汽车氧传感器的前世今生

氧传感器，一个老掉牙的话题，在混合动力和纯电动大行其道的今天，再来谈氧传感器有点落伍了。

鉴于纯电动和其他类型新能源汽车的普及还需要时日，在今后很长的一段日子里，燃油车仍将是主流，多家欧洲车企明确表态，混合动力车型在今后仍然将会持续生产……综合这些情况，说明发动机不会很快的淘汰，更不会彻底的退出历史舞台，那么我们今天讨论氧传感器，也还有意义。

之所以要老调重弹，是因为很多书上和资料上对氧传感器的介绍看着挺详细，什么都说了，但是在我们仔细深究的时候，发现关于氧传感器，我们的了解其实还是似是而非的样子，更何况我们一些工作在维修一线的同行兄弟们，并未受过专业培训和系统性训练，对于氧传感器的了解和认知，不同程度上都存在认识上的片面性，在面对氧传感器或者说混合气故障的诊断的时候，缺乏系统性的考虑。

接下来聊正事：

一、氧传感器简史

1、功能

在正常工作的发动机排气系统中的氧气或 lambda 传感器监测 A/F 比，检测频率高达每秒一百次左右，并把这个信息报告给车辆的 ECU 或发动机控制单元（也称为 PCM 或 ECM）。发动机据此进行适当的调整以确保空燃比是理想的或接近理论空燃比的附近进行工作，从而帮助发动机更有效地燃烧燃料。大多数氧传感器使用氧化锆的核心材料，它产生与排气中氧气量相关的电压，从这一角度来说，氧传感器更像是一个根据氧含量变化而可以产生输出电压信号的电池，这样讲，不够准确，但是能够帮助大家理解。

2、进化

真正实用意义上的汽车发动机氧传感器由罗伯特博世公司开发，并于 1970 年代后期首次用于沃尔沃公司的发动机管理系统中。

最初，汽车氧传感器只有一根或两根电线，由氧化锆制成，呈顶针形状，这种结构在2000年前很多日系车型电控发动机上也能经常见到。传感器依靠排气系统中的热量将它们加热到所需的工作温度。这种不带加热器的氧传感器的问题是传感器从不工作（氧传感器不能工作会让 ECU 处于开环模式）到工作（闭环模式）需要很长时间，通常超过一分钟。为了缩短这个预热开环工作时间，一些汽车制造商故意延迟点火正时来加热排气，以提供更快的氧传感器和催化剂预热。

早在 1980 年代初期，氧传感器制造商在套管中心添加了一个小型棒式加热器，可以更快地将陶瓷套管加热到其工作温度。加热传感器可以安装在催化转化器旁边的下游——这是一个更理想的位置，因为废气处于更均匀的状态，并且传感器过热的可能性大大降低。

第一个版本是采用外壳接地作为传感器信号的三线传感器，后来的应用采用了我们大家最常见的带有隔离接地的四线版本加热型氧传感器。

早期汽车发动机管理系统氧传感器的应用最广泛的国家是美国，从 1990 年代初加州车辆和 1996 年其他 49 个州开始实施 OBDII 控制。

对氧传感器的要求急剧增加。伴随着电子控制技术的进步，新技术被不断地开发出来，氧传感器被放置在更多的位置，从而增加了它们对 ECU 的反馈。

当前的窄带传感器只能读取“浓”或“稀”的读数，已被替换。

新一代的四线和五线乃至六线宽带传感器现在正在许多车辆应用中使用。这些传感器允许精确测量 A/F 比，从而实现更加严格的排放控制。

虽然第一辆配备传感器的车辆只有一个传感器，但今天的车辆最多可以有八个。最初的单线传感器加入了加热、平面、二氧化钛、FLO（快速熄灯）、UFLO（超快速熄灯）、宽带（宽频）和 A/F 传感器。现代氧传感器，由于其复杂性和位置，是现代车辆的燃料喷射和低排放发动机混合气相关故障诊断变得复杂的主要原因。

