《汽车氧传感器》PPT课件.ppt

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1、第六章第六章 氧传感器氧传感器6.1 氧氧(O2)传感器的基传感器的基本介绍本介绍6.2 氧传感器的开发背景氧传感器的开发背景6.3 氧传感器在三元系统氧传感器在三元系统中的作用中的作用6.4 氧传感器的材料与工氧传感器的材料与工作原理作原理6.5 氧传感器的结构与特氧传感器的结构与特点点6.6 氧传感器使用中的问氧传感器使用中的问题题6.7 氧传感器的评定技术氧传感器的评定技术6.1 氧氧(O2)传感器的基本介绍传感器的基本介绍二氧化锆型氧二氧化锆型氧(O2)传感器传感器 氧氧(O2)传感器可用于电子控制燃油喷射装置中的反馈系统传感器可用于电子控制燃油喷射装置中的反馈系统;用用以检测排放气体

2、中的氧气浓度、空燃比的浓稀，监测气缸内以检测排放气体中的氧气浓度、空燃比的浓稀，监测气缸内是否按理论空燃比是否按理论空燃比(15:1)进行燃烧，并向计算机反馈。这种进行燃烧，并向计算机反馈。这种传感器的结构如传感器的结构如图图6一一1所示，它是由产生电动势的二氧化锆所示，它是由产生电动势的二氧化锆管、起电极作用的衬套以及防止二氧化锆管损坏和导入汽车管、起电极作用的衬套以及防止二氧化锆管损坏和导入汽车排气的进气孔组成的。二氧化锆管的内、外表面均涂覆有薄排气的进气孔组成的。二氧化锆管的内、外表面均涂覆有薄薄一层铂，铂既可以成为电极又具有电势放大作用。二氧化薄一层铂，铂既可以成为电极又具有电势放大作

3、用。二氧化锆管的外表面处于氧气浓度较低的汽车所排放的气体中，而锆管的外表面处于氧气浓度较低的汽车所排放的气体中，而管的内表面则导入周围空气，两表面氧气浓度之差就会产生管的内表面则导入周围空气，两表面氧气浓度之差就会产生电动势。电动势。下一页返回6.1 氧氧(O2)传感器的基本介绍传感器的基本介绍 二氧化锆型传感器的工作原理如下所述二氧化锆型传感器的工作原理如下所述:当空燃比较浓时，排当空燃比较浓时，排放气体中的氧气比较少，大气中的氧离子通过二氧化锆管后放气体中的氧气比较少，大气中的氧离子通过二氧化锆管后产生电压，所以指示灯亮产生电压，所以指示灯亮;反之，当空燃比较低时，氧气浓度反之，当空燃比较

4、低时，氧气浓度很高，所以产生的电压很低，指示灯不亮。很高，所以产生的电压很低，指示灯不亮。上一页 下一页返回6.1 氧氧(O2)传感器的基本介绍传感器的基本介绍带加热器的二氧化锆氧浓淡电动势型氧带加热器的二氧化锆氧浓淡电动势型氧(O2)传感器传感器 为了保证氧传感器具有稳定的输出信号，就需要使其处于为了保证氧传感器具有稳定的输出信号，就需要使其处于300以上的环境中，因此，一般可以把它安装在离发动机以上的环境中，因此，一般可以把它安装在离发动机较近、温度较高的位置处，但是，由于设计上的原因，有时较近、温度较高的位置处，但是，由于设计上的原因，有时必须将其安装在离发动机较远、温度较低的位置处，在

5、这种必须将其安装在离发动机较远、温度较低的位置处，在这种位置处也能工作的是带加热器的氧传感器，即在排放气体温位置处也能工作的是带加热器的氧传感器，即在排放气体温度为度为150200时可以工作。时可以工作。上一页 下一页返回6.1 氧氧(O2)传感器的基本介绍传感器的基本介绍 这种传感器的工作原理与前面介绍过的无加热器氧传感器完这种传感器的工作原理与前面介绍过的无加热器氧传感器完全相同，在试管形的固体电解质的内侧设置了陶瓷加热器，全相同，在试管形的固体电解质的内侧设置了陶瓷加热器，在给加热器加上电压之后，从内侧进行加热，所以在低温下在给加热器加上电压之后，从内侧进行加热，所以在低温下就可以工作。

6、传感器的结构如就可以工作。传感器的结构如图图6-2所示。在这种场合下，所示。在这种场合下，氧传感器是作电子控制燃油喷射装置上的空燃比反馈控制传氧传感器是作电子控制燃油喷射装置上的空燃比反馈控制传感器用的，用以检测排放气体中的氧气浓度。感器用的，用以检测排放气体中的氧气浓度。上一页 下一页返回6.1 氧氧(O2)传感器的基本介绍传感器的基本介绍 在空燃比反馈系统中，当空燃比稀薄时，排放气体中的氧浓在空燃比反馈系统中，当空燃比稀薄时，排放气体中的氧浓度增加，氧传感器把度增加，氧传感器把“稀薄状况稀薄状况”通知计算机，然后，计算通知计算机，然后，计算机发出信号增加喷油量，由此，当空燃比比理论值还浓时

