唐益飛

【摘 要】汽車排放中氧氣的測量方法種類繁多，測量原理、相應的性能、適用范圍也各不相同。本文對熱磁式氧傳感器、原電池式氧傳感器、氧化鋯氧傳感器、光纖式氧傳感器、可調(diào)諧激光式氧傳感器、寬帶氧傳感器等應用較多的和一些新興的氧傳感器作了一些介紹，以便根據(jù)具體的使用要求選擇合適的氧傳感器。

【關鍵詞】氧傳感器；原理；發(fā)展；應用

一、前言

隨著科學技術的發(fā)展，氧傳感器的發(fā)展和應用得到發(fā)展，氧氣的分析測定廣泛應用于試驗室、生物學、醫(yī)學、汽車制造、化工、能源等許多領域。氧傳感器年產(chǎn)量已占全部氣體傳感器的四成，居首位，僅汽車工業(yè)用氧傳感器每年就達數(shù)千萬只。根據(jù)應用要求和應用環(huán)境的不同，各種氧傳感器的工作原理也各不相同，主要包括熱磁式、原電池式、氧化鋯式、光纖式、可調(diào)諧激光式和寬帶氧傳感器等。

二、各種工作原理的氧傳感器

在我國，由于早期在科學技術與制造工藝方面比較落后，對氧傳感器的研究和制造起步相對較晚，相對而言，國外的技術先進，起步較早，性能和工藝水平也較高。近年來，隨著檢測技術的進步和發(fā)展，國內(nèi)氧傳感器的研究和應用也得到了快速的發(fā)展。下面對應用較多和一些新興的氧傳感器作一些介紹。

1.熱磁式氧傳感器

熱磁式氧傳感器是利用氧氣的順磁性特點來進行氧氣的測量分析。所謂順磁性，就是物質(zhì)的體積磁化率大于零。氧氣的磁化率比其它氣體（NO 除外）要大得多，而一般氣體中很少含有NO，且NO 極易和氧化合為NO2，故氣體的總磁化率幾乎完全取決于氧氣的含量，換而言之，通過測量混合氣體的磁化率就可以確定氧氣的含量。但是，氧氣的磁化率絕對值很小，難于直接測量，一般采用間接法，即通過熱熱磁式氧傳感器的優(yōu)點是技術成熟，傳感器在使用過程中無損耗，采用熱磁式原理的測氧設備能夠長期連續(xù)運行，具有較長的使用壽命。

2.原電池式氧傳感器

原電池式氧傳感器的正極采用鉛等普通易氧化的金屬，負極采用金、鉑等貴重金屬。氧氣溶解在電解液層中，然后到達負極，在負極表面被還原，同時正極的鉛被氧化，反應可用如下方程式表示：1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O

3.氧化鋯氧傳感器

氧化鋯氧傳感器的核心構件是氧化鋯固體電解質(zhì)，氧化鋯固體電解質(zhì)是由多元氧化物組成的。常用的這類電解質(zhì)有CaO、MgO、Y2O3、Sc2O3 與ZrO2形成的固熔體。氧傳感器是利用穩(wěn)定的二氧化鋯陶瓷在650℃以上的環(huán)境中產(chǎn)生的氧離子導電特性而設計的。在一定的溫度條件下，如果在二氧化鋯塊狀陶瓷兩側(cè)的氣體中分別存在著不同的氧分壓（即氧濃度）時，二氧化鋯陶瓷內(nèi)部將產(chǎn)生一系列的反應和氧離子的遷移。這時通過二氧化鋯兩側(cè)的引出電極，可測到穩(wěn)定的毫伏級信號，我們稱之為氧電勢。

4.光纖式氧傳感器

光纖法測量氧氣濃度是一項新興的技術?，F(xiàn)主要介紹一種較成熟的方法熒光猝滅原理的光纖氧傳感器。氧氣對一些熒光物質(zhì)的熒光具有猝滅作用，從而導致其熒光強度的降低和熒光壽命的縮短，熒光物質(zhì)的熒光強度或壽命與氧氣濃度的關系可用下列方程來描述：I0/I=t0/t=1+kC.

