径，取得非常满意的净化效果。汽车净化的主要方法是利用催化剂将其有害成分CO、HC和NOX通过化学反应转化成为无害的CO2、H2O和N2。目前大多采用三元催化反应器，通过一系列氧化—还原反应，使CO、HC和NOX三种有害成分同时转化为无害成分。然而，在这些催化反应中催化剂的反应特性与通过的尾气中所含的氧量有关，因此由催化反应所导致的净化效率就与发动机的空气和燃料的比例（通常称“空燃比”，用A/F表示）有关。为了获得最佳的净化效率，三元催化反应器要求把空燃比精确地控制在理论空燃比（A/F≈14.7）附近的最佳范围内。因此，三元催化反应器通常与电子计算机控制系统结合在一起，用氧传感器检测尾气中的氧浓度并将其信号反馈到计算机，又通过计算机发出指令来控制调节燃料供给系统。
通过对空燃比的自动控制，可使三元催化剂的有害气体转化率达90%以上。同时对燃料和供油系统提出更高的要求，如必须使用无铅汽油，铅不仅污染空气，而且也会毒化三元催化剂；必须使用汽油喷射系统，它可以有效地提高汽油的动力性和经济性，也有利于计算机的精确控制与调节。
2、二氧化锆氧传感器的结构及工作原理
汽车氧传感器安装在靠近排气歧管的前排气管上，结构如图1所示，外部是防护罩，里面为镀有一层多孔性铂的二氧化锆管，内腔是陶瓷电阻式加热器。氧传感器外接4根引线，2根为氧传感器的信号输出线和搭铁线，另2根为加热器的电源线和搭铁线。二氧化锆管外侧接触排气，内侧通空气。
二氧化锆管的作用类似电解液，它在高温时能导电。二氧化锆管对氧原子有很强的吸附能力，它吸附氧原子后带负电。由于二氧化锆管内外两侧O2浓度不同，所以吸附氧原子后两侧积聚的负电荷不等，因而在内外表面间会产生电位差，即电动势。
二氧化锆管产生电动势的大小与温度有关，温度较低时，只有电阻而不产生电动势；温度较高时，电阻随之减小；当温度超过300℃时，才有可能产生电动势。因此在300℃以前，ECU不考虑氧传感器的输入信号而实行开环控制，精确的排放控制无法实现。加热器的功用是使二氧化锆管尽快升温，以便ECU能及时采用氧传感器信息。当点火开关处于运转（RUN）档时，蓄电池通过燃油泵继电器给加热器通电，使氧传感器迅速达到并保持500～600℃的正常工作温度，以控制系统进入闭环工作模式。二氧化锆氧传感器工作时，根据排气中含氧量的多少，输出0.1～1V的电压信号。氧传感器的输出电压与混合气空燃比有关，。当混合气在理想空燃比（14.7）时，它输出的电压为0.4～0.6V；当空燃比低，即混合气浓，排气中O2含量低时，它输出电压为1V的浓信号；当空燃比高，即混合气稀，排气中O2含量高时，它输出0.1V的稀薄信号。电压信号输送给ECU的比较器，经分析后，ECU及时调整喷油脉冲宽度，使混合气始终保持在理想空燃比附近。
3、氧传感器的失效
在实际使用过程中，常常发现氧传感器失效的情况，即响应速度减慢，电势输出信号很弱等。这主要是铂电极失效所引起的，有两个原因使电极失效，电极剥落和电极中毒。
电极剥落：氧传感器在不断变化的高温中长时间工作，以及汽车怠速、加速、和稳速变化时排气温度的突变，物理渗碳形成大量的蚀坑，这些都是引起电极剥落的原因。电极中毒可分为物理性中毒和化学性中毒两种。物理性中毒是由于渗碳、凝聚态铅微粒等物质在多孔电极表面上沉积，多孔电极的空隙被堵，失去进行电极反应的三相界面，堵塞气孔而使响应速度减慢，信号输出不灵敏；化学性中毒由于汽油中S、P、Zn、Pb等与电极材料发生化学反应而导致电极失效。在高温下，Pb易与Pt形成低共熔体，从而破坏了电极的性能，而使电极失效。不少报道认为，由于汽车尾气是高速流动的，所以物理作用不太明显，氧传感器的失效重点应放在对化学中毒上，氧传感器的寿命研究就是对电极化学中毒的机理和预防的研究。但由于目前使用无铅汽油，Pb的影响可以忽略。P和Zn主要存在于机油中，而机油的用量很少，所以影响也不是很大。所以，电极中毒研究的重点放在了S对电极的影响上。
化学中的S引起的电极中毒主要有三种机理模型：硫化模型，酸碱熔解模式（认为Na2SO4是由碱性组分Na2O或氧离子和酸性组分SO3组成，在碱性熔解中，氧化膜同Na2O反应并以阴离子物质形式溶解在盐中；在酸性熔解中，氧化膜同SO3反应，并以阳离子物质形式溶解在盐中。）以及氧化膜机械破坏模式（该模型是由于氧化膜的生长应力而引起的机械破坏）。上两种模型不能对腐蚀现象做出合理的解释，同时根据氧传感器的使用条件只有硫化模型符合，硫化模型与Na2SO4有关，但在氧传感器的使用条件下硫酸盐不是主要的，重要是SO2气体，SO2气体在还原组分的作用下发生还原反应产生S的单质，此反应视温度不同而不同，其中尾气中的SO2和水蒸气以及单质S之间存在一种高温平衡状态。最终是由S与Pt反应生成了硫化物，其反应式推测如下：