7、，机发出信号增加喷油量，由此，当空燃比比理论值还浓时，排放气体中的氧浓度降低，氧传感器把排放气体中的氧浓度降低，氧传感器把“较浓状况较浓状况”通知计通知计算机，然后计算机减少喷油量，又回复到原来状态。如上所算机，然后计算机减少喷油量，又回复到原来状态。如上所述，反馈系统就是这样往复动作，从而把空燃比控制在理论述，反馈系统就是这样往复动作，从而把空燃比控制在理论值。值。氧传感器的性能与温度有很大的关系。氧传感器的性能与温度有很大的关系。上一页 下一页返回6.1 氧氧(O2)传感器的基本介绍传感器的基本介绍二氧化钛型氧二氧化钛型氧(OZ)传感器传感器 这种氧传感器采用了半导体材料二氧化钛，二氧化钛

8、属这种氧传感器采用了半导体材料二氧化钛，二氧化钛属N型型半导体，其电阻值的大小取决于周围环境的氧浓度情况，因半导体，其电阻值的大小取决于周围环境的氧浓度情况，因此，二氧化钛型传感器和二氧化锆型传感器一样，也可以用此，二氧化钛型传感器和二氧化锆型传感器一样，也可以用作检测排放气体中的氧浓度。作检测排放气体中的氧浓度。二氧化钛型氧传感器的结构如二氧化钛型氧传感器的结构如图图6一一3所示。在二氧化钛元件所示。在二氧化钛元件中嵌有圆板形铂电极，它的周围有陶瓷。在绝缘体的一端，中嵌有圆板形铂电极，它的周围有陶瓷。在绝缘体的一端，就是二氧化钛元件和热敏电阻，从两极和两个元件的连接点就是二氧化钛元件和热敏电

9、阻，从两极和两个元件的连接点处共引出处共引出3根引线。在绝缘体表面上绕有钨丝，以其作为氧传根引线。在绝缘体表面上绕有钨丝，以其作为氧传感器的加热器，并引出感器的加热器，并引出2根引线。根引线。上一页 下一页返回6.1 氧氧(O2)传感器的基本介绍传感器的基本介绍 当周围氧气比较多时，二氧化钛的阻值增大当周围氧气比较多时，二氧化钛的阻值增大;反之，当周围氧反之，当周围氧气比较少时，二氧化钛的阻值减小，所以，二氧化钛氧传感气比较少时，二氧化钛的阻值减小，所以，二氧化钛氧传感器的阻值在理论空燃比附近处急剧变化，输出电压也急剧地器的阻值在理论空燃比附近处急剧变化，输出电压也急剧地变化。用二氧化钛制作的

10、氧传感器有变化。用二氧化钛制作的氧传感器有3个端子，即个端子，即“基准电源基准电源”、“输出输出”和和“搭铁搭铁”。二氧化钛的阻值随温度的变化情。二氧化钛的阻值随温度的变化情况如况如图图6一一4所示。与二氧化钛元件串联的热敏电阻起温度补所示。与二氧化钛元件串联的热敏电阻起温度补偿作用。当温度很低时，二氧化钛的阻值很大而无法正常工偿作用。当温度很低时，二氧化钛的阻值很大而无法正常工作，对此进行快速预热激活，所以传感器上配装了加热器作，对此进行快速预热激活，所以传感器上配装了加热器 上面所说的二氧化钛氧传感器，还有耐铅中毒能力强、产品上面所说的二氧化钛氧传感器，还有耐铅中毒能力强、产品体积小的优点

11、。体积小的优点。上一页返回6.2 氧传感器的开发背景氧传感器的开发背景 自从自从1970年有些国家制定了严格的汽车废气排放法规以来，年有些国家制定了严格的汽车废气排放法规以来，大大加快了汽车排放净化装置的研制步伐，一开始时出现了大大加快了汽车排放净化装置的研制步伐，一开始时出现了许多种类的净化装置，随着技术不断地革新，不断地加以淘许多种类的净化装置，随着技术不断地革新，不断地加以淘汰，最后留下来的也就是合理的系统，即可以同时净化汰，最后留下来的也就是合理的系统，即可以同时净化NOx、CO及及HC三种有害物质的三元催化方式。在此系统中占主导三种有害物质的三元催化方式。在此系统中占主导地位的是催化

12、剂技术的发展与氧传感器的成功开发，氧传感地位的是催化剂技术的发展与氧传感器的成功开发，氧传感器是使此系统最有效地发挥作用必不可少的部件。器是使此系统最有效地发挥作用必不可少的部件。下一页返回6.2 氧传感器的开发背景氧传感器的开发背景 从原理上讲，氧传感器有足够的理由成立。但因汽车使用非从原理上讲，氧传感器有足够的理由成立。但因汽车使用非常广泛，氧传感器必须能承受苛刻环境，要长期保证稳定的常广泛，氧传感器必须能承受苛刻环境，要长期保证稳定的性能，当初，生产厂家并没有充分的把握。但当无论如何都性能，当初，生产厂家并没有充分的把握。但当无论如何都需要这一部件时，不仅从事传感器开发的部件厂，而且包括

