氧传感器的发展和应用

唐益飞

【摘 要】汽车排放中氧气的测量方法种类繁多，测量原理、相应的性能、适用范围也各不相同。本文对热磁式氧传感器、原电池式氧传感器、氧化锆氧传感器、光纤式氧传感器、可调谐激光式氧传感器、宽带氧传感器等应用较多的和一些新兴的氧传感器作了一些介绍，以便根据具体的使用要求选择合适的氧传感器。

【关键词】氧传感器；原理；发展；应用

一、前言

随着科学技术的发展，氧传感器的发展和应用得到发展，氧气的分析测定广泛应用于试验室、生物学、医学、汽车制造、化工、能源等许多领域。氧传感器年产量已占全部气体传感器的四成，居首位，仅汽车工业用氧传感器每年就达数千万只。根据应用要求和应用环境的不同，各种氧传感器的工作原理也各不相同，主要包括热磁式、原电池式、氧化锆式、光纤式、可调谐激光式和宽带氧传感器等。

二、各种工作原理的氧传感器

在我国，由于早期在科学技术与制造工艺方面比较落后，对氧传感器的研究和制造起步相对较晚，相对而言，国外的技术先进，起步较早，性能和工艺水平也较高。近年来，随着检测技术的进步和发展，国内氧传感器的研究和应用也得到了快速的发展。下面对应用较多和一些新兴的氧传感器作一些介绍。

1.热磁式氧传感器

热磁式氧传感器是利用氧气的顺磁性特点来进行氧气的测量分析。所谓顺磁性，就是物质的体积磁化率大于零。氧气的磁化率比其它气体（NO 除外）要大得多，而一般气体中很少含有NO，且NO 极易和氧化合为NO2，故气体的总磁化率几乎完全取决于氧气的含量，换而言之，通过测量混合气体的磁化率就可以确定氧气的含量。但是，氧气的磁化率绝对值很小，难于直接测量，一般采用间接法，即通过热热磁式氧传感器的优点是技术成熟，传感器在使用过程中无损耗，采用热磁式原理的测氧设备能够长期连续运行，具有较长的使用寿命。

2.原电池式氧传感器

原电池式氧传感器的正极采用铅等普通易氧化的金属，负极采用金、铂等贵重金属。氧气溶解在电解液层中，然后到达负极，在负极表面被还原，同时正极的铅被氧化，反应可用如下方程式表示：1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O

3.氧化锆氧传感器

氧化锆氧传感器的核心构件是氧化锆固体电解质，氧化锆固体电解质是由多元氧化物组成的。常用的这类电解质有CaO、MgO、Y2O3、Sc2O3 与ZrO2形成的固熔体。氧传感器是利用稳定的二氧化锆陶瓷在650℃以上的环境中产生的氧离子导电特性而设计的。在一定的温度条件下，如果在二氧化锆块状陶瓷两侧的气体中分别存在着不同的氧分压（即氧浓度）时，二氧化锆陶瓷内部将产生一系列的反应和氧离子的迁移。这时通过二氧化锆两侧的引出电极，可测到稳定的毫伏级信号，我们称之为氧电势。

4.光纤式氧传感器

光纤法测量氧气浓度是一项新兴的技术。现主要介绍一种较成熟的方法荧光猝灭原理的光纤氧传感器。氧气对一些荧光物质的荧光具有猝灭作用，从而导致其荧光强度的降低和荧光寿命的缩短，荧光物质的荧光强度或寿命与氧气浓度的关系可用下列方程来描述：I0/I=t0/t=1+kC.

5.可调谐激光式氧传感器

可调谐激光式氧传感器是基于可调谐激光光谱吸收技术对氧气浓度进行测量。传感器选择的激光器波长与氧气的特征吸收谱线相匹配，此波长在近红外区，760nm。将激光器连续调制，使其波长周期性的扫过氧气的吸收光谱，可以从光电管中收到相应的周期信号，信号的幅值与被测气体的氧气浓度成一定的对应关系。通过在传感器中增加一个参比测量模块，可进一步提高传感器测量的稳定性。由于采用的是精细光谱吸收技术，所以传感器对氧气的测量不受化学和干扰气体的影响，传感器具有较高的检测精度。通过在传感器中放置温度传感器，可以实现温度的在线补充，在保护窗口和聚焦透镜附近布置加热电阻，可以防止结露现象的发生。可调谐激光式氧传感器是一种比较高端的氧气测量设备，具有很高的精度、稳定性、抗干扰和环境适应性，但这种氧传感器制造成本较高，一般应用在对检测量要求比较高的地方。

6.宽带氧传感器

为了将跳跃型探针输出的电压值维持在0.4-0.5V内，微处理器改变驱动单元泵的泵气电压值，泵气电压在1-2V范围内，每一点都对应着一种空燃比值. PCM根据实时的节气门开度、发动机转速、变速器档位及车速，选择正常型或经济型控制，在控制型中又多个区域控制，以达到最尽人意的控制结果。微处理器根据实时的节气门开度与发动机转速，（同时根据实时的变速器档位、车速等）查询ROM，按经济模式或正常模式进行空燃比调节.

混合气浓调节过程：当混气偏浓时（示意只3个氧分子 ，测量室少氧） ，跳跃型探针向ECU输出高于0.45V电压信号，ECU增大单元泵驱动电流， 进入测量室内的氧分子增多，跳跃电压回到0.45V混合气稀调节过程：当混气偏稀时，跳跃型探针向ECU输出低于0.45V电压信号，ECU减小单元泵驱动电流，进入测量室内的氧分子减少，跳跃电压回到0.45V。

采用宽带氧传感器即可做到：

浓于理想混合气的闭环控制.稀于理想混合气时，在保证发动机平稳运转的α=1.06-1.2（空燃比A/F=16-18）范围内的任一点进行闭环调节，使驾驶者在各种不同的轻闲驾驶中都能达到最佳的经济程度.

宽带探针与跳跃探针的不同之处：宽带探针的泵电流值与空燃比的一一对应曲线存储于ROM中。用实时泵电流值的大小与之比对，即可得出實时的空燃比值；而跳跃型探针，只能探测出实时空燃是与化学当量空燃比偏离的方向，即浓或稀，至于具体浓到什么程度或稀到什么程度，却不能探测。故现在很多新款轿车前氧装配宽带氧传感器

三、结束语

氧气的测量方法种类繁多，测量原理也各不相同，相应的性能也不相同，适用范围也不一样。随着科学技术的发展，氧传感器的技术也得到了快速的发展，并且出现了一些新兴的测量技术。在选择和使用氧传感器时，需要根据具体的测量要求和成本进行选择，氧传感器相当于一个混合气的浓度开关，它是电喷发动机实行闭环控制不可缺少的重要部件。它的信号是电脑对空燃比进行闭环控制不可缺少的依据，由于它的功能及工作原理比较独特，所以掌握氧传感器的性质，对于维修人员诊断电喷发动机的故障具有非常重要的意义

参考文献：

[1]万通教材《汽修大师之晋级-发动机电控》

[2]文华，朱玉琛，张玉广，汤雪志.中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北 邯郸