《傳感器及檢測技術(shù)》配套PPT課件
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UEGO寬帶氧傳感器,寬域氧傳感器,寬量程氧傳感器的工作原理
隨著對汽車尾氣排放要求的不斷提高，傳統(tǒng)的開關(guān)型氧傳感器已不能滿足高排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，取而代之的是控制精度更高的線性寬域氧傳感器。
寬域氧傳感器（Universal Exhaust Gas Oxygen Sens，簡稱UEGO）能夠提供準(zhǔn)確的空燃比反饋信號給ECU，從而ECU精確地控制噴油時間，使氣缸內(nèi)的混合氣濃度始終保持理論空燃比值。寬域氧傳感器的使用提高了ECU的控制精度，最大限度地發(fā)揮了三元催化器的作用，更加有效地降低了有害氣體的排放。寬域氧傳感器及其控制器的研究與開發(fā)，與當(dāng)今汽車發(fā)展中的安全、環(huán)保、節(jié)能三大主題相吻合，具有一定的現(xiàn)實和長遠(yuǎn)意義。
寬域氧傳感器，顧名思義它的測量范圍變大。寬域氧傳感器是在普通開關(guān)型氧傳感器的基礎(chǔ)上增加了一個泵氧膜片。當(dāng)發(fā)動機(jī)排放氣體流經(jīng)寬域氧傳感器頭部時，它將反饋一個電壓信號給控制器，告知控制器氣缸內(nèi)混合氣是稀了還是濃了；之后控制器將產(chǎn)生一個泵電流流經(jīng)寬域氧傳感器泵氧膜片，從而消耗過量的氧氣或燃料，使氣缸內(nèi)混合氣的濃度始終維持在理論值附近。
寬域氧傳感器的工作原理主要是：
1、采集傳感器的反饋信號。
2、產(chǎn)生泵電流控制信號。
3、通過采集泵電流流經(jīng)某一特定電阻產(chǎn)生的電壓，得知泵電流的大小，再通過AD轉(zhuǎn)換輸入到控制芯片。
寬帶型氧傳感器的基本控制原理就是以普通氧化鋯型氧傳感器為基礎(chǔ)擴(kuò)展而來。氧化鋯型氧傳感器有一特性，就是當(dāng)氧離子移動時會產(chǎn)生電動勢。若相反將電動勢加在氧化鋯組件上，即會造成氧離子的移動，根據(jù)此原理即可由發(fā)動機(jī)控制單元控制所想要的比例值。
根據(jù)氧傳感器的制造材料不同，寬帶型氧傳感器可分為以ZrO2為基體的固化電解質(zhì)型和利用氧化物半導(dǎo)體電阻變化型兩大類；根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)不同，寬帶型氧傳感又可分為電池型，臨界電流型及泵電池型。
構(gòu)成寬帶型氧傳感器的組件有兩個部分：
?一部分為感應(yīng)室，它的一面與大氣接觸而另一面是測試腔，通過擴(kuò)散孔與排氣接觸，和普通氧化鋯氧傳感器一樣，由于感應(yīng)室兩側(cè)的氧含量不同而產(chǎn)生一個電動勢，一般的氧化鋯傳感將此電壓作為控制單元的輸入信號來控制混合比而寬帶型氧傳感器與此不同的是：發(fā)動機(jī)控制單元要把感應(yīng)室兩側(cè)的氧含量保持一致，讓電壓值維持在0.45V，這個電壓只是電腦的參考標(biāo)準(zhǔn)值，它就需要傳感器的另一部分來完成。
另一部分是傳感器的關(guān)鍵部件泵氧元，泵氧元一邊是排氣，另一邊是與測試腔相連。泵氧元就是利用氧化鋯傳感器的反作用原理，將電壓施加于氧化鋯組件（泵氧元）上，這樣會造成氧離子的移動，把排氣中的氧泵入測試腔當(dāng)中，使感應(yīng)室兩側(cè)的電壓值維持在0.45V.這個施加在泵氧元上變化的電壓，才是我們要的氧含量信號。如果混合氣太濃，那么排氣中含氧量下降，此時從擴(kuò)散孔溢出的氧較多，感應(yīng)室的電壓升高。為達(dá)到平衡發(fā)動機(jī)控制單元增加控制電流使泵氧元增加泵氧效率，使測試腔的氧含量增加，這樣可以調(diào)節(jié)感應(yīng)室的電壓恢復(fù)的0.45v；相反混合氣太稀，則排氣中的含氧量增加，這時氧要從擴(kuò)散孔進(jìn)入測試腔，感應(yīng)室電壓降低，此時泵氧元向外排出氧來平衡測試腔中的含氧量，使感應(yīng)室的電壓維持在0.45v.總而言之，加在泵氧元上的電壓可以保證當(dāng)測試腔內(nèi)的氧多時，排出腔內(nèi)的氧，這時發(fā)動機(jī)控制單元的控制電流是正電流；當(dāng)腔內(nèi)的氧少時，進(jìn)行供氧，此時發(fā)動機(jī)控制單元的控制電流是負(fù)電流。以上過程供給泵氧元的電流就反映了排氣中的剩余空氣含量系數(shù)。
淺析電噴汽車的寬量程氧傳感器
一、普通氧傳感器的缺陷
