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气体浓度传感器的结构、原理与检测汽车传感器第一节概述第二节氧传感器第三节稀薄混合比传感器第四节全范围空燃比传感器第五节烟度浓度传感器第六节柴油机烟度传感器第一节概述氧传感器用于发动机电控燃油喷射系统中，检测发动机排放气体中氧的含量来获得混合气的空燃比信息，输入到ECU实现空燃比反馈控制。稀薄混合比传感器用于稀薄燃烧发动机空燃比反馈控制系统中，检测出稀薄燃烧区空燃比信息，输入到ECU实现发动机稀薄燃烧。全范围空燃比传感器是一种传感器能连续检测混合气从浓到稀的整个范围的空燃比。烟尘浓度传感器用于驾驶室内空气净化装置中，检测烟雾浓度的信息，输入到空气净化装置控制电路，实现空气净化控制。排烟传感器用于柴油机电子控制系统中，检测发动机排气中形成的烟炭或未燃烧的炭颗粒的信息，输入到ECU调节空气与燃油的供给，以减少排气中的黑烟。第二节氧传感器为降低汽车尾气排放污染，目前汽车发动机的排气管上普遍安装了三元催化转化器，它能净化排气中的CO、HO和NOx三种有害气体的成分。1）三元催化转化器对发动机在接近理论空燃比的范围燃烧的排气有较好的净化作用；2）催化剂最适合的工作温度是400~800℃，过高的温度使催化剂过早老化，缩短使用寿命；3）发动机窜机油会降低催化剂活性；4）燃烧含铅油，铅颗粒随废气排放会覆盖在催化剂表面，使催化剂作用面积减少，降低催化器的转换效率；影响三元催化转化器净化排气的效率因素2.氧传感器的种类汽车上采用的氧传感器有两种：氧化钛（TiO2）式氧传感器，本身带有一个电加热器；氧化锆（ZrO2）式氧传感器，热型氧传感器和非加热型氧传感器。检测排放气体中氧的含量来获得发动机燃烧的混合气空燃比信号，并将检测结果转变成电压信号输入ECU，ECU根据氧传感器输人的信号，对喷油量进行修正，使混合气浓度保持在理想范围内，实现空燃比的反馈控制。1.氧传感器的作用由于混合气的空燃比对三元催化转化器净化效率有明显影响，就需要检测排气中的氧浓度信号，以控制混合气的空燃比。氧传感器就是排气中的氧浓度的传感器。氧化锆是一种固态电解质，在高温下（高于300℃）呈现离子导电现象。在氧化锆两侧面分别烧结铂电极，在一定温度下，当电解质两侧氧浓度不同时，高浓度侧的铂电极正电，低氧浓度侧铂极带负电。使两侧的电极间产生了电位差，即气体的氧电势。该电势与氧化锆两侧的氧浓度和气体温度成正比。实际应用中，若在氧传感器探头中，其高浓度侧气体（如空气）氧浓度已知，作为参比气，如能测出氧探头的输出电势E和被测气体的绝对温度T，即可算出被测气体的氧浓度。1.氧化锆氧传感器的测氧原理一、氧化锆式氧传感器的结构、原理空气氧浓度约20.6%，则有以空气为参比气的能斯特公式：E=0.0215Tln（0.2059／废气氧浓度）E—氧传感器输出电动势；T—被测气体的绝对温度。如图氧化锆式氧传感器的基本元件是专用陶瓷体制成管状锆管，固定在带有安装螺纹的固定套中。锆管内、外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。导入废气保护管套排气管废气锆管铂电极弹簧引线绝缘支架导线空气进气槽排气管2.氧传感器的结构氧化锆式传感器安装结构简图及工作原理废气大气陶瓷体防护层排气管陶瓷体铂电极电极引线点电极引线点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。当锆管内表面的大气与外表面的废气氧气浓度不同，就会在两个电极产生电位差，含氧量高的一侧为高电位。3.氧化锆式氧传感器工作原理当混合气稀时，排气中含氧多，两侧浓度差小，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所示。