下图是典型的传感器组件

二、氧传感器类型和功能

1、不带加热器的氧传感器

单线或两线不带加热式氧传感器是最早也是最基本的传感器类型。单线传感器仅使用一根信号线，而两线版本也有一根接地线。不带加热的传感器需要外部热量进行必要的工作预热，因此只能安装在靠近发动机排气口的位置，矛盾的是这一位置并不是测量空燃比的理想位置。不带加热氧传感器的另一个限制是它可能需要一分钟或更长时间才能达到正常运行所需的温度。

2、加热型氧传感器

三线和四线的加热氧传感器的发展是为了更快地达到工作温度。

加热元件是一个内部电阻器，通过通过它的电流加热。加热传感器可以放置在排气系统的下游位置，与不带加热传感器相比，它将在适当的温度下保持更长的时间。所有现代氧传感器都使用加热器，但类型和加热时间各不相同。

3、FLO & UFLO

快速熄灯和超快速熄灯传感器采用低电阻、高功率密度加热器以加快预热时间。这些传感器可以在短短 20 秒内达到工作温度。由于车辆在冷车时排放最有害，因此 FLO 和 UFLO 能够帮助减少其他传感器无法做到的污染。传感器热器元件如上图所示。

4、平面型氧传感器

平面传感器使用特殊工艺粘合在一起的氧化锆和氧化铝层。该技术可以更快地预热传感器，因为要加热的质量要小得多，并且加热器与传感部分直接接触。平面传感器的典型预热时间范围为 5 到 30 秒。

5、空燃比传感器和宽频氧传感器

最早的五线宽带氧传感器于 1994 年推出。与四线空燃比传感器一起，它们代表了当时氧传感器技术的最新水平。它们消除了窄带传感器固有的贫/富燃油循环，使控制单元能够更快地调整发动机的燃料输送和点火正时。

6、氧传感器的选型

对于氧传感器来说，通用型氧传感器可以制造成适合各种应用情况的传感器，前提是该传感器是我们所维修车辆的正确类型。必须通过将正确的电线连接到现有线束上的相应端子（针脚）来进行连接。在国外的售后市场，通用传感器很少使用，因为市场更喜欢直接配合传感器提供的配合、形式和功能。在国内，细心的维修师傅们其实可以发现，氧传感器的生产厂家其实就是固定的几个，他们给市面上五花八门的各个品牌车辆发动机提供配套产品，在我们熟悉了不同厂家氧传感器技术要求或者说技术特性之后，氧传感器，除了线束连接器形状不同，在很多情形下，即便是不同的品牌，也存在通用的可能性，对于一些年代久远，价格昂贵的氧传感器，就可以根据这一思路实现高性价比的维修替换。

正如上面我们提到的氧传感器“通用性”名字所描述的字面意思一样，很多所谓的专车专用氧传感器其实就是直接安装传感器的线束连接器，通过一个直接安装到车辆现有连接器中的连接器来适应特定应用品牌车型发动机电控系统电路的。大多数同一个生产厂家的氧传感器提供的价格不同适用品牌不同的五花八门的氧传感器，更多的就是为了直接配合原厂线束连接器，其传感器内部构造是完全一样的。

说的再直白一点，就是因为“专用”的传感器它们的线束连接器易于安装，而不需要进行多个针脚的改造连接，进而避免了人为接线错误导致的固有风险。

当然了，传感器线束连接器的不同也有助于确保选择正确的替换部件。

三、传感器的性能检测

1、传统窄带氧传感器检测

这类传感器的性能检测，相信大家都有自己的土办法，不管采用哪一种测量方法或者是检测方法，这里和大家提到的是书上没有的经验。氧传感器的检测一定是万用表或者示波器测量结果和诊断仪数据流结果做对比，不要完全依赖诊断仪的数据流测量结果对传感器性能做出最终判断。

为了检测的规范和统一，不论大家用什么方法，我们对传感器的检测核心，不外乎万用表电压读数，我的经验是：

冷车状态启动发动机，万用表测量氧传感器信号线，在1分钟后，最多不超过2分钟，信号线应该能输出0.1-0.2伏左右的电压，而且能在短时间内保持稳定，在这个稳定周期结束之后，电压表读数应该可以在0.1-0.9V之间来回变化，如果启动后发动机水温都正常了，氧传感器信号电压还不变化或者变化幅度过小，那么只有两种可能，传感器损坏或者线路有问题；

