文章欢迎您来评论区参与讨论，获取更多精彩文章，请您点一下关注，感谢您的支持。

文|江卿曻

编辑|江卿曻

前言

氧传感器，也称为O2传感器或λ传感器，是现代汽车、工业和环境应用中的重要组件，这些传感器在监测和调节各种燃烧过程中的空燃比方面起着至关重要的作用。氧气水平的准确测量对于优化发动机性能、最大限度减少有害排放和确保高效节能至关重要。本文旨在提供一个全面的概述氧传感器，包括其工作原理，类型，应用和未来前景。

【资料图】

氧传感器的发展可以追溯到20世纪60年代末，当时研究人员认识到控制内燃机废气排放的重要性。第一个实用的氧传感器是由Bosch在1976年发明的，它使用了固态电化学电池的原理。从那时起，传感器技术取得了显著的进步，导致氧传感器在各种行业中的广泛使用。氧传感器基于电化学或光学检测原理工作。

现代汽车的重要组件，监测燃烧过程，氧传感器究竟有何作用？

基本介绍

在最常见的电化学传感器中，氧化锆制成的陶瓷元件充当核心组件，该传感器有两个腔室，一个暴露在周围大气中，另一个暴露在废气中。两个室之间的氧浓度差产生与废气中的氧含量成正比的电压。主要有两种类型的氧传感器:窄带和宽带传感器。窄带传感器是较老且更普遍的类型，提供与稀混合气或浓混合气相对应的有限范围的电压输出。

相比之下，宽带传感器提供更宽、更精确的测量范围，更适合现代复杂的发动机管理系统。氧传感器在排气系统中的位置对其有效性起着至关重要的作用。通常，有上游和下游传感器。上游传感器测量催化转化器之前的氧气水平，而下游传感器测量转化器之后的氧气水平。校准对于确保准确的读数和对发动机控制单元(ECU)的正确反馈至关重要。

氧传感器实现了闭环燃油控制系统，彻底改变了汽车行业，这个闭环系统实时调整空燃比，优化燃烧效率，减少有害排放。氧传感器有助于符合全球严格的排放标准。除了汽车应用，氧传感器还广泛应用于工业过程，如锅炉、熔炉和焚烧炉的燃烧控制。这些传感器有助于保持最佳燃烧条件，从而提高能效并减少排放。

尽管氧传感器有许多优点，但也面临一些挑战，如传感器随时间退化、易受污染以及在极端条件下精度有限。正在进行的研究旨在提高传感器的性能、耐用性和小型化。未来的发展可能会带来更加集成和智能的传感器系统，实现各种过程的实时自适应控制。氧传感器已经成为现代工程中不可或缺的组件，应用范围从汽车到环境监测。

主要功能

氧传感器有助于监测废气排放，通过连续测量废气中的氧气水平，这些传感器提供了宝贵的数据，以评估发动机的性能和符合排放法规。窄带传感器通常用于这种应用，提供二进制输出，指示空气燃料混合物相对于化学计量比是贫还是富。催化转换器在减少车辆废气中的有害污染物方面起着至关重要的作用。氧传感器对于催化转化器的有效运行至关重要。

它们有助于保持废气流中一致的氧气水平，使催化转化器发挥最佳功能，并将有害气体转化为危害较小的物质，如水蒸气、二氧化碳和氮气。氧传感器在各种工业应用中得到广泛应用，尤其是在涉及燃烧的过程中。在工业锅炉、熔炉和焚烧炉中，这些传感器能够精确控制空气燃料比，从而提高能效并减少排放。

通过确保理想的燃烧条件，氧传感器有助于工业过程的整体可持续性，工作场所的安全是最重要的问题，尤其是在缺氧或缺氧会导致危及生命的环境中。氧气传感器是密闭空间进入程序中的关键组件，因为它们可以持续监控氧气水平，并提醒工人注意潜在的危险。这些传感器在防止窒息和确保在密闭空间工作的人员的安全方面起着至关重要的作用。

氧传感器是环境监测和空气质量评估的组成部分，与其他气体传感器一起，它们构成了空气质量监测站的骨干。通过测量氧气水平和其他污染气体，这些传感器有助于跟踪空气污染水平和评估整体环境健康。收集的数据有助于确定污染源，制定有效的缓解策略，并保障公众健康。氧气传感器已经超越了地面应用，并证明了其在太空探索中的重要性。

产品种类

氧化锆氧传感器是最常见的类型，自20世纪70年代问世以来得到了广泛应用，这些传感器采用由稳定氧化锆制成的固态电化学电池，作为氧离子导体。氧化锆传感器基于能斯特方程的原理工作，环境空气和废气之间的氧浓度差会产生电压。它们坚固耐用、经济高效，并提供精确的测量，非常适合汽车和工业应用。