根据所测电压值就可测量氧传感器外表面废气的含氧量，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=1。所以这种传感器又称为空燃比传感器或传感器。氧化锆式传感器电压输出特性浓稀理论空燃比氧传感器安装在发动机的排气管上。氧传感器被安装在发动机的排气管，直接与高温排放废气接触。因此，氧传感器密封要求具有良好的耐热性。4.氧化锆式氧传感器安装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。氧化钛在某个温度以上钛与氧的结合微弱，在氧气极少的情况下就必须放弃氧气，因此缺氧而形成低电阻的氧化半导体。相反的，若氧气较多，则形成高电阻的状态。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。利用氧化钛式氧传感器电阻随含氧量变化来判断混合气浓度。当混合气浓度高时，则排气中含氧量少，传感器电阻低；反之亦然。二、氧化钛式氧传感器的结构、原理1.氧化钛氧传感器的测氧原理如图为氧化钛式氧传感器的结构示意图，有两个二氧化钛元件，一个是具有多孔性二氧化钛陶瓷的用来感测排气中氧含量的，另一个为实心二氧化钛陶瓷，用作加热调节，补偿温度误差。传感器用具有孔槽的金属管作为防护套，让废气进出，同时防止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。2.氧传感器的结构导线二氧化钛元件陶瓷绝缘材料接线头金属外壳陶瓷元件金属保护管ECU提供氧传感器5V的参考电压，当混合比浓时电阻低所得到电压较高，若混合比较稀时电阻高所得到的电压较低，因此由电阻的变化即可得知当时混合比的状况，近来为了使氧化钛型氧传感器有着与氧化锆型相同的变化，即将参考电压改成1V，其电压即成了0~1V的范围内。空气过量系数3.氧化锆式氧传感器工作原理类似于热电阻温度传感器的原理。氧化钛式氧传感器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。4.氧化钛氧传感器的安装排气歧管早期汽车上使用的控制空燃比氧传感器为ZrO2固体电解质氧传感器，属于氧浓度差电池型，利用电池两极间的电势差与两极间氧浓度比值的对数成正比的能斯特公式测定氧浓度，但其存在结构复杂、价格昂贵、贵金属催化剂容易受铅毒害等缺点。TiO2是一种良好的氧敏材料，氧电阻式TiO2氧传感器因其结构简单、价格较低、体积小、抗腐蚀、抗污染能力强、经久耐用、可靠性高，不需要参比气体电极而得到了广泛的应用。三、两种氧传感器的比较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。导致氧传感器出现故障的原因如下：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。四、氧传感器的故障原因德国大众在发动机实验台上运转实验氧传感器沉积物情况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。五、氧传感器的检测（1）氧传感器加热器电阻的检测点火开关置于“OFF”，拔下氧传感器的导线连接器，用万用表Ω档测量氧传感器接线端中加热器端子与自搭铁端子间的电阻，其电阻值应符合标准值；具体数值参见具体车型说明书。如不符合标准，应更换氧传感器。测量后，接好氧传感器线束连接器，以便作进一步的检测。测量氧传感器反馈电压时，应先拔下氧传感器线束连接器插头，对照被测车型的电路图，从氧传感器反馈电压输出端引出一条细导线，然后插好连接器，在发动机运转时从引出线上测量反馈电压。（2）氧传感器反馈电压的检测使发动机以2500r/m转速运转。电压应在0～1V变换如电压保持在0V或1V不变，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。若没有变化，说明氧传感器已损坏，应更换。