13、需要这一部件时，不仅从事传感器开发的部件厂，而且包括汽车制造厂的开发部门，以及与汽车技术有关的技术人员、汽车制造厂的开发部门，以及与汽车技术有关的技术人员、研究人员从各个角度作了大量的研究。研究人员从各个角度作了大量的研究。上一页 下一页返回6.2 氧传感器的开发背景氧传感器的开发背景 1976年，博世公司首先在沃尔沃车上装用了氧传感器，借年，博世公司首先在沃尔沃车上装用了氧传感器，借此机会，通用、福田、丰田、日产相继完成了氧传感器的开此机会，通用、福田、丰田、日产相继完成了氧传感器的开发工作。时至今日，氧传感器已成为燃烧控制技术中最重要发工作。时至今日，氧传感器已成为燃烧控制技术中最重要的功

14、能部件，在对排放已订立法规的国家里，它已是到处可的功能部件，在对排放已订立法规的国家里，它已是到处可见的普通产品。氧传感器是为解决废气净化而开发出的部件，见的普通产品。氧传感器是为解决废气净化而开发出的部件，但目前来说，节油问题与提高发动机的性能问题都与氧传感但目前来说，节油问题与提高发动机的性能问题都与氧传感器有很大的关系，因此，就要求性能更好，可靠性更高的传器有很大的关系，因此，就要求性能更好，可靠性更高的传感器。下面采用比较的方法，对二氧化锆型与二氧化钛型氧感器。下面采用比较的方法，对二氧化锆型与二氧化钛型氧传感器加以说明。传感器加以说明。上一页 返回6.3 氧传感器在三元系统中的作用氧

15、传感器在三元系统中的作用6.3.1空燃比控制与氧传感器空燃比控制与氧传感器 先来说明三元催化剂系统的基本原理与氧传感器的作用。先来说明三元催化剂系统的基本原理与氧传感器的作用。现在大批量生产的氧传感器都是检测理论空燃比点的，它用现在大批量生产的氧传感器都是检测理论空燃比点的，它用于三元催化中，净化效率最高且将废气控制于理论空燃比的于三元催化中，净化效率最高且将废气控制于理论空燃比的反馈系统上。三元催化剂的净化率一般是用空气过剩率反馈系统上。三元催化剂的净化率一般是用空气过剩率A的的函数来表示。函数来表示。A=1意味着是理论空燃比，小于意味着是理论空燃比，小于1时为浓状态，时为浓状态，大于大于1

16、时为稀状态。时为稀状态。下一页返回6.3 氧传感器在三元系统中的作用氧传感器在三元系统中的作用 下面说明氧传感器的基本特性与系统的控制方法。下面说明氧传感器的基本特性与系统的控制方法。图图6一一5是是有代表性的空燃比反馈系统的概括。一般来说，喷油量的控有代表性的空燃比反馈系统的概括。一般来说，喷油量的控制主要采取图制主要采取图(1)所示的控制法。对燃烧后废气而言，氧传感所示的控制法。对燃烧后废气而言，氧传感器的输出信号如图器的输出信号如图(2)所示。所示。比较电平大致相当于理论空燃比较电平大致相当于理论空燃比点时氧传感器的输出电平，通常将其调整在比点时氧传感器的输出电平，通常将其调整在0.5左

17、右，左右，但实际上，氧传感器的空燃比特性是变化着的但实际上，氧传感器的空燃比特性是变化着的.从图从图(3)中中还可以看出，控制电路具有将出信号滞后时间再输出的功还可以看出，控制电路具有将出信号滞后时间再输出的功能能.图图(4)是积分电路，与积分量相应，逐渐地增加喷油量。是积分电路，与积分量相应，逐渐地增加喷油量。也有采用图也有采用图(5)所示办法的，在比较器翻转时，提高整个所示办法的，在比较器翻转时，提高整个系统的反馈频率系统的反馈频率.上一页 下一页返回6.3 氧传感器在三元系统中的作用氧传感器在三元系统中的作用 从前面的说明中可知从前面的说明中可知:氧传感器的基本空燃比特性、浓与稀状氧传感

18、器的基本空燃比特性、浓与稀状态的响应特性对尾气空燃比的影响很敏感，因此应适当地调态的响应特性对尾气空燃比的影响很敏感，因此应适当地调整系统侧的参数整系统侧的参数:，以维持三元催化的最高净化效率。，以维持三元催化的最高净化效率。近些年来，随着数字计算机的发展，通过适当的调整可以做近些年来，随着数字计算机的发展，通过适当的调整可以做到这些参数与发动机的各种工况条件相协调，按各种使用目到这些参数与发动机的各种工况条件相协调，按各种使用目的加以区分。的加以区分。作为氧传感器的基本特性，除了上面讲过的基本空燃比特性、作为氧传感器的基本特性，除了上面讲过的基本空燃比特性、响应特性之外，还有内阻特性。响应特

19、性之外，还有内阻特性。此外，在低温范围内，空燃比在适当范围内变化时，三元催此外，在低温范围内，空燃比在适当范围内变化时，三元催化剂本身的净化效率还高些，所以要根据发动机的性能选用化剂本身的净化效率还高些，所以要根据发动机的性能选用特性适当的氧传感器。特性适当的氧传感器。上一页 下一页返回6.3 氧传感器在三元系统中的作用氧传感器在三元系统中的作用6.3.2氧传感器在车载自我诊断系统中的氧传感器在车载自我诊断系统中的应用应用 从从1994年开始实施的车载自我诊断系统一年开始实施的车载自我诊断系统一法规中规定法规中规定:车车辆上必须配有排放系统部件的故障自我诊断系统。其中也包辆上必须配有排放系统部