宽带氧传感器，也称为宽带或通用传感器，是窄带传感器的高级版本，与提供二进制输出(富或贫)的窄带传感器不同，宽带传感器提供更宽、更精确的测量范围。它们可以在很宽的范围内精确确定空燃比，是现代复杂发动机管理系统的理想选择。宽带传感器对于实现最佳发动机性能和符合严格的排放标准至关重要。

二氧化钛氧传感器利用二氧化钛(TiO2)作为传感元件，与需要高工作温度(通常在600到800℃左右)的氧化锆传感器不同，二氧化钛传感器可以在较低的温度下工作(大约300到500℃)。这些传感器不太昂贵，并且在某些应用中可以充分发挥作用，例如在配备有较小发动机和较简单发动机控制系统的车辆中。与氧化锆传感器相比，它们的准确性和响应性较差。

电化学氧传感器，也称为原电池传感器，利用电化学电池来测量气体中的氧浓度，该电池由两个被电解质隔开的电极组成。当暴露在氧气中时，会发生电化学反应，产生与氧气浓度成比例的电流。电化学传感器通常用于便携式气体检测器，快速准确的测量对安全至关重要。基于荧光的氧传感器使用发光材料，例如钌或铂卟啉，作为传感元件。

当暴露于特定波长的光时，这些材料会发出荧光，荧光强度与氧气浓度成反比。基于荧光的传感器精度高、响应时间快，适合需要精确氧气测量的应用，如医疗设备和环境监测设备。顺磁性氧传感器基于氧是顺磁性的原理，这意味着它会被磁场吸引。这些传感器由一对磁铁和一个充气室组成。当氧气存在时，它会扰乱磁场，导致可测量的压力变化。

顺磁性传感器具有高精度，通常用于精度至关重要的实验室应用和工业过程，红外氧气传感器利用氧气吸收特定红外波长光的原理。这些传感器由一个红外光源和一个测量吸收光量的探测器组成。光吸收的程度与样品中的氧浓度直接相关。红外传感器非常适合其他气体的存在可能会干扰其他类型传感器的应用，例如医疗和工业气体分析。

主要用途

氧传感器的主要和最突出的应用之一是在汽车发动机管理系统中，这些传感器集成在排气系统中，用于测量废气中的含氧量。获得的数据用于计算空燃比，并相应地调整燃油喷射和空气流量。通过提供实时反馈，氧传感器可实现闭环燃油控制，确保最佳燃烧效率、提高燃油经济性和减少排放。

监测氧气水平有助于了解空气成分，确定污染源，并评估污染控制措施的有效性，收集的数据有助于制定旨在保护公众健康和减缓气候变化的环境政策。在工业环境中，氧传感器在控制燃烧过程中起着至关重要的作用。发电、石化和冶金等行业依靠这些传感器来优化锅炉、熔炉和焚烧炉中的空燃比。

通过保持对燃烧过程的精确控制，氧传感器提高了能源效率，降低了燃料消耗，并最大限度地减少了温室气体和其他污染物的排放。它们确保符合排放法规，并提高整体过程的可持续性。氧传感器广泛应用于医疗设备和医疗保健领域。在脉搏血氧仪等医疗设备中，氧传感器以无创方式测量血氧水平，为监控患者健康和诊断呼吸状况提供重要信息。

氧气传感器也用于麻醉机、呼吸机和呼吸气体分析仪，以确保对氧气浓度和输送的精确控制。他们在医疗保健中的作用对于患者安全和有效的医疗治疗至关重要。氧传感器是航空航天应用中的重要组件，精确可靠的氧测量对于宇航员和航天器系统的安全和健康至关重要。在宇宙飞船上，氧气传感器监测舱内空气质量和生命支持系统的性能。

结语

在飞机上，这些传感器确保最佳的燃料燃烧和符合排放法规，氧传感器在科学任务中被用来研究地外环境和行星大气。在环境修复项目中，氧传感器在监测和控制生物修复过程中发挥着重要作用。生物修复包括使用微生物分解土壤和地下水中的污染物并使其解毒。氧气传感器有助于保持理想的氧气浓度，使微生物能够茁壮成长并有效地进行修复过程。

氧传感器的各种应用强调了它们在各种行业中的多功能性和重要性。从优化发动机性能和减少汽车发动机排放到确保空气质量、改善工业流程、改善医疗保健和支持太空探索，氧传感器是现代工程和研究中不可或缺的工具。随着技术的不断进步，这些传感器将在促进各种应用的可持续性、安全性和效率方面发挥越来越重要的作用。

参考文献

【1】《机械原理与机械零件》 屈国华、康介铎、黄文灿、何元庚 高等教育出版 2011年

【2】《机械零部件设计》 张金美 机械工业出版社 2019年6月

【3】《机械零件常识》黄文 机械工业出版社 2019年4月