氧傳感器的發(fā)展和應(yīng)用

唐益飛

【摘 要】汽車排放中氧氣的測(cè)量方法種類繁多，測(cè)量原理、相應(yīng)的性能、適用范圍也各不相同。本文對(duì)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(yīng)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(guān)鍵詞】氧傳感器；原理；發(fā)展；應(yīng)用

一、前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，氧傳感器的發(fā)展和應(yīng)用得到發(fā)展，氧氣的分析測(cè)定廣泛應(yīng)用于試驗(yàn)室、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、汽車制造、化工、能源等許多領(lǐng)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(dá)數(shù)千萬(wàn)只。根據(jù)應(yīng)用要求和應(yīng)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(guó)，由于早期在科學(xué)技術(shù)與制造工藝方面比較落后，對(duì)氧傳感器的研究和制造起步相對(duì)較晚，相對(duì)而言，國(guó)外的技術(shù)先進(jìn)，起步較早，性能和工藝水平也較高。近年來(lái)，隨著檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，國(guó)內(nèi)氧傳感器的研究和應(yīng)用也得到了快速的發(fā)展。下面對(duì)應(yīng)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(diǎn)來(lái)進(jìn)行氧氣的測(cè)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(guò)測(cè)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(duì)值很小，難于直接測(cè)量，一般采用間接法，即通過(guò)熱熱磁式氧傳感器的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，傳感器在使用過(guò)程中無(wú)損耗，采用熱磁式原理的測(cè)氧設(shè)備能夠長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，具有較長(zhǎng)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(fù)極采用金、鉑等貴重金屬。氧氣溶解在電解液層中，然后到達(dá)負(fù)極，在負(fù)極表面被還原，同時(shí)正極的鉛被氧化，反應(yīng)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(gòu)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(dǎo)電特性而設(shè)計(jì)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(shí)，二氧化鋯陶瓷內(nèi)部將產(chǎn)生一系列的反應(yīng)和氧離子的遷移。這時(shí)通過(guò)二氧化鋯兩側(cè)的引出電極，可測(cè)到穩(wěn)定的毫伏級(jí)信號(hào)，我們稱之為氧電勢(shì)。

4.光纖式氧傳感器

光纖法測(cè)量氧氣濃度是一項(xiàng)新興的技術(shù)。現(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(duì)一些熒光物質(zhì)的熒光具有猝滅作用，從而導(dǎo)致其熒光強(qiáng)度的降低和熒光壽命的縮短，熒光物質(zhì)的熒光強(qiáng)度或壽命與氧氣濃度的關(guān)系可用下列方程來(lái)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(shù)對(duì)氧氣濃度進(jìn)行測(cè)量。傳感器選擇的激光器波長(zhǎng)與氧氣的特征吸收譜線相匹配，此波長(zhǎng)在近紅外區(qū)，760nm。將激光器連續(xù)調(diào)制，使其波長(zhǎng)周期性的掃過(guò)氧氣的吸收光譜，可以從光電管中收到相應(yīng)的周期信號(hào)，信號(hào)的幅值與被測(cè)氣體的氧氣濃度成一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)在傳感器中增加一個(gè)參比測(cè)量模塊，可進(jìn)一步提高傳感器測(cè)量的穩(wěn)定性。由于采用的是精細(xì)光譜吸收技術(shù)，所以傳感器對(duì)氧氣的測(cè)量不受化學(xué)和干擾氣體的影響，傳感器具有較高的檢測(cè)精度。通過(guò)在傳感器中放置溫度傳感器，可以實(shí)現(xiàn)溫度的在線補(bǔ)充，在保護(hù)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(cè)量設(shè)備，具有很高的精度、穩(wěn)定性、抗干擾和環(huán)境適應(yīng)性，但這種氧傳感器制造成本較高，一般應(yīng)用在對(duì)檢測(cè)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(dòng)單元泵的泵氣電壓值，泵氣電壓在1-2V范圍內(nèi)，每一點(diǎn)都對(duì)應(yīng)著一種空燃比值. PCM根據(jù)實(shí)時(shí)的節(jié)氣門開度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速器檔位及車速，選擇正常型或經(jīng)濟(jì)型控制，在控制型中又多個(gè)區(qū)域控制，以達(dá)到最盡人意的控制結(jié)果。微處理器根據(jù)實(shí)時(shí)的節(jié)氣門開度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，（同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)的變速器檔位、車速等）查詢ROM，按經(jīng)濟(jì)模式或正常模式進(jìn)行空燃比調(diào)節(jié).

混合氣濃調(diào)節(jié)過(guò)程：當(dāng)混氣偏濃時(shí)（示意只3個(gè)氧分子 ，測(cè)量室少氧） ，跳躍型探針向ECU輸出高于0.45V電壓信號(hào)，ECU增大單元泵驅(qū)動(dòng)電流， 進(jìn)入測(cè)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(guò)程：當(dāng)混氣偏稀時(shí)，跳躍型探針向ECU輸出低于0.45V電壓信號(hào)，ECU減小單元泵驅(qū)動(dòng)電流，進(jìn)入測(cè)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(shí)，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的α=1.06-1.2（空燃比A/F=16-18）范圍內(nèi)的任一點(diǎn)進(jìn)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(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)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(duì)應(yīng)曲線存儲(chǔ)于ROM中。用實(shí)時(shí)泵電流值的大小與之比對(duì)，即可得出實(shí)時(shí)的空燃比值；而跳躍型探針，只能探測(cè)出實(shí)時(shí)空燃是與化學(xué)當(dāng)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(cè)。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(yǔ)

氧氣的測(cè)量方法種類繁多，測(cè)量原理也各不相同，相應(yīng)的性能也不相同，適用范圍也不一樣。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，氧傳感器的技術(shù)也得到了快速的發(fā)展，并且出現(xiàn)了一些新興的測(cè)量技術(shù)。在選擇和使用氧傳感器時(shí)，需要根據(jù)具體的測(cè)量要求和成本進(jìn)行選擇，氧傳感器相當(dāng)于一個(gè)混合氣的濃度開關(guān)，它是電噴發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)行閉環(huán)控制不可缺少的重要部件。它的信號(hào)是電腦對(duì)空燃比進(jìn)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(dú)特，所以掌握氧傳感器的性質(zhì)，對(duì)于維修人員診斷電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的故障具有非常重要的意義

參考文獻(xiàn)：

[1]萬(wàn)通教材《汽修大師之晉級(jí)-發(fā)動(dòng)機(jī)電控》

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