20、件的故障自我诊断系统。其中也包含有很多利用氧传感器诊断的技术，下面分项加以说明。含有很多利用氧传感器诊断的技术，下面分项加以说明。上一页 下一页返回6.3 氧传感器在三元系统中的作用氧传感器在三元系统中的作用 (1)检测催化剂老化。法规中规定检测催化剂老化。法规中规定:当尾气达到限制值的当尾气达到限制值的1.5倍时，报警灯应该点亮报警。对这一要求的检测，可采用直倍时，报警灯应该点亮报警。对这一要求的检测，可采用直接检测尾气成分的办法。接检测尾气成分的办法。(2)空燃比控制。车用自我诊断一空燃比控制。车用自我诊断一法规要求法规要求:控制用氧传感控制用氧传感器及燃油控制也能进行自我诊断，这时，也可

21、以采用监测催器及燃油控制也能进行自我诊断，这时，也可以采用监测催化剂后的氧传感器的输出信号的办法，与前方相比，催化剂化剂后的氧传感器的输出信号的办法，与前方相比，催化剂的后方尾气中的未燃烧成分经催化剂后已反应完成，所以，的后方尾气中的未燃烧成分经催化剂后已反应完成，所以，对氧传感器来说，稳定平衡尾气的测定表示出理想的输出。对氧传感器来说，稳定平衡尾气的测定表示出理想的输出。上一页 下一页返回6.3 氧传感器在三元系统中的作用氧传感器在三元系统中的作用 (3)断火检测。发动机断火将引起催化剂异常发热，造成催断火检测。发动机断火将引起催化剂异常发热，造成催化剂老化。因此，车用自我诊断化剂老化。因此

22、，车用自我诊断-法规还规定法规还规定:应检测出断应检测出断火，并发出警报。检测断火的方法有两种，一种是直接法，火，并发出警报。检测断火的方法有两种，一种是直接法，即利用催化剂温度传感器、氧传感器与离子电流传感器等直即利用催化剂温度传感器、氧传感器与离子电流传感器等直接检测断火状况接检测断火状况;另一种是间接法，利用曲轴角度传感器检测另一种是间接法，利用曲轴角度传感器检测发动机因断火引起的转速变化。发动机因断火引起的转速变化。上一页 返回6.4 氧传感器的材料与工作原理氧传感器的材料与工作原理6.4.1二氧化锆型二氧化锆型 已经批量生产的二氧化锆部件的结构原理如已经批量生产的二氧化锆部件的结构原

23、理如图图6一一6所示。它所示。它是由一端已密封的试管状固体电解质元件、其表面的铂电极是由一端已密封的试管状固体电解质元件、其表面的铂电极及保护用陶瓷层组成的。一般的尾气中含有未燃烧成分与剩及保护用陶瓷层组成的。一般的尾气中含有未燃烧成分与剩余的氧，为了弄清楚准确的空气过剩率，就需要使这些未燃余的氧，为了弄清楚准确的空气过剩率，就需要使这些未燃烧成分与剩余的氧进行反应以达平衡状态。通过电极上所用烧成分与剩余的氧进行反应以达平衡状态。通过电极上所用铂的催化作用，可以促进其反应的进行。从空气过剩率与平铂的催化作用，可以促进其反应的进行。从空气过剩率与平衡氧分压的关系可知，以衡氧分压的关系可知，以=1

24、.00处为界，平衡氧分压出现处为界，平衡氧分压出现了急剧的变化。了急剧的变化。下一页返回6.4 氧传感器的材料与工作原理氧传感器的材料与工作原理 氧传感器将产生氧传感器将产生图图6-7所示的电压。二氧化锆型氧传感器的所示的电压。二氧化锆型氧传感器的电动势随温度的变化情况，如电动势随温度的变化情况，如图图6-8所示。所示。低温区浓状态下氧传感器的输出电压比较低，这是传感器元低温区浓状态下氧传感器的输出电压比较低，这是传感器元件的内阻在低温区时相当高的原因造成的，即使利用输入阻件的内阻在低温区时相当高的原因造成的，即使利用输入阻抗很高的普通电压表也无法测出其输出电压。高温区浓状态抗很高的普通电压表

25、也无法测出其输出电压。高温区浓状态下氧传感器的输出电压也比较低，这是由高温下氧分压引起下氧传感器的输出电压也比较低，这是由高温下氧分压引起的。的。上一页 下一页返回6.4 氧传感器的材料与工作原理氧传感器的材料与工作原理 低温区稀状态下氧传感器的输出电压增高，这是非平衡气体低温区稀状态下氧传感器的输出电压增高，这是非平衡气体影响所造成的，对此点后面还要加以说明，总之，要想在低影响所造成的，对此点后面还要加以说明，总之，要想在低温区快速利用传感器时，就要降低传感器的内阻，采用高输温区快速利用传感器时，就要降低传感器的内阻，采用高输入阻抗的电压表。也需要设法在传感器内设加热器，以加热入阻抗的电压表