发动机进入正常工作状态后，准确的说是氧传感器进入正常工作状态之后，信号线输出的电压应该在0.1-0.9V之间不断的变化，性能越好的传感器，变化幅度越大，发动机控制调节越灵敏，变化频率越快，如果电压维持在0.5V附近几乎不怎么变化，不要着急换传感器，首先要人为制造稀薄/浓混合气状态，让这一状态快速变化，看传感器输出电压信号是否同步变化，具体操作，请参考公众号早前发表的《三元催化效率低》的相关内容介绍；

最后，我们还要知道，混合气浓氧传感器输出高电压信号0.75-0.9V，混合气稀薄输出低电压信号0.2-0.33V,传感器通常不会稳定在中间值0.45V！如果出现一个中间值且稳定持续，请根据上面提到的进行检查，而非直接更换传感器。

2、宽频氧传感器性能检测（宽带氧传感器）

2.1 宽带氧传感器的工作原理

宽带λ传感器或宽带氧传感器是一种可以测量废气中氧气浓度的传感器。宽带氧传感器基于氧化锆氧传感器的 4 线版本， 经过改进后可测量实际氧浓度，而不是仅产生混合气过浓或过稀的信号。

如上图所示，宽频氧传感器由三部分组成：泵室、测量室和测量室。

泵单元和测量单元由一个二氧化锆（氧化锆）板组成，在该板的两面都涂有一层薄薄的铂。当两侧之间存在氧浓度差时，两个铂板之间将存在电压差。这个电压取决于两侧的氧浓度差，理论空燃比附近燃烧的发动机，这一电压大约为 450 mV，这个数值并非绝对值，而是一个尽可能接近的数值。

测量单元的一侧与外部空气接触，另一侧与测量室接触。

在测量单元的对面放置一个泵单元，它可以通过电流将氧气泵入或泵出测量室。

少量废气可通过小通道流入测量室，这可以改变测量室中的氧气浓度，从而改变测量池电压的理想值 450 mV。

为了让测量单元返回到 450 mV，ECU 会通过泵单元输出电流，根据电流的方向和大小，可以将氧离子泵入或泵出测量室，进而将测量池电压恢复到 450 mV。

当发动机燃烧处于浓混合气状态时，废气中的氧气含量很少，并且电流会通过泵单元将更多的氧气泵入测量室。相反，当发动机燃烧处于稀薄混合气状态时，废气中含有大量氧气，通过泵单元的电流反向以将氧气泵出测量室。根据电流的大小和方向，ECU 会改变喷油量。当发动机处于理论空燃比附近的理想燃烧状态时，没有电流流过泵单元，喷射的燃油量保持不变。

为了获得最佳性能，宽频传感器需要有大约 750°C 的温度。传感器配备用于电加热的 PTC 电阻，该电阻由系统继电器或有时由 ECU 供电，ECU 使用不同的占空比信号将调节加热的负极接地来调节加热器工作状态。

2.2 宽频氧传感器的检测

大多数的宽频氧传感器检测都是依赖于示波器进行精确诊断，遗憾的是，在咱们国内汽车售后维修中，示波器的普及还有待时日，那么除了示波器以外，我们应该怎样对宽频氧传感器进行检测？

其实根据上面介绍，我们已经知道，宽频氧传感器最终调节的是电流，绝大多数发动机控制单元也就是ECU，都会为宽频氧传感器提供一个相对稳定的工作电压，氧传感器检测到不同状态的氧含量变化，都会导致电流变化，电流的变化，进一步导致了参考电压的变化，为了抑制传感器上的电流变化，ECU就需要进行动态的调节传感器的工作电压（参考电压），这一个调节过程是发动机电脑（ECU）通过内部检测电路来执行的。

和传统窄带氧传感器相比，最大的不同是，宽频氧传感器我们获取的测量电信号并不是传感器自身产生的，而是发动机控制单元根据传感器依据传感器检测氧含量的结果做出的调节过程。

最后还要强调一点就是，宽频氧传感器的信号，我们发现输出高电压信号的时候，说明混合气燃烧处于稀薄状态，浓混合气燃烧状态与此相反。这一特性与早期传统的窄带氧传感器完全相反！

