用于测定氧含量的氧传感器年需求量已占全部气体传感器需求量的40%,尤其是在汽车制造及尾气检测领域,车用氧传感器年需求量达到数千万只;同时,基于汽车尾气氧含量测定的空燃比分析方法及装置对于汽车发动机控制系统开发和尾气处理具有重要价值。新一代车用宽域氧传感器(UEGO)已广泛应用于发动机空燃比控制系统和汽车尾气净化系统。中高温环境下实现高精度、快速的氧含量和空燃比测定是汽车尾气检测过程中的关键问题。本文在传感器特性分析、控制算法设计、建模仿真、控制器实现等方面展开研究,开发出国内领先空燃比测试仪。首先,本文分析了氧传感器的结构、工作原理、固有特性以及UEGO在测量精度和快速性上的优点。进一步分析了以UEGO精确获取氧含量为基础,用于发动机控制系统开发的空燃比测试装置对汽车制造领域的研究意义。空燃比测试仪在性能上要求高精度和快速性,在空燃比测试仪开发过程中存在传感器电化学特性复杂、温度不能直接测量、控制复杂、传感器输出信号弱等关键问题。其次,基于UEGO实体结合dSAPCE实时仿真系统,构建了空燃比测试仪半实物仿真平台。在该平台上对传感器的特性进行研究,通过实验法建立了传感器的对象模型,证明了其对象特性的复杂性。同时,在matlab simulink中建立空燃比测试仪的控制模型,设计温度控制和泵单元控制算法,结合传感器实体进行在线仿真,并采用ZN临界比例度法整定PID控制参数,验证了控制方案的可行性和并进行了控制性能的优化。然后基于仿真结果进行空燃比测试仪硬件开发、控制软件和上位机软件开发,实现了空燃比测试仪各项功能需求。最后,在同步气氛配置仪和发动机台架上进行空燃比测试仪的动静态性分析,验证各项性能指标,基于测试结果优化控制算法和控制参数。其测量精度和快速性等性能达到国外同类装置的性能指标。同时结合自主开发的空燃比测试仪和宽域氧传感器,通过测试实验建立国产氧传感器的产品输出特性曲线。