普通氧傳感器一般有4根線，其中2根是加熱線，第3根是信號線，另1根是接地線。它是在陶瓷體兩側(cè)附著二氧化鋯涂層，在350℃或更高的溫度下能傳導(dǎo)氧離子，傳感器兩側(cè)氧氣的濃度差使兩個表面之間產(chǎn)生電位差，且工作曲線非常陡峭，混合氣在接近理論空燃比時，輸出0.45V電壓。尾氣稍微偏濃時，輸出電壓就突變?yōu)?.6V～0.9V；反之，尾氣變稀后，輸出電壓突變?yōu)?.3V～0.1V（圖1）,我們來分析一下：如果尾氣進(jìn)一步增濃，氧傳感器的電壓會不會再增加呢？0.9V的輸出電壓已經(jīng)封頂，另外如果尾氣進(jìn)一步變稀，氧傳感器的電壓會不會再一次降低呢？0.1V的輸出電壓已經(jīng)是谷底。從上面分析來看，過濃與過稀的尾氣對普通氧傳感已無法測量。0.1V～0.9V的兩狀態(tài)電壓信號已無法滿足對汽車排放的控制。它只能在混合氣為14.7:1的理論空燃比下，在混合氣燃燒后，對排放的尾氣含氧量在比較狹窄的范圍內(nèi)進(jìn)行檢測，因此這是普通氧傳感器的缺陷所在。
二、寬量程氧傳感器的結(jié)構(gòu)和工作
為了克服普通氧傳感器帶來的缺陷，新一代寬量程氧傳感器誕生了。寬量程氧傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。它由1個普通窄范圍濃差電壓型氧傳感器（氧化鋯參考電池、1個界限電流型氧傳感器、氧化鋯泵電池）及擴(kuò)散小孔、擴(kuò)散室構(gòu)成。它需要一個專門設(shè)計的傳感器控制器來控制其正常工作。在圖2中傳感器控制器用A和B 表示。尾氣通過擴(kuò)散小孔進(jìn)入擴(kuò)散室，尾氣可能是富油的濃混合氣，也可能是富氧的稀混合氣。氧化鋯參考電池感知尾氣的濃度后，產(chǎn)生電壓Us，根據(jù)尾氣濃度的不同，富油的濃混合氣將產(chǎn)生高于參考電壓UsRef的Us，傳感器控制器將產(chǎn)生一個方向的泵電流Ip，該泵電流Ip將氧氣泵入擴(kuò)散室內(nèi)進(jìn)行化學(xué)分解反應(yīng)，在廢氣中產(chǎn)生水和一氧化碳及一些氧化物，附著在泵氧元的表面。在化學(xué)反應(yīng)中將過多的碳?xì)浠衔锓纸?，從而降低了廢氣的濃度，使擴(kuò)散室恢復(fù)到Us電壓為 0.45V的尾氣含氧濃度的平衡狀態(tài)。相反，富氧的稀混合氣將產(chǎn)生低于參考電壓UsRef的Us，傳感器控制器將產(chǎn)生一個反方向的泵電流Ip，該泵電流 Ip將氧氣泵出擴(kuò)散室。當(dāng)HC燃料或氧氣被中和時，參考電池產(chǎn)生的電壓Us等于參考電壓UsRef,此時的泵電流IP就反映了尾氣的濃度，傳感器控制器將泵電流IP轉(zhuǎn)換成輸出電壓Uout通過改變泵電流的極性（電流流動方向）與大小就可以達(dá)到平衡擴(kuò)散室里的尾氣含氧量，如何將這個變化的泵電流再去控制發(fā)動機(jī)ECU對噴油器噴油時間的調(diào)整，是至關(guān)重要的。在控制環(huán)路中有一塊DSP（數(shù)字信號處理器）電路，該電路有二路輸出，一路將變化的泵電流信號通過放大數(shù)模轉(zhuǎn)換成線性電壓，此電壓從0V～5V連續(xù)變化，去控制發(fā)動機(jī)ECU的空燃比調(diào)整。另一路輸出脈寬調(diào)制信號去控制COM場效應(yīng)開關(guān)晶體管導(dǎo)通與截止時間，給加熱器提供電流，加熱氧傳感器。
從圖3中可以看到寬量程氧傳感器的特點，工作曲線平滑，能夠連續(xù)檢測空燃比從10至20，相當(dāng)于過量空氣系數(shù)從0.686至1.405的寬范圍，當(dāng)線性電壓在2.5V時，就達(dá)到了理論空燃比14.7的控制。
在檢測寬量程氧傳感器時，不能用萬用表電壓擋及示波器進(jìn)行直接測量氧傳感器的端口線束電壓。只能用相關(guān)的專用檢測儀進(jìn)行數(shù)據(jù)流分析。本田新款車系安裝在三效催化轉(zhuǎn)化器上游的為空燃比（AFR）傳感器，檢測信號為電流（mA）值（圖4）。
三、寬量程氧傳感器的測試方法
寬量程氧傳感器單件檢測只要1項：端子3和4是加熱器，不應(yīng)該開路，加在上面的電壓為12V，端子1是信號輸出，端子5和6是參考電壓，端子2是泵電流輸入。有的寬量程氧傳感器端子5和6是作為同一個端子輸出。
維修站的方法是通過讀取數(shù)據(jù)流進(jìn)行分析。以寶來為例說明：發(fā)動機(jī)控制單元將寬量程氧傳感器的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓值顯示出來。寬量程氧傳感器的電壓規(guī)定值為 1.0V～2.0V。電壓值大于1.5V時混合氣過?。ㄑ醵啵妷褐敌∮?.5V時混合氣過濃（氧少）。電壓值為OV、1.5V、4.9V的恒定值時都說明氧傳感器線路有故障。用示波器觀察的電壓峰值可能到4.9V，這是正常的。
氧化錯型氧傳感器的電壓規(guī)定值為0.0V～1.0V。電壓值大于0.45V時混合氣過濃，電壓值小于0.45V時混合氣過稀，電壓值為OV、0.4V～0.5V、1.1V的恒定值時都說明氧傳感器線路出現(xiàn)故障。
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