氧传感器安装在三元催化器之前的排气管上（图2－1－2），用来检测排气中的氧气浓度，以此间接推算混合气的空燃比。有的车型在三元催化器前、后各安装一只氧传感器（图2－1－3），后面的是副氧传感器，用于检测三元催化器的净化效率。
图2-1-2 氧传感器在排气管上的安装位置
图2-1-3 主、副氧传感器的安装位置
1）氧传感器的类型
按材料分为二氧化锆（ZrO2）氧传感器和二氧化钛（TiO2）氧传感器。二氧化锆氧传感器一般在350~400 ℃才能正常工作，因此有加热型和非加热型二氧化锆氧传感器。
按安装位置分为主氧传感器和副氧传感器（图2－1－3）。
按检测精度分为窄域氧传感器和宽域氧传感器。宽域氧传感器可以检测稀薄混合气状态下的燃烧情况。
2）氧传感器的应用及结构原理
（1）氧传感器的应用。用氧传感器进行空燃比闭环控制，在理论空燃比约为14.7 时，氧气和汽油完全燃烧，同时，三元催化器的净化率最高。
（2）二氧化锆氧传感器的结构原理。如图2－1－4 （a）所示，非加热型氧传感器的二氧化锆管的内、外表面有一层铂电极，锆管的内表面通大气，并用导线引出。锆管的外表面搭铁，并通排气管的废气。多孔氧化锆陶瓷体允许氧渗入其固体电解质内，当温度高达350℃时，氧气发生电离，如果陶瓷体内侧大气中含氧量与陶瓷体外侧的含氧量不同，即存在浓度差，则在固体电解质内的氧离子从大气侧向排气侧扩散，氧化锆内、外两侧极间就产生一个电压，氧化锆内形成微电池，如图2－1－4 （b）所示。当混合气稀时，有部分氧没有燃烧，排气中氧的含量高，锆管内、外表面氧离子浓度差小，输出的电位差较低，约0.1 V。反之，当混合气较浓时，燃烧后的废气中氧离子少，锆管内、外表面氧离子浓度差大，输出的电位差较高，约为0.9 V，电路如图2－1－5 （a）所示。当混合气接近理想空燃比14.7时，氧离子浓度差急剧变化，输出的电位差从0.9 V 急剧变化至0.1 V，如图2－1－5 （b）所示，因此，氧传感器起到一个调整混合气浓、稀开关的作用，实物如图2－1－4 （c）和（d）所示。
图2-1-4 二氧化锆氧传感器的结构原理
（a）结构；（b）工作原理；（c）三线氧传感器；（d）单线氧传感器
图2-1-5 非加热型氧传感器
（a）电路；（b）信号
加热型氧传感器（图2－1－6）可以安装在离发动机较远的排气管上。当发动机负荷小、排气温度低时，加热器通电，保证氧传感器正常的工作温度（300 ℃以上，该温度条件下电阻小、信号强）。
图2-1-6 加热型氧传感器
（a）结构；（b）电路；（c）实物
为了防止铂膜被废气腐蚀，在铂膜外覆盖一层多孔陶瓷层，外面加一个开有槽或孔的金属护套。氧传感器的接线端有一个金属护套，其上开有一个小孔，使二氧化锆传感器内侧通大气，如图2－1－7 （a）所示。加热型氧传感器的插头如图2－1－7 （b）所示。
（3）二氧化钛氧传感器的结构原理。二氧化钛氧传感器采用“N”型半导体元件制成，其结构原理如图2－1－8 所示，主要包括二氧化钛厚膜元件、保护套管、连接线等。
图2-1-7 加热型氧传感器的结构
（a）结构；（b）插头
图2-1-8 二氧化钛氧传感器的结构原理
（a）二氧化钛氧传感器的结构；（b）二氧化钛氧传感器的电路；（c）混合气浓度与氧传感器电阻的关系；（d）混合气浓度与氧传感器电压的关系
图2-1-9 稀混合比传感器的线路
（4）稀混合比传感器（Lean Air Fuel Sensor）的结构原理。二氧化锆及二氧化钛氧传感器的工作范围都是在过量空气系数λ＝1 附近（空燃比为14.7∶1），一旦超出此范围，测量误差极大。而缸内直喷发动机能在空燃比达20∶1 以上的超稀薄混合气情况下燃烧。此时上述氧传感器便无法胜任了。
