传感器的应域 氧传感器等4种气体浓度传感器的识别与检测
氧传感器等4种气体浓度传感器的识别与检测
在汽车上使用的气体浓度传感器主要有氧传感器、稀薄混合气传感器、全范围空燃比传感器 和烟雾浓度传感器 等。
氧传感器安装在发动机的排气管上，它的作用是通过检测排放气体中氧的含量来获得混合气空燃比的稀浓信号，并将检测结果变成电压信号输入ECU，ECU根据氧传感器的输入信号不断地对喷油脉宽进行修正，使混合气体在理想范围内。当监测到的氧气浓度较浓时，提供给发动机ECU的电压较高；监测到的氧气浓度较稀时，提供给发动机ECU的电压较低。氧传感器可分为氧化钛式和氧化锆式两种。
为降低排气污染，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、HC和NOx三种有害气体的成分，但三元催化转化器只在空燃比接近理论值（14.7∶1）的范围内起净化作用。当排气管中装上氧传感器时，根据检测排气中的氧浓度信号，ECU可控制空燃比，使三元催化转化器更有效地起净化作用。
在稀燃发动机领域的空燃比反馈控制系统中，采用了稀燃传感器，这种传感器能够在混合气极稀薄领域中，连续地测出稀薄燃烧区的空燃比，实现了稀薄领域的反馈控制。
全范围空燃比传感器（又称宽域空燃比传感器）能连续检测混合气从浓到稀的整个范围的空燃比。与普通的氧传感器相比，这样的传感器可以在发动机的整个运转范围内实现空燃比的反馈控制，在各个区域上实现最佳油耗、最佳排放及最佳运转性能。
烟雾浓度传感器用于空气净化装置中，该传感器通过检测烟雾浓度，可使空气净化器运转或停止，从而达到净化驾驶室的目的。
● 1. 氧传感器 ●
目前，汽车上采用的氧传感器有氧化钛（TiO2）式和氧化锆（ZrO2）式两种。氧化锆式氧传感器又分为加热型氧传感器和非加热型氧传感器两种。氧化钛式氧传感器本身带有一个电加热器。大部分汽车使用带加热器的氧传感器，这种传感器是在原来传感器的基础上，增加了一个陶瓷加热元件用于加热传感器，可在发动机启动后的20~30s内迅速将氧传感器加热至工作温度，扩大了空燃比闭环控制的工作范围，故又称为加热型氧传感器。
氧传感器有一线制、二线制、三线制、四线制4种类型。一线制只有一根信号线与发动机ECU连接，传感器的另一极直接搭铁；二线制的两根线均与ECU相连，一根为信号线，另一根进入ECU后搭铁；三线制、四线制均属于加热式氧传感器，由于添加了两根加热电阻的接线，和氧传感器信号线组合成为三线制或四线制。加热电阻的两根接线，一根直接接控制继电器或主继电器，接受12V加热电源，一根由ECU控制搭铁端，控制加热电阻加热时间。氧传感器加热器是正比例系数热敏元件，在传感器与线束断开的情况下，可以通过检测加热器的阻值来对加热元件进行检测。
▲ 氧传感器的结构
1—壳体；2—陶瓷管支承；3—加热电阻电缆；
4—带槽的保护套；5—二氧化锆；6—接触元件；
7—外保护套；9—加热元件；9—电加热触头；
10—弹簧垫圈；11—氧传感器信号
随着排放法规越来越严格，现在越来越多的车辆都在三元催化转化器的前后端分别安装了氧传感器，称为双氧传感器系统 ，一个在三元催化转化器之前，称作为主氧传感器或上游氧传感器，用于混合气反馈控制，发动机电控单元根据主氧传感器的反馈信号，增加或减少喷油量，将实际空燃比控制在理论空燃比附近；另一个位于三元催化转化器之后，称作副氧传感器或下游氧传感器，用于监测三元催化转化器的催化净化效率。
当三元催化转化器损坏时，其转化效率丧失，这时在其前后的排气管中的氧气量十分接近，几乎相当于没有安装三元催化转化器，前、后两个氧传感器的信号电压波形就趋于相同，并且电压波动范围也趋于一致，此时表明三元催化转化器转化能力下降。
▲ 单击图片，看视频，快速掌握氧传感器的检测方法
