空燃比分析仪与氧传感器的工作原理

随着汽车市场的不断壮大，有越来越多的人从事汽车改装和维修工作。空燃比分析仪作为一款测试混合气空燃比（AFR：Air Fuel Ratio）的专业工具，在汽车改装领域发挥着重要作用，市场上也出现多种类似产品。接下来我将以市场上比较有代表性的空燃比分析仪为例，来介绍一下此款产品的工作原理，广大汽车爱好者和改装维修人员可以参考一下，更好的选择适合自己的那款产品。

介绍空燃比分析仪，就不得不从氧传感器说起。

1、氧传感器的功能

    测定发动机排气中氧气含量，确定混合气（燃料+空气）是否*燃烧。

2、氧传感器的分类以及原理

按材料分，分为能够产生电动势变化的氧化锆型（ZrO2）和能够产生电阻变化的氧化钛（TiO2）型。

氧化锆（ZrO2）型氧传感器的工作原理

将ZrO2烧结成试管装并在内测和外侧镀有白金电极，其内测注入大气并使氧浓度保持一定，而外侧则处于接触排气的状态。当内外层产生浓度差时，氧离子从氧浓度高的一侧向低的一侧流动，从而产生电动势。

氧化钛（TiO2）型氧传感器工作原理

氧化钛（TiO2）在大气中具有绝缘性，而在某一温度以上时，钛和氧之家的结合性减弱，在氧气极少的状态下出现脱氧，变成低电阻的氧化半导体。脱氧的氧化钛的电阻迅速下降。但是，在存在氧气的环境汇总，它又能重新获取氧气，所以，电阻值又可以恢复到原来的值。

按工作测量范围分，分为宽域型氧传感器和窄域型氧传感器

窄域型氧传感器能够测量过量空气系数（λ）大于1或小于1，即混合气是浓还是稀，但是浓多少货稀多少，窄域氧传感器是检测不出来。宽域氧传感器能够测量混合气λ=0.5-∞，接下来我会重点介绍一下宽域型氧传感器的工作原理。

3、宽域型氧传感器的工作原理

这里之所以要重点介绍宽域型氧传感器，是因为这种氧传感器是空燃比分析仪的核心部件，空燃比分析仪输出的空燃比信号都是通过宽域氧传感器获取的。本文基于BOSCH公司的LSU宽域氧传感器为例，介绍其工作原理。

宽域型氧传感器是在窄域型的基础上增加了可改变排气中氧含量的氧泵改进而成，它能够测出的空燃比信号，其结构示意图如下：

图1 宽域氧传感器LSU4.2结构示意图

模块1：加热器（Heater）

LSU系列氧传感器是属于氧化锆型，这种材料在自身温度高于300℃才能开始工作，以LSU4.2型氧传感器为例，当温度在750℃时处于*工作状态。所以一般的氧传感器都会内置加热器，以维持氧传感器工作所需的温度。

模块2：参考室（Reference air duct）

参考室中冲入的是自然空气。

模块3：监测室，又叫扩散室（Diffusion gap）

监测室中的空燃比始终在理论空燃比（λ=1）附近。 

模块4：泵电池（Pumping cell）

从监测室中泵入或泵出氧，以维持感应单元（ZrO2管）内外的电动势在0.45 V 左右。

模块5：感应单元（Sensing cell）

也就是我们通常所说的锆管，内外表面均覆盖着一层多孔性的铂膜，铂既可以作为电极又具有催化作用。其内表面与参考气体（Reference air）接触，外表面与废气（Exhaust gas）接触。

模块6：外围控制单元（Closed loop controller）

    外围控制单元可以自己搭建模拟电路实现，为了达到更高的测量精度，BOSCH公司设计出驱动芯片CJ125，实现对氧传感器的加热控制、信号采集、故障诊断等功能。

LSU4.2工作原理：

废气由扩散孔进入监测室，感应单元能够感知废气中的浓稀状况，并产生高于或低于参考电压Uref的电压Vs。2个电压信号输入到OTA运放（跨到运放输入是电压信号，输出是电流信号），输出的泵电流Ip信号用于泵入或泵出监测室中的氧。

当废气中的氧浓度为0时（此时为理论空燃比），废气进入监测室，此时感应单元产生等于参考电压Uref的电压，经过运放后输出Ip为0，说明此时为理论空燃比，不需要泵入或泵出氧。

当废气为稀混合气时，废气进入监测室后CO与废气中的多余的氧产生反应，感应单元表面的氧变化微小，所以产生低于参考电压Uref 电压，zui终的输出Ip将使泵电池从监测室中泵出多余的氧，以维持监测室中的空燃比为理论空燃比。

当废气为浓混合气时，废气进入监测室后，由于废气中没有多余的氧，感应单元表面附着的氧与废气中CO产生反应，zui终感应单元表面的氧为0的状态，产生的电压高于参考电压Uref，zui终的输出Ip将使泵电池向监测室中泵入氧，以维持监测室中的空燃比为理论空燃比。

因为不同浓度的混合气需要泵入或泵出的氧不同，所以泵电流Ip与废气中的氧浓度一一对应，也与混合气的空燃比一一对应。

经过上面的详细介绍，想必大家已经知道了BOSCH的宽域型氧传感器LSU系列的工作原理了吧，如果还有疑问，请加 2364172431。 

以美国ECOTRONS公司推出的*代空燃比分析仪ALM为例，它使用的就是LSU4.2氧传感器，包括美国Innovate生产的LM-2和LC-1产品都是使用的LSU4.2。