5.可調(diào)諧激光式氧傳感器

可調(diào)諧激光式氧傳感器是基于可調(diào)諧激光光譜吸收技術對氧氣濃度進行測量。傳感器選擇的激光器波長與氧氣的特征吸收譜線相匹配，此波長在近紅外區(qū)，760nm。將激光器連續(xù)調(diào)制，使其波長周期性的掃過氧氣的吸收光譜，可以從光電管中收到相應的周期信號，信號的幅值與被測氣體的氧氣濃度成一定的對應關系。通過在傳感器中增加一個參比測量模塊，可進一步提高傳感器測量的穩(wěn)定性。由于采用的是精細光譜吸收技術，所以傳感器對氧氣的測量不受化學和干擾氣體的影響，傳感器具有較高的檢測精度。通過在傳感器中放置溫度傳感器，可以實現(xiàn)溫度的在線補充，在保護窗口和聚焦透鏡附近布置加熱電阻，可以防止結(jié)露現(xiàn)象的發(fā)生?？烧{(diào)諧激光式氧傳感器是一種比較高端的氧氣測量設備，具有很高的精度、穩(wěn)定性、抗干擾和環(huán)境適應性，但這種氧傳感器制造成本較高，一般應用在對檢測量要求比較高的地方。

6.寬帶氧傳感器

為了將跳躍型探針輸出的電壓值維持在0.4-0.5V內(nèi)，微處理器改變驅(qū)動單元泵的泵氣電壓值，泵氣電壓在1-2V范圍內(nèi)，每一點都對應著一種空燃比值. PCM根據(jù)實時的節(jié)氣門開度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、變速器檔位及車速，選擇正常型或經(jīng)濟型控制，在控制型中又多個區(qū)域控制，以達到最盡人意的控制結(jié)果。微處理器根據(jù)實時的節(jié)氣門開度與發(fā)動機轉(zhuǎn)速，（同時根據(jù)實時的變速器檔位、車速等）查詢ROM，按經(jīng)濟模式或正常模式進行空燃比調(diào)節(jié).

混合氣濃調(diào)節(jié)過程：當混氣偏濃時（示意只3個氧分子 ，測量室少氧） ，跳躍型探針向ECU輸出高于0.45V電壓信號，ECU增大單元泵驅(qū)動電流， 進入測量室內(nèi)的氧分子增多，跳躍電壓回到0.45V混合氣稀調(diào)節(jié)過程：當混氣偏稀時，跳躍型探針向ECU輸出低于0.45V電壓信號，ECU減小單元泵驅(qū)動電流，進入測量室內(nèi)的氧分子減少，跳躍電壓回到0.45V。

采用寬帶氧傳感器即可做到：

濃于理想混合氣的閉環(huán)控制.稀于理想混合氣時，在保證發(fā)動機平穩(wěn)運轉(zhuǎn)的α=1.06-1.2（空燃比A/F=16-18）范圍內(nèi)的任一點進行閉環(huán)調(diào)節(jié)，使駕駛者在各種不同的輕閑駕駛中都能達到最佳的經(jīng)濟程度.

寬帶探針與跳躍探針的不同之處：寬帶探針的泵電流值與空燃比的一一對應曲線存儲于ROM中。用實時泵電流值的大小與之比對，即可得出實時的空燃比值；而跳躍型探針，只能探測出實時空燃是與化學當量空燃比偏離的方向，即濃或稀，至于具體濃到什么程度或稀到什么程度，卻不能探測。故現(xiàn)在很多新款轎車前氧裝配寬帶氧傳感器

三、結(jié)束語

氧氣的測量方法種類繁多，測量原理也各不相同，相應的性能也不相同，適用范圍也不一樣。隨著科學技術的發(fā)展，氧傳感器的技術也得到了快速的發(fā)展，并且出現(xiàn)了一些新興的測量技術。在選擇和使用氧傳感器時，需要根據(jù)具體的測量要求和成本進行選擇，氧傳感器相當于一個混合氣的濃度開關，它是電噴發(fā)動機實行閉環(huán)控制不可缺少的重要部件。它的信號是電腦對空燃比進行閉環(huán)控制不可缺少的依據(jù)，由于它的功能及工作原理比較獨特，所以掌握氧傳感器的性質(zhì)，對于維修人員診斷電噴發(fā)動機的故障具有非常重要的意義

參考文獻：

[1]萬通教材《汽修大師之晉級-發(fā)動機電控》

[2]文華，朱玉琛，張玉廣，湯雪志.中國船舶重工集團公司第七一八研究所，河北 邯鄲