一種氮氧傳感器定氧腔室泵氧控制電路及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種氮氧傳感器定氧腔室泵氧控制電路及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛逐漸增多，排放超標(biāo)導(dǎo)致我國(guó)城市空氣環(huán)境污染嚴(yán)重；因此排放達(dá)標(biāo)已成為我國(guó)社會(huì)的一項(xiàng)長(zhǎng)期而緊迫的任務(wù)。氮氧傳感器主要用于測(cè)量柴油車尾氣的NOx排放含量，是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。
[0003]在NOx排放含量檢測(cè)過程中，將氮氧傳感器加熱后，排出NOx檢測(cè)腔室里的氧氣，使NOx檢測(cè)腔室內(nèi)氧氣濃度保持在5ppm以內(nèi)；在NOx氣氛環(huán)境下，含NOx的待檢氣氛經(jīng)由定氧腔室進(jìn)入檢測(cè)腔室進(jìn)行NOx排放含量檢測(cè)；其中，NOx檢測(cè)腔室是指氮氧傳感器芯片的還原腔室；這種檢測(cè)方法對(duì)檢測(cè)腔室氧氣濃度敏感，若外部氧氣隨NOx氣體混進(jìn)檢測(cè)腔室，導(dǎo)致檢測(cè)腔室氧氣濃度超限，則會(huì)在很大程度上影響NOx排放含量檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性；由于待檢氣氛是經(jīng)由定氧腔室進(jìn)入NOx檢測(cè)腔室的，因此在采用氮氧傳感器芯片進(jìn)行NOx排放含量檢測(cè)的過程中，定氧腔室里的氧氣濃度至為關(guān)鍵，需要將其控制在I?5ppm范圍內(nèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種氮氧傳感器定氧腔室泵氧控制電路及方法，其目的在于，在泵氧過程中控制氮氧傳感器還原腔室與參考腔室之間的氧濃度電勢(shì)差，以控制泵氧電壓，從而將氮氧傳感器還原腔室與參考腔室之間的氧氣濃度差維持在特定濃度差上，實(shí)現(xiàn)對(duì)定氧腔室氧氣濃度的實(shí)時(shí)控制。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種氮氧傳感器定氧腔室泵氧控制電路，包括第一接收模塊、電壓疊加模塊、第二接收模塊、信號(hào)處理模塊和泵氧模塊；
[0006]其中，電壓疊加模塊的輸入端連接第一接收模塊的輸出端；信號(hào)處理模塊的第一信號(hào)輸入端連接電壓疊加模塊的輸出端，第二信號(hào)輸入端連接第二接收模塊的輸出端，反饋信號(hào)輸入端連接泵氧模塊的負(fù)反饋端；泵氧模塊的輸入端連接信號(hào)處理模塊的輸出端，泵氧模塊的輸出端作為所述氮氧傳感器定氧腔室泵氧控制電路的泵氧電壓輸出端；
[0007]其中，第一接收模塊用于接收并調(diào)理氮氧傳感器的比較電極信號(hào)；第二接收模塊用于接收并調(diào)理氮氧傳感器的參考電極信號(hào)；電壓疊加模塊將用于根據(jù)比較電極信號(hào)與疊加電壓獲取校正電壓；信號(hào)處理模塊根據(jù)該校正電壓與參考電極信號(hào)的比較結(jié)果獲取泵氧控制信號(hào)；泵氧模塊根據(jù)該泵氧控制信號(hào)輸出泵氧電壓，驅(qū)動(dòng)泵氧。
[0008]優(yōu)選的，疊加電壓為430mV?600mV。
[0009]優(yōu)選的，電壓疊加模塊包括穩(wěn)壓二級(jí)管D1、第一電阻R1、第二電阻R2和第三電阻R3 ;穩(wěn)壓二極管Dl采用精密穩(wěn)壓管；以使得通過電阻R2，R3分壓獲得的疊加電壓更穩(wěn)定；
[0010]其中，第一電阻的第一端連接5V電壓源，第二電阻R2的第一端連接第一電阻Rl的第二端，第三電阻R3的第一端連接第二電阻R2的第二端；所述穩(wěn)壓二極管Dl的正極連接第三電阻R3的第二端；