     在我们上面介绍LSU4.2的原理时，可以知道，LSU4.2输出信号是否，与参考室中参考空气息息相关。如果参考空气不是理论中的空气，那么我们zui终得出空燃比将有误差。而这也是实际生活中我们常遇到的情况，因为安装氧传感器的发动机周围，空气质量一般会很差，参考空气很容易被发动机尾气或其他其他污染源污染。一旦参考空气被污染了，传感器整体的特性曲线都会产生偏移，这种偏移在英文里叫做“Characteristic Shifted Down”，或者CSD，字面翻译为特性曲线下移。这就是早期LSU4.2氧传感器在使用中遇到的zui大问题。BOSCH公司也因此需要承担很大的保修成本。

    为了解决这个问题BOSCH公司重新设计了氧传感器，也就是LSU4.9。它的使用*脱离了参考空气，在氧传感器内部不再设计任何自然界气体。现在的技术中，实际的泵电流会与一个参考泵电流保持平衡。泵电流同样反映了真实的空燃比，但是他的参考标准不再是参考空气了，而是一个标定好的电信号曲线，这条曲线在任何环境都会一直保持不变。

美国ECOTRONS公司跟上了LSU系列氧传感器的更新步伐，及时推出了第二代空燃比分析仪ALM-S（单通道），ALM-II（多通道，zui高支持12通道）。二代空燃比分析仪ALM-S使用BOSCH推出LSU4.9氧传感器。

接下来我们将重点介绍空燃比分析仪。

对于普通客户来说，他选择空燃比分析仪只是看一下发动机大概的空燃比，对分析仪的测量精度和响应时间没有太高的要求，所以市场上有一种叫做空燃比计（或空燃比表）的设备，这种设备原理简单，价格便宜，是普通客户的。

但是，一旦你要做发动机标定，对信号的准确性和响应时间要求极严。而LM-2和LC-1等以LSU4.2氧传感器为主体的测试设备，显然不能满足我们的要求，原因很简单，LSU4.9从信号精度和响应时间上，都比LSU4.2要强，详细的资料请参考文章“从技术角度分析为什么LSU4.9优于LSU4.2”，所以我们必须选择配备LSU4.9的空燃比分析仪，相关厂家如ETAS和美国ECOTRONS，BOSCH是ETAS的zui大股东，他们的产品在市场上被普遍接受，但是价格过于昂贵。对于一般汽车改装和汽车科研机构来说，美国ECOTRONS生产的ALM-S可以满足大多数用户的需求。

    在前面我们已经说过了，空燃比分析仪的本质就是氧传感器的外围控制电路。控制电路又包括 1）加热驱动和温度感知电路 2）Vs反馈Ip控制及驱动电路 3）Ip感知和电压Vout输出电路 4）稳压电源、参考电压和虚拟地电路 5）氧传感器故障诊断电路，之后我们逐一分析每块电路的构成。

1）加热驱动和温度感知电路

这块电路设计是否合理，直接影响到氧传感器的正常使用和寿命。对于氧传感器，他只有在特定温度下才可以正常工作，测得的信号才更准确，以LSU4.9为例，它的工作温度是780摄氏度，温度高或低，都直接影响了测量精度。所以加热驱动电路必须是闭环的反馈控制电路，也就是说一边测量氧传感器的温度一边加热，如果温度低于780℃，就加大加热占空比，反之亦然。

氧传感器的天敌就是水滴，因为氧传感器的加热内阻是由陶瓷构成的，如果在上面有水滴的情况下盲目给LSU4.9加热，会极大的缩短氧传感器的寿命，严重的会直接损坏氧传感器。所以只有达到露点温度时才可以给氧传感器加热。

2）Vs反馈Ip控制及驱动电路

泵电流Ip直接反应了实际的空燃比信号，Ip的大小和方向是受Vs电压控制的，实际控制电路中Vs电压与参考电压Vref（0.45v）进行比较，通过一个OTA运放后直接输出电流Ip，Ip的方向指示了空燃比是浓还是稀，Ip大小指示了空燃比浓多少和稀多少。

3）Ip感知和电压Vout输出电路

一般空燃比分析仪的输出信号都是电压信号，所以我们需要将泵电流Ip经过一个电阻后输出电压，直接指示空燃比信号。

4）稳压电源、参考电压和虚拟地电路

这里我们重点说一下虚拟地电路，对应LSU管脚是VM，这个虚拟地电路一般为参考电压的0.5倍。是专门提供给LSU内部的泵单元的（Pumping Cell），当Vun-VM=450mv时，此时空燃比为理论空燃比。

5）氧传感器故障诊断电路

    主要针对氧传感器的信号采集电路和加热电路是否有故障，例如加热器对GND或电源短路，加热器电压过低或过高，VM对GND或电源短路等。

有了以上部分电路，一个空燃比分析仪的雏形就出来了。因为我们已经成功的对氧传感器进行了控制，而且采集到了我们需要的空燃比信号。接下来就是想办法将信号输出，让一些外围显示设备或者ECU能够获取空燃比信号。