图2－1－9 所示是稀混合比传感器的线路，是在二氧化锆氧传感器的基础上扩充功能形成的。氧离子在二氧化锆组件内移动时，会产生电动势。反之，若将电压施加于二氧化锆组件上，即会造成氧离子移动。利用这一原理，计算机可将氧离子控制在希望的数值。
如图2－1－10 所示，传感器的感应组件分为两部分，即与排气管废气接触的第一感知器和与大气接触的第二感知器。其电路如图2－1－11 所示，第一感知器不是比较废气与大气之间的含氧量，而是比较废气与扩散管之间的含氧量，结构与二氧化锆氧传感器一样，它会将电压信号传送给计算机。而扩散管内氧离子含量，是ECU 通过控制二氧化锆组件上的电压、改变氧离子移动控制的，即ECU 只要改变电压的大小，即可改变含氧量。目的就是要让第一感知器持续维持0.45 V 的电压，也就是说，让第一感知器一直在λ＝1 （空燃比为14.7∶1）附近变化。
图2-1-10 稀混合比传感器结构示意
图2-1-11 稀混合比传感器的电路
3）氧传感器的电路连接和电路检测
（1）氧传感器的电路连接。
①四线氧传感器。四线氧传感器典型线路如图2－1－12 （a）所示，4 条线分别是氧传感器产生信号的两条线、加热器的两条线。有的车型氧传感器产生信号接地线和加热器电源线不经过发动机ECU （ECM、PCM），如图2－1－12 （b）所示。
图2-1-12 四线氧传感器典型线路
（a）二氧化钛氧传感器；（b）二氧化锆氧传感器
②三线氧传感器。三线氧传感器取消了接地线，利用氧传感器外壳搭铁。
③两线氧传感器。非加热型氧传感器，只有产生信号的两条线。加热型二氧化锆氧传感器取消了接地线。
④单线氧传感器。非加热型氧传感器只有信号线，取消了接地线。
（2）氧传感器的电路检测。以丰田锐志5GR－ FE 发动机氧传感器为例。丰田锐志5GR－FE发动机氧传感器有主、副两个二氧化锆氧传感器，电路如图2－1－13 所示。
图2-1-13 锐志氧传感器电路
①氧传感器电阻检测。分别断开前、后氧传感器 （HO2S）的连接器I47 和I27（图2－1－14），测量各端子间的电阻。20 ℃时1 脚与2 脚之间的电阻为11~16 Ω （加热器），1 脚与4 脚之间的电阻大于10 kΩ，否则，说明氧传感器有故障。
图2-1-14 连接器I47 和I27
②ECU 控制氧传感器线路检测。如图2－1－15 所示，将点火开关置于“ON”挡，分别测量HT1B （A5－2）与E1 （D4－7）、HT2B （A5－1）与E1 （D4－7）之间的电阻，应为9~14 Ω。否则，说明ECU 控制氧传感器线路有故障。
图2-1-15 ECU 的连接器
③氧传感器线路检测。分别断开前、后氧传感器（HO2S）的连接器I47 和I27，断开ECU 的连接器A5。测量I47 和I27 与A5 之间对应端子间的导通性（图2－1－16），电阻应该小于1 Ω。测量I47、I27、A5 各端子与车身搭铁之间的绝缘性，电阻应该大于10 kΩ。否则，说明线束有断路或短路故障。
图2-1-16 氧传感器与ECU 连接器端子名称
（a）氧传感器的线束侧连接器；（b）ECU 连接器A5 各端子的名称
④氧传感器电压检测。将氧传感器连接器导线引出，在发动机运转时，从引出线上测量电压。丰田车型也可以从故障诊断座的ox1 和ox2 孔测量氧传感器的输出电压。氧传感器的电压与故障部位对照见表2－1－1。
表2-1-1 氧传感器的电压与故障部位对照
氧传感器电压检测程序如图2－1－17 所示。
4）氧传感器故障诊断
（1）利用氧传感器波形诊断故障。
①氧传感器波形与发动机工作状况的关系：氧传感器随时测定发动机排气管中含氧量，以监测发动机燃烧状况。当发动机燃烧不正常时，必然引起氧传感器电压信号的变化，通过观察氧传感器的信号波形，便可以判断发动机某些故障。因此，有人把氧传感器看作发动机控制系统的“看门狗”，因为它可以快速、准确地判断整个空气燃油反馈控制系统的运行性能。
图2-1-17 氧传感器电压检测程序