26、。也需要设法在传感器内设加热器，以加热传感元件。传感元件。上一页 下一页返回6.4 氧传感器的材料与工作原理氧传感器的材料与工作原理 ZrO2有三种晶体有三种晶体:单斜晶体单斜晶体(M)，正方晶体，正方晶体(T)及立方晶体及立方晶体(C)，其中，其中M/T的转换，会使晶体体积变化的转换，会使晶体体积变化4%左右，这很左右，这很容易使晶体老化。当容易使晶体老化。当ZrO2中加入中加入Y2O3,CaO,MgO,Yb2O3后，就可以控制后，就可以控制M/T的转移，增加其稳定性。的转移，增加其稳定性。强度的机理与强度的机理与T/M的转移存在着一定关系，利用这一机理制的转移存在着一定关系，利用这一机理制

27、成的二氧化锆陶瓷简称为成的二氧化锆陶瓷简称为TTZ或或ZTC。对传感器来说，电导率是一项很重要的参数，对传感器来说，电导率是一项很重要的参数，为了保证批量为了保证批量生产的传感器在经受严格的热循环后电特性保持正常，若稳生产的传感器在经受严格的热循环后电特性保持正常，若稳定性很好的话，往往选定定性很好的话，往往选定Y2O3在在46mol%。上一页 下一页返回6.4 氧传感器的材料与工作原理氧传感器的材料与工作原理 传感器上，二氧化锆固体电解质的外侧电极涂敷有陶瓷保护传感器上，二氧化锆固体电解质的外侧电极涂敷有陶瓷保护层。对传感器的性能来说，催化剂特性有两个重要的作用。层。对传感器的性能来说，催化

28、剂特性有两个重要的作用。一是尾气中存在有未燃烧的气体，由此造成测量误差，催化一是尾气中存在有未燃烧的气体，由此造成测量误差，催化剂对此起着平衡作用剂对此起着平衡作用;另一个是，因电极上进行的是电化学反另一个是，因电极上进行的是电化学反应，其内容包括电子的移动、氧分子的吸附，脱离，氧离子应，其内容包括电子的移动、氧分子的吸附，脱离，氧离子的形成，因移动与脱离而渗入固体电解质，而作为逆反应包的形成，因移动与脱离而渗入固体电解质，而作为逆反应包括从固体电解质中捕获氧离子，使其移动，形成氧分子，形括从固体电解质中捕获氧离子，使其移动，形成氧分子，形成气态等，催化剂都担负着重要作用。成气态等，催化剂都担

29、负着重要作用。上一页 下一页返回6.4 氧传感器的材料与工作原理氧传感器的材料与工作原理6.4.2二氧化钛型二氧化钛型 二氧化钛的熔点是二氧化钛的熔点是1750，它以三种状态存在，氧化钛，它以三种状态存在，氧化钛(B)、锐钛矿形锐钛矿形(A)、板钛矿形、板钛矿形(B)。其中的。其中的R形从低温到高温一直形从低温到高温一直是稳定状态，没有必要像是稳定状态，没有必要像ZrO2那样，需要考虑状态转移的问那样，需要考虑状态转移的问题，是适合制作传感器的材料，下面以多孔形题，是适合制作传感器的材料，下面以多孔形TiO2陶瓷的电陶瓷的电阻温度特性为例加以说明，如阻温度特性为例加以说明，如图图6一一9所示，

30、将此图大致分所示，将此图大致分5个方面加以说明。个方面加以说明。上一页 下一页返回6.4 氧传感器的材料与工作原理氧传感器的材料与工作原理 (1)表面的化学吸附。这是指表面靠化学吸附的表面的化学吸附。这是指表面靠化学吸附的O2,H2O,CO,HC气体与气体与TiO2表面之间电子转移所引起的现表面之间电子转移所引起的现象，这主要从室温至象，这主要从室温至400可以发现可以发现:电阻的变化程度随温度电阻的变化程度随温度及表面状态而变化。及表面状态而变化。(2)TiO2自身体电阻的变化。随着温度的升高，热量激励出自身体电阻的变化。随着温度的升高，热量激励出的载流子的数量增多。所以，电阻减小。这种变化

31、相当于热的载流子的数量增多。所以，电阻减小。这种变化相当于热量形成空穴的能量，这是量形成空穴的能量，这是TiO2固有的性质固有的性质.(3)氧分压的影响氧分压的影响.(4)非平衡气体的影响非平衡气体的影响.(5)原子价控制的影响原子价控制的影响.上一页 返回6.5 氧传感器的结构与特点氧传感器的结构与特点6.5.1圆筒形二氧化锆传感器圆筒形二氧化锆传感器 为保证二氧化锆传感器能够安装在汽车等的排气管上，都用为保证二氧化锆传感器能够安装在汽车等的排气管上，都用金属件将陶瓷零件金属件将陶瓷零件二氧化锆件保护起来。二氧化锆氧传感二氧化锆件保护起来。二氧化锆氧传感器大致可分为带加热器和不带加热器两种，

