上一次我们分析了氧传感器为什么会坏掉，这次我们来讲讲氧传感器到底是如何工作的？

起源年德国物理化学家Nernest能斯特发现“热力学第三定律”即能斯特方程。发现稳定的氧化锆在高温下呈现离子导电现象，到年BOSCH公司将这项技术开发应用到沃尔沃轿车，随后得到广泛应用。

基础原理氧化锆(ZrO2)是典型离子体，在℃以上成为氧的快离子导体，人们称他为固体电解质，这种陶瓷材料对氧具有高度敏感性，被广泛应用于氧探头。氧化锆(ZrO2)是离子导电体，它是通过晶格内的氧离子空位来实现导电的。在氧化锆电解质(ZrO2管)的两侧分别烧结多孔铂(Pt)电极，在一定温度下，当电解质两侧氧浓度不同时，高浓度侧的氧分子(O2)被吸附到铂(Pt)电极上与电子(4e)结合形成氧离子(O2-)，使该电极带正电(+)，氧离子(O2-)通过电解质的氧离子空位迁移到氧浓度低的Pt电极上放出电子，转化成杨分子(O2)，使该电极带负电。

这样两个电极间会产生一个电动势，氧化锆、Pt电极、两侧不同的氧浓度气体组成氧探头即氧化锆浓差电池(也叫能斯特电池)，其方程就是著名的能斯特方程：

公式中：

ES–能斯特参考电压，

R-气体常数8.J/(mol·K)，

T-绝对温度，

F–法拉第常数C.mol-1，

Po2–测量气他中氧分压，

Poref–参考气他氧分压(通常为20.95%的标准空气)。

通过公式可知，当空气为参考气体，在知道能斯特电压及被测气体温度后，便可知道被测气体的浓度，氧传感器正是利用这一原理制成的。

窄域氧传感器最初BOSCH利用上述原理制作了四线窄域氧传感器，其结构体如下，氧化锆元件内外壁都设置具有催化作用的多孔铂(Pt)电极，其内侧与氧浓度高的大气连通。由于氧传感器的氧化锆材料在℃或更高温度是才可以引导氧离子扩散，所以专门设计了加热单元来加热氧化锆电解质以使传感器尽快进入工作状态。

当氧传感器内外表面浓度差增大时，所产生的的Nernst电压也随之增加，当尾气为浓混合气(λ1)时，外侧氧浓度趋近于0，此时剧烈氧浓度差导致Nernest电压最高达到1V；而在空气多的稀混合气(λ1)时，内外侧浓度差较小，产生较小的Nernst电压约为0.1V。所以信号电压在理论空燃比(λ=1,Vs=0.45V)附件阶跃式跳变，其过程就像一个开关信号，由于其输出信号是电压也称其为电压型氧传感器。

窄域氧传感器测量范围窄(仅λ=1)，另外当发动机处于不同负载状态下，传感器温度也存在变化，此时电压数值会发生跳变，虽然一些Lambda仪表已经加入温度补偿来改善其性能和准确性，但依然面临被淘汰的局面。

宽裕氧传感器LSU4.世纪初，BOSCH在窄域及基础上设计了宽裕氧传感器LSU4.2，加入了泵氧电池，其也是氧化锆材料组成的，为一个电化学电池，其结构如下图：

在浓混合气中，氧离子在泵单元的催化表面与燃料CO、HC结合，产生CO2和H2O，当燃料消耗完时，将没有游离的氧，并且混合物将变稀。在稀混合物(或者自由空气中)，泵电流反向，并且将游离的氧气抽出，直到没有残留为止，并且所得混合物也将变稀。

将窄带传感器与泵氧电池结合在一起，泵氧电池和能斯特电池所围成的空间称为气体检测室，检测室通过一个通道与排气侧连通，发动机废气可以由该通道进入检测室。在宽裕传感器正常工作条件下，排气管中少量废气进入检测室，废气可能是浓混合气，也可能是稀混合气，ZrO2参考电池感知混合气浓度后产生电压Vs。当混合气为浓时，能斯特电池产生高于参考电压Vref(0.45V)的Vs，随机泵氧电池产生一个泵氧电流Ip，该泵氧电流Ip将排气中游离的O2-（因为即使在很浓的混合气中也同样存在游离的O2-）泵入检测室内进行化学反应，产生CO2和H2O及一些氧化物附着在泵氧电池的表面。在化学反应中将过多的HC化合物分解，使得检测室恢复到Vs=0.45时的平衡状态。相反，在稀混合物将产生一个反方向的泵氧电流Ip，使得Vs维持在0.45V。

以上分析可知，泵氧电流Ip反应了废气的浓度，通过泵氧电流Ip的极性和大小可以分析出抽样气体的含氧量及Lambda。

在LSU4.2设计过程中为了节省电线，Vs(sense)与Ip(pump)单元连接在了一起，他们共享一个公共的反应面。这样就出现一个灵敏度问题，即同一个Lambda值对应不同的泵电流Ip。BOSCH通过添加校准组件解决制造差异问题，在组装和测试传感器后，对激光电阻(Rcal)进行微调，激光会烧掉材料并增加电阻值，直到已知的Lambda值产生标准的Ip电流为止。如果该电路在控制器本身中，则每个传感器将自动进行校准，而无需进一步校准。但是，由于每个传感器都已在出厂时进行了校准，并且校准组件通常位于传感器连接器本身中，所以如果有人卸下连接器，则传感器将变得未经校准！许多控制器没有此电路，它们必须经过自由空气校准阶段才能准确工作。还要注意，所有的泵浦宽带传感器都应有至少5条来自传感器的导线。六线或七线将来自连接器（某些传感器在两端均未连接的连接器中使用校准电阻）。

LDM4空燃比分析仪采用BOSCH专用氧传感器控制芯片CJ，可对LSU系列传感器精准驱动，同时自动校准功能，能对不同厂家出厂的传感器进行校准，也可以用分析仪来检测传感器好坏。

根据上述描述，LSU4.2传感器中参考空气是一项十分重要的保证，但是在实际使用过程中，随之时间推移、尾气泄露污染等因素，参考空气会变差，这样氧传感器特性曲线就会发生偏移。为了弥补这一缺陷，BOSCH重新设计了LSU4.9传感器，下次我们讲讲这几种氧传感器的区别。