● 2. 稀薄混合气传感器 ●
在现代车辆中，为了达到净化排气的目的，除采用三元催化转化方式净化排气外，也可采用稀薄燃烧控制技术。这一技术可有效降低排气中的NOx含量。
稀薄混合气传感器应用在发动机稀薄燃烧空燃比反馈控制系统中，与氧化传感器一样，使用二氧化锆元件测定排气中的氧浓度，从而来测定空燃比。它是在超稀薄燃烧领域进行空燃比的反馈控制，与氧化催化剂结合，达到降低燃料消耗的目的。稀薄混合气传感器主要由氧化铝陶瓷元件和加热器构成，一般安置在排气歧管上。
▲ 稀薄混合气传感器的结构
▲ 稀薄混合气传感器的安装位置
稀薄混合气传感器的检测方法：
① 检查传感器的加热器电阻
将点火开关置于“OFF”位置，拔下氧传感器的导线连接器，用万用表欧姆挡测量氧传感器接线端中加热器端子与搭铁端子间的电阻，其电阻值应符合标准值（一般为4~40Ω）。如不符合标准值，则应更换氧传感器。
② 检查传感器输出电流信号
用万用表的电流挡测试传感器的输出电流信号，电流值应随空燃比的增大而增大。
● 3. 全范围空燃比传感器 ●
全范围空燃比传感器，又称为宽域型氧传感器、宽量程氧传感器、宽带氧传感器。汽车发动机电控系统全范围空燃比传感器的作用是用来检测混合气从过浓状态到理论空燃比再到稀薄状态整个过程。
一般来讲，全范围空燃比传感器只用于催化转化器之前，催化转化器之后必为普通氧传感器。后氧传感器只负责校验，当前氧传感器出现故障时，发动机进入开环紧急运行状态。查看发动机盖下的标识，如果标识为HOS，则为普通氧传感器；如果标识为A/FS，则为宽域型氧传感器。
全范围空燃比传感器由一个氧气泵单元、普通窄范围浓度差电压型二氧化锆式氧传感器、加热器构成。
▲ 全范围空燃比传感器的结构
1—传感器信号线；2—泵电流输入线；3，4—5V电源线
全范围空燃比传感器一般有6个端子，包括加热线圈电源端子、加热线圈搭铁端子、两个5V电源端子、信号端子、泵电流输入端子。
▲ 全范围空燃比传感器的电路
有些全范围空燃比传感器在内部将两个5V电源端子合并，故只有5个端子。检测方法如下：
① 关闭点火开关，拆下传感器线束连接器，在传感器侧检测加热线圈电源端子与搭铁端子间的电阻值，一般为4~40Ω（具体值查阅车型维修资料）。电阻值如为∞，说明加热线圈烧断，应更换氧传感器。
② 打开点火开关，在线束侧检测加热线圈电源端子与搭铁端子间的电压，正常情况下应为蓄电池电压。
③ 宽带式氧传感器的电源信号只能由ECU转化为电压值显示出来，只能通过读取数据块检测其信号电压。宽带式氧传感器的电压规定值为1.0~2.0V，电压值大于1.5V时说明混合气过稀，电压值小于1.5V时说明混合气过浓，电压值为0、1.5V、4.9V的恒定值时都说明氧传感器线路的故障。
● 4. 烟雾浓度传感器 ●
烟雾浓度传感器用于检测烟雾，当烟雾浓度传感器从车室内检测出烟雾后，可自动地使空气净化器运转，没有烟雾时使空气净化器自动停止运转，总是保持车室内空气处于净化状态。烟雾浓度传感器由发光元件、光敏元件及信号处理电路组成。一般安装在车室顶棚上室顶灯的旁边。
▲ 烟雾浓度传感器的结构
▲ 烟雾浓度传感器的外观
氧传感器的作用、工作原理、检测方法
1
氧传感器的作用
氧传感器用于检测废气中的氧含量并获得混合气的空燃比浓稀信号，该信号输入ECM后，ECM 根据该信号调整发动机的喷油量，实现闭环控制，使催化转换器更好地发挥净化作用。
2二
氧传感器的安装位置
氧传感器安装在排气管上，如下图所示。
现在的汽车上主要运用的氧传感器有二氧化锆氧传感器、二氧化钛氧传感器及宽域型氧传感器三种，下面将重点介绍二氧化锆氧传感器结构、原理以及检测方法。
3
二氧化锆氧传感器的结构