32、其结构分别如器大致可分为带加热器和不带加热器两种，其结构分别如图图6一一10和和图图6一一11所示。所示。近年来，随着发动机的改进，尾气温度有下降的趋势，为了近年来，随着发动机的改进，尾气温度有下降的趋势，为了获取更稳定的信号，加上目前又趋向将氧传感器安装在尾气获取更稳定的信号，加上目前又趋向将氧传感器安装在尾气混合状态良好的下游侧，所以目前的主导产品是带加热器型混合状态良好的下游侧，所以目前的主导产品是带加热器型的氧传感器的氧传感器(简称为简称为HEGO)。下一页返回6.5 氧传感器的结构与特点氧传感器的结构与特点 NTK公司很久以前就已经利用公司很久以前就已经利用IC外壳的封装技术，并可把

33、加外壳的封装技术，并可把加热器的图形印刷在陶瓷片上，利用同时烧结的办法制出精巧热器的图形印刷在陶瓷片上，利用同时烧结的办法制出精巧的加热器。带加热器型氧传感器的输出特性如的加热器。带加热器型氧传感器的输出特性如图图6-12所示。所示。在加热器的作用下，元件很快被加热，当发动机启动之后，在加热器的作用下，元件很快被加热，当发动机启动之后，在很短的时间内元件达到活性温度，并进入控制状态。对排在很短的时间内元件达到活性温度，并进入控制状态。对排放控制来说，与无加热器型相比，带加热器的氧传感器要好放控制来说，与无加热器型相比，带加热器的氧传感器要好多了。今后，排放法规会越来越严格，所以，带加热器的氧多

34、了。今后，排放法规会越来越严格，所以，带加热器的氧传感器将成为今后的主流产品。传感器将成为今后的主流产品。上一页 下一页返回6.5 氧传感器的结构与特点氧传感器的结构与特点6.5.2搭铁绝缘型二氧化锆传感器搭铁绝缘型二氧化锆传感器 为了对发动机实行更精密的控制，要把氧传感器安装在各气为了对发动机实行更精密的控制，要把氧传感器安装在各气缸气体已经均匀混合的下游，这样效果好。但这时，传感器缸气体已经均匀混合的下游，这样效果好。但这时，传感器与微机之间会形成电位差，即两者之间的电阻增加，此外，与微机之间会形成电位差，即两者之间的电阻增加，此外，发动机产生的干扰会窜到信号线上，造成发动机控制出现故发动

35、机产生的干扰会窜到信号线上，造成发动机控制出现故障。障。上一页 下一页返回6.5 氧传感器的结构与特点氧传感器的结构与特点 也就是说，传感器安装位置附近的搭铁电位与蓄电池、微机也就是说，传感器安装位置附近的搭铁电位与蓄电池、微机等的搭铁电位会出现电位差。与微机的搭铁电位相比，当传等的搭铁电位会出现电位差。与微机的搭铁电位相比，当传感器搭铁电位高感器搭铁电位高V时，则电位差的值叠加到传感器的信号时，则电位差的值叠加到传感器的信号上，由此而造成理论空燃比控制出现偏差。此外，也有的将上，由此而造成理论空燃比控制出现偏差。此外，也有的将氧传感器安装在排气管上，随着汽车使用时间的加长与传感氧传感器安装在

36、排气管上，随着汽车使用时间的加长与传感器间的连接电阻增加。器间的连接电阻增加。上一页 下一页返回6.5 氧传感器的结构与特点氧传感器的结构与特点 为了解决这一问题，有一种方案是，将引出线焊在传感器的为了解决这一问题，有一种方案是，将引出线焊在传感器的本体上，再引出传感器搭铁线，由此可能造成在搭铁线回路本体上，再引出传感器搭铁线，由此可能造成在搭铁线回路中，电波干扰调制了传感器输出信号。中，电波干扰调制了传感器输出信号。为了避免出现上述问题，就要设法使传感器的信号不通过发为了避免出现上述问题，就要设法使传感器的信号不通过发动机的本体，而从元件直接输出。称这种规格的为搭铁绝缘动机的本体，而从元件直

37、接输出。称这种规格的为搭铁绝缘型型(或称为不搭铁型或称为不搭铁型)氧传感器氧传感器,NTK公司最先将这种产品供向公司最先将这种产品供向市场。目前，有市场。目前，有70%以上的氧传感器都是搭铁绝缘型，且带以上的氧传感器都是搭铁绝缘型，且带加热器。加热器。上一页 下一页返回6.5 氧传感器的结构与特点氧传感器的结构与特点 主绝缘采用了机械强度高、绝缘性能好的结构材料主绝缘采用了机械强度高、绝缘性能好的结构材料氧化铝氧化铝陶瓷，氧化铝陶瓷件设置在主接头与传感元件之间，采用滑陶瓷，氧化铝陶瓷件设置在主接头与传感元件之间，采用滑石作填加材料，通过热铆主接头，将传感元件密封固定。通石作填加材料，通过热铆主

38、接头，将传感元件密封固定。通过印刷、烧结工艺将引出线与传感元件外表面相连，负信号过印刷、烧结工艺将引出线与传感元件外表面相连，负信号就从这里输出。传感器的结构如就从这里输出。传感器的结构如图图6一一13所示。所示。绝缘特性的调查结果如绝缘特性的调查结果如图图6一一14所示。所示。上一页 下一页返回6.5 氧传感器的结构与特点氧传感器的结构与特点6.5.3板状二氧化锆传感器板状二氧化锆传感器 以前的氧传感器采用的都是陶瓷粉末的压力成形工艺，这种以前的氧传感器采用的都是陶瓷粉末的压力成形工艺，这种工艺与从前火花塞绝缘件的成形工艺完全相同，可靠性也非工艺与从前火花塞绝缘件的成形工艺完全相同，可靠性也