②氧传感器的正常波形。
a.二氧化锆氧传感器的正常波形。如图2－1－18 所示，发动机怠速时，10 s 内有3~6个浓－稀振幅，用发光二极管检测，闪亮3~6 次。当转速在2 500 r/min 时，有10~40 个浓－稀振幅。最高电压要大于0.85 V，最低电压在0.075~0.175 V。从高峰（浓）到低峰（稀）波形应该垂直下降，响应时间少于100 ms。
图2-1-18 二氧化锆氧传感器正常波形
b.二氧化钛氧传感器的正常波形。如图2－1－19 所示，电压为0~5 V，从高峰（稀）到低峰（浓）波形变化陡峭，对称无杂波。怠速时，平均电压为2.25 V。当转速在2 500 r/min时，平均电压为2.92 V。加减速时，正常波形如图2－1－20 所示。
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图2-1-19 二氧化钛氧传感器正常的波形
（a）怠速；（b）2 500 r/min
图2-1-20 加减速时二氧化钛氧传感器的正常波形
（a）全加速；（b）全减速
③氧传感器的杂波。
a.杂波的类型，如表2－1－2 所示。
表2-1-2 二氧化锆氧传感器杂波的类型
由表可知，严重杂波的振幅大于0.2 V，在示波器上表现为从氧传感器信号电压波形顶部向下冲过0.2 V，或达到信号电压波形的底部尖峰。在发动机持续运转期间，它会覆盖氧传感器的整个信号范围。发动机处在2 500 r/min 稳定运行时，严重杂波能够持续几秒，则意味着发动机有故障。因此，这类杂波必须予以排除。
b.杂波产生的原因。
ⓐ系统设计，例如不同的进气管通道长度等。
ⓑ各种原因造成的点火不良，如点火系统故障、混合气过稀、混合气过浓、真空泄漏、气缸压缩压力和各缸喷油不一致等。
ⓒ发动机零部件老化。
ⓓ系统的各种机械故障（进气管堵塞、气门卡滞或漏气等）。
④有故障时氧传感器的波形。
a.氧传感器通气孔堵塞时的波形，如图2－1－21 所示。
图2-1-21 氧传感器通气孔堵塞时的波形
b.氧传感器质量不合格或老化失效的波形，如图2－1－22 所示。
图2-1-22 氧传感器不合格或老化失效的波形
c.混合气过稀时氧传感器的波形，如图2－1－23 所示。
图2-1-23 混合气过稀时氧传感器的波形
d.如图2－1－24 所示，当转速在2 500 r/min 时，个别气缸的进气歧管泄漏时氧传感器的波形。
图2-1-24 进气歧管泄漏时氧传感器的波形
e.混合气过浓时氧传感器的波形，如图2－1－25 所示。
图2-1-25 混合气过浓时氧传感器的波形
f.点火系统有故障时氧传感器的波形，如图2－1－26 和图2－1－27 所示。
图2-1-26 缺火时氧传感器的波形
图2-1-27 间歇性缺火时氧传感器的波形
g.喷油系统有故障使混合气过浓时氧传感器的波形，如图2－1－28 所示。
图2-1-28 喷油系统有故障使混合气过浓时氧传感器的波形
⑤副氧传感器的波形。主氧传感器信号用作混合控制的反馈信号，副氧传感器信号用来测试三元催化器的净化效率，如图2－1－29 （a）所示。当三元催化器净化效率降低时，副氧传感器信号的幅度就会增大，如图2－1－29 （b）所示。
图2-1-29 主、副氧传感器的波形
（a）三元催化器正常；（b）三元催化器不正常
（2）利用氧传感器故障码诊断故障。以一汽花冠1NZ－FE、2NZ－FE 氧传感器为例。
①氧传感器故障码和故障原因。一汽花冠1NZ－FE、2NZ－FE 氧传感器故障码及故障原因见表2－1－3。
表2-1-3 一汽花冠1NZ-FE、2NZ-FE 氧传感器故障码及故障原因
续表
②氧传感器的电路。一汽花冠1NZ－FE、2NZ－FE 氧传感器的电路如图2－1－30 所示。在排气管三元催化器前、后各安装一个四线二氧化锆氧传感器。
图2-1-30 一汽花冠氧传感器的电路