二氧化锆氧传感器由锆管（传感元件）、电极和防护套管等组成，如下图所示。锆管是由含有少量钇的二氧化锆（ZrO2）制成的固态电解质元件，在锆管内、外两侧涂覆一层多孔性铂膜电极。锆管内侧通大气，外侧与排气接触。
二氧化锆氧传感器的构造（单线）
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二氧化锆氧传感器的工作原理
工作时，在高温废气冲刷下，氧气发生电离，由于锆管内侧氧离子浓度高，外侧氧离子浓度低，在氧浓差作用下，氧离子从大气侧向排气侧扩散，从而形成了氧浓度差电池，如下图所示。
当混合气稀时，排气中含氧量高，锆管内外两侧浓度差小，产生的电动势小，大约为100mV。
当混合气浓时，排气中含氧量低，浓度差大，产生的电动势高，大约为900mV。电动势的高低以理论空燃比为界限发生突变，如下图。
氧传感器输出特性曲线
氧传感器的输出特性与排气温度有关，当排气温度低于300℃时，氧传感器的输出特性不稳定。
发动机刚刚启动后，由于排气温度偏低，氧传感器不工作，发动机在开环状态下工作。只有排气温度升高后，氧传感器才工作。所以，氧传感器的安装位置应在排气温度较高处。
有的车型上安装有排气温度传感器，当排气温度传感器的信号达到一定值后ECU 才根据氧传感器的信号进行空燃比反馈修正一调整喷油量、控制混合气的浓度，即发动机开始进行闭环控制。
5二
二氧化锆氧传感器的检测方法
以桑塔纳2000GSi为例，介绍二氧化锆氧传感器的检测。
桑塔纳2000GSi使用二氧化锆氧传感器G39，其接线图和端子布置、端子功能如下图。
二氧化锆氧传感器G39接线图和端子布置 ▼
传感器端子功能说明 ▼
当氧传感器或其连接线路出现故障时，可能会出现排放超标、回火、放炮、怠速熄火、发动机运转失准、油耗增大等故障，使发动机工况恶化。
检测方法1：解码器检测氧传感器
氧传感器异常工作，都会在ECU 中存储故障码。因此，通过专用或通用解码器，可以查出氧传感器的故障代码00525会在ECU 氧传感器（G39）无信号，或氧传感器（G39）对正极短路。通过读取数据流，如果氧传感器示数长时间停滞在一个数值不变或变化缓慢，说明氧传感器有故障。
检测方法2：检测加热元件的电阻
在常温下，拔下氧传感器线束插头，用万用表电阻挡测量插头端子1与端子2之间的电阻，在常温下阻值应为1~5Ω。若常温下阻值为无穷大，则说明加热元件断路，应更换氧传感器。
检测方法3：检测加热元件的电源电压
检测加热元件的电压时，拔下氧传感器插头，启动发动机，检测连接器插座上的端子1与2之间的电压。电压值应不低于11V。如电压为零，说明熔断比断路或燃油泵电路触点接触不良，分别检修即可。
检测方法4：检测传感器的信号电压
因为氧传感器正常的工作温度在300℃以上，没有达到正常工作温度，则传感器无信号输出。所以应在二氧化锆式氧传感器处于300℃以上工作状态时测量其输出电压。
万用表检测二氧化锆式氧传感器的信号电压的具体方法是让发动机转速在2500r/min运行约90s左右，插头与插座连接，将万用表连接到氧传感器3#端子与4#端子的导线上，当混合气体浓（即节气门全开）时，信号电压应为0.7~1.0V；当混合气体稀（拔下空气流量传感器至发动机之间的真空管）时，信号电压应为0.1~0.3V。否则说明氧传感器失效，应更换。
检测方法5：示波器检测
用示波器检测氧传感器输出的信号波形，可以很直观说明氧传感器是否良好。测试方法：启动发动机，让传感器预热到300℃以上，发动机处于闭环工作状态时，用探针连接到传感器连接器3#和4#信号端子上。从怠速开始增大转速，观察氧传感器输出信号波形，并与标准波形比较，判断传感器的好坏。氧传感器在怠速和2500r/min时的正常波形如下图所示。
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