SO2+R（还原组分）←→RO2+S，Pt+S2→PtS（PtS2）。
4、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。
4.1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4～40Ω，若过大或过小，表示加热元件已损坏，应更换传感器。
4.2氧传感器反馈电压的检测
拔下氧传感器插头，使发动机以2500r/min转速运转，电压应在0～1V变换（频率约50次/min）。如电压保持在0V或1V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。
5、结束语
氧传感器通过检测废气中氧的含量，使电控装置得以据此来控制混合气的浓度，使实际空燃比接近理论空燃比，达到燃烧完全、排气污染物最低、发动机的动力性能和经济性最佳的目的。特别是使用三元催化转换器进一步净化排气污染物时，氧传感器的作用显得更加重要。只有当空燃比稳定在理论值附近时，其净化效果最佳，空燃比一旦偏离理论值，三元催化剂对CO、HC和NOX的净化能力将急剧下降。只有以ECU和氧传感器构成的闭环系统才能有效地保证发动机工作在理论空燃比附近的区域内，因此，氧传感器在降低排气污染中起着非常重要的作用。
随着科技的进步，新一代氧气传感器的制作，将会朝向微小化、集成化、智慧化方面发展，其中以硅为基板材料的微制作过程与微细加工技术，可将感测元件推往平面化及微小化，对未来氧气传感器的发展及大量生产将有很大帮助。
参考文献：
［1］李红卫，言卫平，李旭东.氧化锆氧传感器在汽车电喷系统中的应用［J］.陶瓷工程，2004.2：16～18。
［2］王仁旺.在线氧含量分析仪选型与使用［J］.化工自动化及仪表，2004，31（2）。
关键词：氧传感器；失效；检测
1、前言
汽车尾气所含的有害物主要有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOX）、硫化物（SOX）以及微粒物质（铅化物、碳烟、油雾等）等。随着汽车工业的飞速发展，这些有害物对人类赖以生存的大气环境造成严重污染。对此，发达国家从六、七十年代就开始探索汽车尾气净化的途径，取得非常满意的净化效果。汽车净化的主要方法是利用催化剂将其有害成分CO、HC和NOX通过化学反应转化成为无害的CO2、H2O和N2。目前大多采用三元催化反应器，通过一系列氧化—还原反应，使CO、HC和NOX三种有害成分同时转化为无害成分。然而，在这些催化反应中催化剂的反应特性与通过的尾气中所含的氧量有关，因此由催化反应所导致的净化效率就与发动机的空气和燃料的比例（通常称“空燃比”，用A/F表示）有关。为了获得最佳的净化效率，三元催化反应器要求把空燃比精确地控制在理论空燃比（A/F≈14.7）附近的最佳范围内。因此，三元催化反应器通常与电子计算机控制系统结合在一起，用氧传感器检测尾气中的氧浓度并将其信号反馈到计算机，又通过计算机发出指令来控制调节燃料供给系统。
通过对空燃比的自动控制，可使三元催化剂的有害气体转化率达90%以上。同时对燃料和供油系统提出更高的要求，如必须使用无铅汽油，铅不仅污染空气，而且也会毒化三元催化剂；必须使用汽油喷射系统，它可以有效地提高汽油的动力性和经济性，也有利于计算机的精确控制与调节。
2、二氧化锆氧传感器的结构及工作原理
汽车氧传感器安装在靠近排气歧管的前排气管上，结构如图1所示，外部是防护罩，里面为镀有一层多孔性铂的二氧化锆管，内腔是陶瓷电阻式加热器。氧传感器外接4根引线，2根为氧传感器的信号输出线和搭铁线，另2根为加热器的电源线和搭铁线。二氧化锆管外侧接触排气，内侧通空气。
二氧化锆管的作用类似电解液，它在高温时能导电。二氧化锆管对氧原子有很强的吸附能力，它吸附氧原子后带负电。由于二氧化锆管内外两侧O2浓度不同，所以吸附氧原子后两侧积聚的负电荷不等，因而在内外表面间会产生电位差，即电动势。