③氧传感器故障码的检修。
a.故障码P0130 和P0136 的检修步骤。
ⓐ读取故障码。若只有故障码P0130 或P0136，则进行下一步检查；若故障码P0130 或P0136 与其他故障码同时存在，则先进行其他故障码的检查。
ⓑ读取氧传感器的输出电压。发动机转速为2 500 r/min，预热氧传感器约90 s，用故障测试仪读取怠速时氧传感器的输出电压，其应在小于0.4 V 和大于0.55 V 之间反复交替变化。若正常，则进行第ⓘ步检查；若不正常，则进行下一步检查。
ⓒ检查ECU 与氧传感器间的配线和连接器。断开氧传感器连接器和发动机ECU 连接器E12，检测发动机ECU 连接器E12 端子6 （OX1A）与氧传感器连接器端子4 （OX1A）间的电阻，其应为1 Ω 或更小。检测发动机和ECU 连接器E12 端子6 与端子9 的电阻，其应为1 MΩ或更大。若正常，则进行下一步检查；若不正常，则检修或更换配线和连接器。
ⓓ检查是否发生失火现象。若正常，则进行下一步检查；若不正常，则检查火花塞跳火情况和点火系统。
ⓒ检查排放控制系统。若正常，则进行下一步检查；若不正常，则检修排放控制系统。
ⓕ检查燃油压力。若正常，则进行下一步检查；若不正常，则检查燃油系统。
ⓖ检查喷油器。若正常，则进行下一步检查；若不正常，则更换喷油器。
ⓗ检查排气系统是否泄漏。若正常，则更换氧传感器；若不正常，则检修漏气点。
ⓘ清除故障码，给氧传感器加热，读取故障码。若有故障码P0130、P0136 输出，则进行下一步检查；若没有故障码P0130、P0136 输出，则检查或更换ECU。
ⓙ检查车辆燃油是否耗尽。若正常，则系统正常；若不正常，则检查是否是间歇性故障。
b.故障码P0135 和P0141 的检修步骤。
ⓐ检查发动机ECU。将点火开关转至“ON”位置，检测发动机ECU 连接器E12 端子8（HT）与端子9 （E2）的电压，其应为9~14 V。若正常，则检查并更换发动机ECU；若不正常，则进行下一步检查。
ⓑ检查氧传感器。脱开氧传感器连接器，检测氧传感器连接器端子2 （HT）与端子1（ ＋B）的电阻，20 ℃时其应为11~16 Ω。若正常，则进行下一步检查；若不正常，则更换氧传感器。
ⓒ检查发动机ECU 与氧传感器间的配线和连接器。脱开氧传感器连接器，脱开发动机ECU 连接器E12。检测氧传感器（1 列1 号传感器）端子2 与发动机ECU 连接器E12 端子8的电阻，其应为1 Ω 或更小。检测发动机ECU 连接器E12 端子9 与端子8 的电阻，其应为1 MΩ 或更大。若正常，则进行下一步检查；若不正常，则修理或更换配线和连接器。
ⓓ检查ECU 电源电路。若正常，则进行下一步检查；若不正常，则修理或更换ECU 电源电路。
ⓒ检查配线和连接器。脱开蓄电池负极电缆，脱开氧传感器连接器，检查断路继电器插座连接器端子3 与氧传感器连接器端子1 间的电阻，其应为1 Ω 或更小。若正常，则检查并更换发动机ECU；若不正常，则修理或更换配线和连接器。
c.故障码P0171 和P0172 的检修步骤。
ⓐ检查排放控制系统。若正常，则进行下一步检查；若不正常，则修理或更换排放控制系统。
ⓑ检查燃油压力。若正常，则进行下一步检查；若不正常，则修理或更换燃油系统。
ⓒ检查喷油器。若正常，则进行下一步检查；若不正常，则更换喷油器。
ⓓ检查冷却液温度传感器。若正常，则进行下一步检查；若不正常，则更换冷却液温度传感器。
ⓒ检查火花塞跳火情况和点火系统。若正常，则进行下一步检查；若不正常，则修理或更换点火系统。
ⓕ更换一个好的氧传感器，检查故障是否消失。若故障消失，则更换氧传感器；若故障不消失，则检查并更换ECU。
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