因为传感器生产厂家不同，取决于不同发动机控制模块的技术要求，传感器的工作电压并不完全一致，但是其工作原理是一样的。

具体到售后维修检测，可以利用诊断仪通过数据流方式进行工作状态检测，同样，也可以利用万用表进行检测。为了能够详细阐述，我们分为几点进行说明。

2.2.1 宽频氧传感器的技术说明

我们以博世Lambda传感器LSU4.9为例进行介绍。

对于传感器为不同品牌车型配套，具体线色与端子排序可能会有出入，请以维修车型电路图为准。

有一个知识点和大家做一个说明，在宽频氧传感器的线束连接器中，我们经常会发现一个电阻器，这个电阻器的阻值决定了传感器的工作特性，而传感器的工作特性，更多时候是为了匹配不同车型不同控制单元输入要求。

2.2.2 博世宽频氧传感器的江湖档案

早在2010年前，LSU4.9 传感器还是高技术含量的高科技新产品。市面上大部分发动机电脑控制器只支持LSU4.2传感器，很多人都在怀疑LSU4.9相对于LSU4.2的优势。
LSU 4.9 和 4.2 之间的主要区别在于 LSU 4.9 使用了参考泵电流，而 LSU 4.2 使用参考空气。

这是什么意思？

简单讲，参考空气会变质，而参考电信号不会。为了帮助大家更好地理解，让我们了解下汽车行业的真实故事，当然了如有雷同纯属巧合：

当博世首次设计宽带氧传感器时，参考空气电池用于提供理论空燃比或 AFR 的参考。该技术是通过将氧气泵出/泵入来保持泵送电压与参考空气电压的平衡。泵电流是废气中实际 AFR 的指标。泵送电流越大，排气中的氧气越多，反之亦然。因此，参考空气对传感器的准确性至关重要，因为它是参考。它在实验室中运行良好，但在发动机运行过程中效果不佳，因为汽车传感器周围的环境要差得多。参考空气可能被周围的污染物污染。一旦参考空气被污染，传感器的整个特性就会转移到较低的一侧。它在行业中被称为“特征负向漂移”或 CSD。这是在一些早期 发动机控制单元应用程序中出现的 LSU 4.2 的最大问题。这个设计也给博世带来了很大的质量问题。

为了解决这个问题，博世重新设计了 LSU 传感器，并推出了 LSU 4.9 版本。LSU 4.9 传感器摆脱了参考空气。相反，它使用了与参考空气等效的参考泵电流，传感器单元的核心传感单元中不再需要物理空气。

于是技术变成了——将实际泵电流与参考泵电流进行比较以保持平衡。实际泵电流仍然是实际 AFR 的指示，但参考是经过校准的电信号，并且在所有情况下始终保持不变。

这是 LSU 4.2 和 LSU 4.9 之间的根本区别。

LSU 4.9 摆脱了参考空气，因此摆脱了最大的故障模式。因此，LSU 4.9 具有较长的使用寿命，并且可以在整个生命周期内保持精度。直到这个时候，博世 LSU 传感器才被广泛应用于汽车行业。如今，所有使用博世 O2 传感器的 发动机管理系统都在使用 LSU 4.9。通用汽车、福特和克莱斯勒现在都使用 LSU 4.9。更准确的讲，是自从2007 年之后，汽车上的 O2 传感器，它们基本都是都是 LSU 4.9 专用的。

当然了，在咱们国内市场有例外，很多合资生产的发动机管理控制系统和微型车等车型上除外。

2.2.3 传感器的电路系统

为了能一次性的让大家了解清楚，这里引用一张图加以说明。

原理图来自http://circuitszoo./

博世 LSU 4.2/ 4.9 宽带氧传感器的控制器示意图如下所示。

INA2332 运算放大器用于测量能斯特电压 V nernst、泵电流 I p和加热器阻抗（用于计算传感器的温度），这是通过测量来自 250uA 电流脉冲的 V s引脚上的电压获得的。引脚 PC6/PA7。

然后，微控制器通过连接到 Howland 电流泵电路的内部 DAC 控制 I p，该电路用于调节扩散室氧浓度。

LSU 4.2 和 4.9 传感器的区别在于前者从环境空气中获取测量室所需的少量氧气，而 4.9 版本需要小电流进入 V s引脚才能达到相同的效果：R3 和原理图中的 R18 提供此电流，并且必须仅在使用 LSU4.9 版本时使用。