二氧化锆管产生电动势的大小与温度有关，温度较低时，只有电阻而不产生电动势；温度较高时，电阻随之减小；当温度超过300℃时，才有可能产生电动势。因此在300℃以前，ECU不考虑氧传感器的输入信号而实行开环控制，精确的排放控制无法实现。加热器的功用是使二氧化锆管尽快升温，以便ECU能及时采用氧传感器信息。当点火开关处于运转（RUN）档时，蓄电池通过燃油泵继电器给加热器通电，使氧传感器迅速达到并保持500～600℃的正常工作温度，以控制系统进入闭环工作模式。二氧化锆氧传感器工作时，根据排气中含氧量的多少，输出0.1～1V的电压信号。氧传感器的输出电压与混合气空燃比有关，。当混合气在理想空燃比（14.7）时，它输出的电压为0.4～0.6V；当空燃比低，即混合气浓，排气中O2含量低时，它输出电压为1V的浓信号；当空燃比高，即混合气稀，排气中O2含量高时，它输出0.1V的稀薄信号。电压信号输送给ECU的比较器，经分析后，ECU及时调整喷油脉冲宽度，使混合气始终保持在理想空燃比附近。
3、氧传感器的失效
在实际使用过程中，常常发现氧传感器失效的情况，即响应速度减慢，电势输出信号很弱等。这主要是铂电极失效所引起的，有两个原因使电极失效，电极剥落和电极中毒。
电极剥落：氧传感器在不断变化的高温中长时间工作，以及汽车怠速、加速、和稳速变化时排气温度的突变，物理渗碳形成大量的蚀坑，这些都是引起电极剥落的原因。电极中毒可分为物理性中毒和化学性中毒两种。物理性中毒是由于渗碳、凝聚态铅微粒等物质在多孔电极表面上沉积，多孔电极的空隙被堵，失去进行电极反应的三相界面，堵塞气孔而使响应速度减慢，信号输出不灵敏；化学性中毒由于汽油中S、P、Zn、Pb等与电极材料发生化学反应而导致电极失效。在高温下，Pb易与Pt形成低共熔体，从而破坏了电极的性能，而使电极失效。不少报道认为，由于汽车尾气是高速流动的，所以物理作用不太明显，氧传感器的失效重点应放在对化学中毒上，氧传感器的寿命研究就是对电极化学中毒的机理和预防的研究。但由于目前使用无铅汽油，Pb的影响可以忽略。P和Zn主要存在于机油中，而机油的用量很少，所以影响也不是很大。所以，电极中毒研究的重点放在了S对电极的影响上。
化学中的S引起的电极中毒主要有三种机理模型：硫化模型，酸碱熔解模式（认为Na2SO4是由碱性组分Na2O或氧离子和酸性组分SO3组成，在碱性熔解中，氧化膜同Na2O反应并以阴离子物质形式溶解在盐中；在酸性熔解中，氧化膜同SO3反应，并以阳离子物质形式溶解在盐中。）以及氧化膜机械破坏模式（该模型是由于氧化膜的生长应力而引起的机械破坏）。上两种模型不能对腐蚀现象做出合理的解释，同时根据氧传感器的使用条件只有硫化模型符合，硫化模型与Na2SO4有关，但在氧传感器的使用条件下硫酸盐不是主要的，重要是SO2气体，SO2气体在还原组分的作用下发生还原反应产生S的单质，此反应视温度不同而不同，其中尾气中的SO2和水蒸气以及单质S之间存在一种高温平衡状态。最终是由S与Pt反应生成了硫化物，其反应式推测如下：
SO2+R（还原组分）←→RO2+S，Pt+S2→PtS（PtS2）。
4、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。
4.1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4～40Ω，若过大或过小，表示加热元件已损坏，应更换传感器。
4.2氧传感器反馈电压的检测
拔下氧传感器插头，使发动机以2500r/min转速运转，电压应在0～1V变换（频率约50次/min）。如电压保持在0V或1V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。
5、结束语
氧传感器通过检测废气中氧的含量，使电控装置得以据此来控制混合气的浓度，使实际空燃比接近理论空燃比，达到燃烧完全、排气污染物最低、发动机的动力性能和经济性最佳的目的。特别是使用三元催化转换器进一步净化排气污染物时，氧传感器的作用显得更加重要。只有当空燃比稳定在理论值附近时，其净化效果最佳，空燃比一旦偏离理论值，三元催化剂对CO、HC和NOX的净化能力将急剧下降。只有以ECU和氧传感器构成的闭环系统才能有效地保证发动机工作在理论空燃比附近的区域内，因此，氧传感器在降低排气污染中起着非常重要的作用。
随着科技的进步，新一代氧气传感器的制作，将会朝向微小化、集成化、智慧化方面发展，其中以硅为基板材料的微制作过程与微细加工技术，可将感测元件推往平面化及微小化，对未来氧气传感器的发展及大量生产将有很大帮助。
参考文献：
［1］李红卫，言卫平，李旭东.氧化锆氧传感器在汽车电喷系统中的应用［J］.陶瓷工程，2004.2：16～18。
［2］王仁旺.在线氧含量分析仪选型与使用［J］.化工自动化及仪表，2004，31（2）。