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2.5V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。（3）氧化钛式氧传感器的检测如果测得的电压值在0V且保持不变，则需反复开、闭节气门，使发动机转速变化。此时，若电压随节气门的开闭而变，则表明氧传感器良好；若电压值仍为0V，则说明氧传感器已经损坏。如果测得的电压值在1V且保持不变，则需拆去进气歧管上的一根真空软管，让混合气变稀。此时，若电压值开始变化，则说明氧传感器有效，否则，说明氧传感器已损坏，应更换。第三节稀薄混合比传感器稀薄燃烧是指通过提高发动机内混合气的空燃比，大于理论空燃比数值的状态下燃烧。理论空燃比是发动机的一个基本参数，如果要让发动机实现稀薄燃烧，就必须具备两个条件：很高的点火能量，空气能跟汽油充分混合。稀薄燃烧技术的发动机混合气的汽油与空气比可达1:25以上。通用、福特、丰田、本田、日产等汽车公司先后展开稀薄燃烧技术研发。随着进气口燃料喷射技术的发展和稀混合气传感器技术的开发，精密控制空燃比已成为可能。进入90年代，三菱汽车公司研制出来的缸内直喷技术使稀燃技术又进了一步，三菱缸内喷注汽油机(GDI)，可令混合比达到40:1。大众的直喷汽油发动机(FSI)，则是采用了一个高压泵，汽油通过一个分流轨道(共轨)到达电磁控制的高压喷射气门。本田最新的VTEC发动机也将采用稀燃技术。稀薄混合比传感器应用在采用稀薄燃烧技术的发动机空燃比反馈控制系统中。这种传感器也和氧传感器一样，利用氧化锆元件测定排气中的氧浓度，从而测定空燃比。稀薄混合比传感器特点是能在混合气极稀薄领域中，连续地检测出稀薄燃烧区空燃比，实现稀薄领域的反馈控制。达到降低燃料消耗的目的。还有一种传感器能连续检测混合气从浓到稀的整个范围的空燃比，称为全范围空燃比传感器。如图为稀薄混合比传感器的结构。传感器内部有氧化锆陶瓷元件和加热器，它的工作原理是利用传感器电极两端施加一定的外加电压时其电流与排气中氧浓度成正比这一特性，可以连续地检测出稀薄燃烧区域的空燃比。图1稀薄混合比传感器的结构2.氧传感器的结构与原理电流检测电阻大气侧电极加热圈氧化锆固体电解质排气侧电极涂层护壳排气稀薄混合比传感器的输出特性对于稀薄混合比传感器，在电极两端施加一定电压时，将产生与排气中氧浓度成正比的电流，这样就可以在稀薄燃烧领域连续检测出空燃比变化。所以稀薄混合比传感器与普通氧化锆式氧传感器在工作原理上有区分。丰田卡利那牌汽车上T-LCS系统装用了稀薄混合比传感器，用以在稀薄混合气状态下对空燃比进行反馈控制，其系统的构成如图所示：排气喷射信号ECU独立喷射稀薄混合比传感器空气喷油器点火线圈分电器加热控制点火信号负压转换阀旋流控制阀各传感器信号氧浓度信号氧化催化全范围空燃比传感器的结构如图所示。该传感器是利用氧浓差电池原理和氧气泵的泵电原理，能连续检测混合气从过浓到理论空燃比再到稀薄状态整个过程的一种传感器。第四节全范围空燃比传感器当混合气过浓时，氧泵就会吸入O2到测定室中；而当排放气比混合气空燃比稀薄时，则从测定室中放出O2到排气中去。全范围空燃比就是利用这一特点用氧气泵供给出人测定室的O2，使排放气保持在理论空燃比上。这样就通过测定氧泵的电流值I，来测定排放气体中的空燃比A/F。全范围空燃比传感器原理氧泵就是利用氧化锆传感器的反作用原理，将电流施加于氧化锆组件上，这样会造成氧离子的移动，把排气中的氧泵入测试腔当中，使感应室两侧的电压值维持在450mv这个施加在泵氧元上变化的电流，才是我们要的氧含量信号。混合气空燃比在过浓一侧为负电流，在稀薄一侧为正电流，当理论空燃比A/F为14.7时，电流值为零，即可连续测量出空燃比。烟尘浓度传感器用于车内空气净化装置中，该传感器通过检测烟雾浓度，可使空气净化器自动运转或停止，从