39、非常高。与此相比，近几年又开发出了陶瓷的新工艺，即层压常高。与此相比，近几年又开发出了陶瓷的新工艺，即层压工艺，这种工艺已用于叠层电容器及陶瓷工艺，这种工艺已用于叠层电容器及陶瓷IC封装的生产之中。封装的生产之中。这种工艺的流程是，将热可塑性树脂混合在陶瓷粉末中，制这种工艺的流程是，将热可塑性树脂混合在陶瓷粉末中，制成薄片，再将这些薄片重叠制成板状件，接着烧结成一个整成薄片，再将这些薄片重叠制成板状件，接着烧结成一个整的工件。因为薄片比较柔软、容易加工，所以可切断或钻孔。的工件。因为薄片比较柔软、容易加工，所以可切断或钻孔。此外，在其表面涂覆金属浆料，还可以包镀金属。采用这种此外，在其表面涂覆

40、金属浆料，还可以包镀金属。采用这种工艺制作板状二氧化锆传感器公开于工艺制作板状二氧化锆传感器公开于1985年，其结构如年，其结构如图图6一一15所示。所示。上一页 下一页返回6.5 氧传感器的结构与特点氧传感器的结构与特点6.5.4二氧化钛氧传感器二氧化钛氧传感器 与二氧化锆件不同，二氧化钛氧传感器不需要与大气压进行与二氧化锆件不同，二氧化钛氧传感器不需要与大气压进行对比，所以，很简单地就可以做到防水。为支撑基板，可用对比，所以，很简单地就可以做到防水。为支撑基板，可用玻璃做到完全密封。这样，利用玻璃密封就可以隔断尾气中玻璃做到完全密封。这样，利用玻璃密封就可以隔断尾气中的水分。此外，通过在引

41、出线与保护壳之间设置用硅橡胶材的水分。此外，通过在引出线与保护壳之间设置用硅橡胶材料制成的衬垫，可以防止水从传感器四周渗入。料制成的衬垫，可以防止水从传感器四周渗入。上一页 下一页返回6.5 氧传感器的结构与特点氧传感器的结构与特点 传感元件的设计结构如传感元件的设计结构如图图6一一16所示，传感器多层所示，传感器多层(3层层)氧化氧化铝基板上设有二氧化钛厚膜，基板内部有利用铝基板上设有二氧化钛厚膜，基板内部有利用Pt喷涂工艺形喷涂工艺形成的加热器及分压电阻成的加热器及分压电阻,属于小型混合集成电路结构。利用分属于小型混合集成电路结构。利用分压电阻从蓄电池电压上分压出约压电阻从蓄电池电压上分压

42、出约1V的电压作传感器电源。中的电压作传感器电源。中间的氧化铝层起保护加热器、提高耐久性的作用，同时，可间的氧化铝层起保护加热器、提高耐久性的作用，同时，可以防止加热器电源误加至传感元件上。因为基板与二氧化钛以防止加热器电源误加至传感元件上。因为基板与二氧化钛的密合性对传感器的可靠性非常重要。所以，利用陶瓷小球的密合性对传感器的可靠性非常重要。所以，利用陶瓷小球将基板表面设计成凸凹不平的结构，二氧化钛膜填满了球与将基板表面设计成凸凹不平的结构，二氧化钛膜填满了球与基板之间空隙，由此可以防止二氧化钛厚膜从基板上脱落。基板之间空隙，由此可以防止二氧化钛厚膜从基板上脱落。上一页 下一页返回6.5 氧

43、传感器的结构与特点氧传感器的结构与特点 本节介绍的传感器属电阻变化型，所以电极附近的二氧化钛本节介绍的传感器属电阻变化型，所以电极附近的二氧化钛电阻变化时，传感器就可以测出周围气氛的变化。因为电极电阻变化时，传感器就可以测出周围气氛的变化。因为电极位于二氧化钛厚膜的最深处，所以，尾气向厚膜中的扩散速位于二氧化钛厚膜的最深处，所以，尾气向厚膜中的扩散速度及其间非平衡气体的反应状况决定着传感器的特性。目的度及其间非平衡气体的反应状况决定着传感器的特性。目的就是要使二氧化钛的气孔直径、厚膜及催化特性对各项应用就是要使二氧化钛的气孔直径、厚膜及催化特性对各项应用达到最佳状态。达到最佳状态。上一页 下一

44、页返回6.5 氧传感器的结构与特点氧传感器的结构与特点 归纳起来，本节介绍的传感器有下述特点。归纳起来，本节介绍的传感器有下述特点。因为加热器、电极分压电阻制成一个整体，所以以较低的因为加热器、电极分压电阻制成一个整体，所以以较低的成本就可生产出带加热器的传感器成本就可生产出带加热器的传感器;与二氧化锆传感器不同，与二氧化锆传感器不同，不需要比较元件，所以，防水设计比较简单不需要比较元件，所以，防水设计比较简单;不易出现含铅不易出现含铅汽油引起的中毒现象。汽油引起的中毒现象。上一页返回6.6 氧传感器使用中的问题氧传感器使用中的问题6.6.1氧传感器的安装氧传感器的安装 在考虑氧传感器的安装位