注意，IC 部件号对精度至关重要，因为它们是使用误差预算计算器选择的，以便获得与传感器之一匹配的 lambda 测量精度（ /- 0.007 λ for一个新的传感器，对应于普通泵汽油的 /-0.1 AFR）。

上面我们已经介绍过，博世的宽带氧传感器有 6 个引脚：两个用于加热器，一个用于公共接地，一个用于 V s测量，一种用于将电流 I p泵入电池，另一种用于测量 I p作为标称 61.9 Ω 电阻器上的电压降，它们需要专用控制器才能正常工作。

控制器必须：使用端子 H H- 处的加热器测量传感器温度并将其调节至 750°C

测量扩散室电压 V s以确定它的氧含量

通过调节流入/流出泵单元的电流 I p直到 V s =450mV ，将扩散室氧含量调节到 λ=1（相当于汽油的 14.7 AFR）

实际 lambda 值是通过检测泵单元 I p所需的电流并使用制造商提供的查找表得出的。

2.2.4 博世宽频传感器的万用表测量

本文上面内容其实已经提到了，宽频氧传感器相对于窄带传感器的最大不同。

不管大家有没有认真看上面的关于宽频氧传感器这么多的说明和介绍，其实所说的内容，汇总一下，我们得到的信息不外乎如下几点：

第一、宽频氧传感器非常的精密，同时也脆弱，安装扭矩不对会导致内部损坏，轻拿轻放，怕摔；

第二、传感器加热器不能在传感器没有装车之前直接用12V电加热检测，因为正常工作的传感器是占空比控制加热的，直接12V，加热器会损坏；

第三、传感器非常精密，工作完全依赖控制单元提供的基准参考电压，测量传感器信号如果没有示波器，那么就一定要使用高阻抗数字万用表，不要用指针万用表测量；

第四、宽频氧传感器响应变化速度远大于普通数字万用表的采样率，因此普通万用表最多是能看到读数，基本不会在万用表上看见空燃比变化导致的测量值变化；

说了这么久，宽频氧传感器信号到底是啥样的呢？借用一张PICO官网示波器测量LSU4.2传感器的波形图，供大家参考。

通道 A表示氧传感器测量单元的电压值。

通道 B指示氧传感器泵单元的电压。

频道 C表示氧传感器加热器电路的脉宽调制 (PWM) 控制。

频道 D表示通过由 PWM 控制的加热器电路的电流频道 C.

数学通道表示从公式通道 B / 38.7 Ω 得出的传感器泵单元电流。

还要顺便说一下，泵电流因为非常小，可以通过电阻电压降，根据欧姆定律（电流 = 电压 / 电阻。I = V / R）计算得到结果，然后和本文2.2.3中图表进行对比。

如果一定要用万用表来检测到传感器的电压变化状态，并非不可能，而是需要升级万用表，采用高采样率高精度数字万用表，就能实现电压动态变化情况的捕获。

2.2.5 总结

本文结束之前，最后给大家几个关于博世宽频氧传感器的测量参考经验数据，请大家务必明白，是经验数据，并非标准值！

发动机怠速状态，传感器测量电池电压应该在450mv左右；

发动机超速燃油切断，我们俗称断油时，传感器泵电池电压下降150-160mv左右，这是因为传感器测量到排气系统中氧含量增加的结果；

如果有高精度电流钳，可以对传感器泵电池信号进行电流测量，必须用毫安级高精度电流钳才能捕获泵电流变化，这种测量相较于电压测量，更为直接准确；

传感器加热器的最大加热工作电流在1.5-1.68A之间，因为是PWM信号，测量工作电压因为测量方式差异，结果会有不同；

对于加热器的占空比控制，发动机电脑有时候会段时间中断，取决于发动机电脑设计，具体车型具体对待，不能据此判断故障；

在不断开传感器连线的情况下，传感器泵单元电路的电阻大约为38-39欧姆；

传感器泵电池电流的工作范围0.5ma-3.5ma之间，与电压变化成正比。

【完】