45、置时，需要考虑到为激活元件顶端在考虑氧传感器的安装位置时，需要考虑到为激活元件顶端检测部位所需的最低温度和防止高温老化的最高温度。通常，检测部位所需的最低温度和防止高温老化的最高温度。通常，二氧化锆传感器的标准工作温度为二氧化锆传感器的标准工作温度为350850。仅就热。仅就热老化来看时，当元件温度在老化来看时，当元件温度在100时其寿命可提高时其寿命可提高9倍，但倍，但当温度过低时，所析出的沉淀物增多，所以希望其工作温度当温度过低时，所析出的沉淀物增多，所以希望其工作温度范围为范围为600800。下一页返回6.6 氧传感器使用中的问题氧传感器使用中的问题 氧传感器大多安装在多个气缸排放的汇合

46、部位，但传感元件氧传感器大多安装在多个气缸排放的汇合部位，但传感元件温度及尾气混合程度随安装位置而变化。温度及尾气混合程度随安装位置而变化。为了实现稳定的控制，目前大多都把传感器安装在汇合管道为了实现稳定的控制，目前大多都把传感器安装在汇合管道的下游，各缸的排气得以在汇合管道内充分混合。在这种场的下游，各缸的排气得以在汇合管道内充分混合。在这种场合下，因为尾气温度比较低，所以一般用带加热器的氧传感合下，因为尾气温度比较低，所以一般用带加热器的氧传感器。器。上一页 下一页返回6.6 氧传感器使用中的问题氧传感器使用中的问题6.6.2耐高温与中毒老化耐高温与中毒老化 在推测传感器质量保证时间时，很

47、重要的一项工作是搞清楚在推测传感器质量保证时间时，很重要的一项工作是搞清楚氧传感器的老化机理。为了保护地球的环境，法规要求增加氧传感器的老化机理。为了保护地球的环境，法规要求增加传感器的质量保证时间。但是，另一方面，车辆的使用方法传感器的质量保证时间。但是，另一方面，车辆的使用方法即传感器的使用方法不尽相同，按理是不能用一种评价方法即传感器的使用方法不尽相同，按理是不能用一种评价方法来推测寿命。下面就来说明尾气温度与各种中毒原因之间的来推测寿命。下面就来说明尾气温度与各种中毒原因之间的关系关系;对老化机理的分析，仅供读者参考。对老化机理的分析，仅供读者参考。上一页 下一页返回6.6 氧传感器使

48、用中的问题氧传感器使用中的问题 (1)尾气空燃比与老化尾气空燃比与老化 (2)铅中毒铅中毒 (3)磷磷(P)中毒中毒 (4)硅硅(Si)中毒中毒上一页 下一页返回6.6 氧传感器使用中的问题氧传感器使用中的问题6.6.3非平衡气体的影响非平衡气体的影响 氧传感器的作用本来只是测量尾气中的含氧量。但在实际的氧传感器的作用本来只是测量尾气中的含氧量。但在实际的尾气中，还残留有未燃烧气体，因此，怎样分析未燃烧气体尾气中，还残留有未燃烧气体，因此，怎样分析未燃烧气体的成分就摆在人们的面前。汽车上装用氧传感器的日的是有的成分就摆在人们的面前。汽车上装用氧传感器的日的是有效地发挥三元催化剂的作用。前面已经

49、讲过，氧传感器装在效地发挥三元催化剂的作用。前面已经讲过，氧传感器装在催化剂下游时，其输出电压精度最高。本节将说明氧传感器催化剂下游时，其输出电压精度最高。本节将说明氧传感器对未燃烧气体的影响。二氧化锆传感器的气敏机理如对未燃烧气体的影响。二氧化锆传感器的气敏机理如图图6一一17所示，现分区加以说明。所示，现分区加以说明。上一页 下一页返回6.6 氧传感器使用中的问题氧传感器使用中的问题 (1)低温区低温区(低于低于400)。在此区域内传感器电极的催化能。在此区域内传感器电极的催化能力很低，传感器的输出信号也低。一般来说，传感器电极上力很低，传感器的输出信号也低。一般来说，传感器电极上吸附有尾

50、气中的未燃气体，然后凭借与电极的催化能力，未吸附有尾气中的未燃气体，然后凭借与电极的催化能力，未燃气体完全燃烧，传感器测得平衡氧分压，但在低温区域时，燃气体完全燃烧，传感器测得平衡氧分压，但在低温区域时，仅能吸附气体，引起燃烧的能力下降。仅能吸附气体，引起燃烧的能力下降。上一页 下一页返回6.6 氧传感器使用中的问题氧传感器使用中的问题 (2)中温区中温区(400一一600)。在中温区，传感器的内阻减小，。在中温区，传感器的内阻减小，所以就没有所以就没有(1)中中所述的问题。传感器的催化剂活性也在某所述的问题。传感器的催化剂活性也在某种程度上呈现出来，种程度上呈现出来，CO被吸附的同时，与氧气