[0011]其中，穩(wěn)壓二極管Dl的負(fù)極連接第一電阻Rl與第二電阻R2的串聯(lián)端；穩(wěn)壓二極管Dl的正極作為電壓疊加模塊的輸入端，第二電阻R2與第三電阻R3的串聯(lián)端作為電壓疊加模塊的輸出端。
[0012]優(yōu)選的，第一接收模塊包括第一運(yùn)算放大器0P1，其輸入正端作為第一接收模塊的輸入端，其輸入負(fù)端連接電壓疊加模塊中第三電阻R3的第二端，其第一輸出端作為第一接收模塊的輸出端，連接電壓疊加模塊的輸入端，第二輸出端連接電壓疊加模塊中第三電阻R3的第二端；
[0013]其中，第一運(yùn)算放大器OPl用作電壓跟隨器，根據(jù)運(yùn)算放大器的虛短原理，第一運(yùn)算放大器OPl的輸出信號(hào)等于OPl輸入正端的比較電極電壓信號(hào)。
[0014]優(yōu)選的，信號(hào)處理模塊包括第二運(yùn)算放大器0P2、第四電阻R4、第五電阻R5和第六電阻R6 ；
[0015]其中，第二運(yùn)算放大器0P2的輸入負(fù)端作為信號(hào)處理模塊的第一信號(hào)輸入端，其輸入正端作為信號(hào)處理模塊的第二信號(hào)輸入端，用于輸入?yún)⒖茧姌O電壓；
[0016]第四電阻R4的第一端連接第二運(yùn)算放大器0P2的輸出端；第六電阻R6的第一端連接第四電阻R4的第二端，第六電阻R6的第二端接地；第五電阻R5的第一端連接第二運(yùn)算放大器0P2的輸入負(fù)端；
[0017]第四電阻R4與第六電阻R6的串聯(lián)端作為信號(hào)處理模塊的輸出端，與氮氧傳感器的定氧電極連接；第五電阻R5的第二端作為信號(hào)處理模塊的反饋信號(hào)輸入端，與氮氧傳感器的定氧電極與連接；
[0018]第二運(yùn)算放大器0P2根據(jù)其正端輸入信號(hào)與負(fù)端輸入信號(hào)的比較結(jié)果輸出泵氧控制信號(hào)；泵氧時(shí)，泵氧控制信號(hào)從負(fù)值逐漸升高，泵氧電壓則逐漸減小。
[0019]優(yōu)選的，第一電阻取值為1ΚΩ?5ΚΩ ;若電阻小于該范圍，則使得通過Dl的電流太大，引起Dl發(fā)熱產(chǎn)生溫漂；若大于該范圍，則可能導(dǎo)致Dl無(wú)足夠電流失去穩(wěn)壓作用。
[0020]優(yōu)選的，第五電阻R5的阻值在兆歐姆量級(jí)；第五電阻R5用于確保第二運(yùn)算放大器0P2的穩(wěn)定輸出，而在兆歐姆量級(jí)取其阻值，可最大程度地減小第五電阻R5上流過的電流，以消除第五電阻R5自身對(duì)第二運(yùn)算放大器0P2輸入負(fù)端的影響。
[0021]按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種氮氧傳感器定氧腔室泵氧控制方法，基于上述氮氧傳感器定氧腔室泵氧控制電路，具體如下:
[0022](I)通過控制加熱電壓，將氮氧傳感器的工作區(qū)域加熱到目標(biāo)溫度；
[0023](2)通過控制泵氧電壓將定氧腔室內(nèi)的氧氣排出定氧腔室外，使得定氧腔室與還原腔室內(nèi)的氧氣含量相等；
[0024]由于還原腔室與定氧腔室僅相隔一層擴(kuò)散障，因此在定氧腔室氧氣排空后，還原腔室內(nèi)的氧氣在擴(kuò)散作用下進(jìn)入定氧腔室隨后被排出定氧腔室外；由此，定氧腔室與還原腔室內(nèi)的氧氣含量相等；
[0025]而還原腔室與參考腔室內(nèi)之間具有氧濃度差，因此比較電極與參考電極之間存在由氧氣濃度差產(chǎn)生的電勢(shì)差；其中，比較電極設(shè)置在還原腔室內(nèi)，參考電極設(shè)置在參考腔室內(nèi)，參考電極與大氣相通；
[0026](3)根據(jù)上述氧濃度電勢(shì)差調(diào)整泵氧電壓以驅(qū)動(dòng)泵氧，將定氧腔室內(nèi)氧氣排出，直到定氧腔室氧氣濃度減小到濃度閾值；
[0027]隨著泵氧進(jìn)行，定氧腔室里氧氣濃度逐漸減小，定氧腔室與參考腔室之間的氧濃度差逐漸增大，比較電極與參考電極之間氧濃度電勢(shì)差隨之逐漸加大，泵氧電壓逐漸減小，泵氧減緩；當(dāng)該電勢(shì)差增大430mV?600mV，定氧腔室氧氣濃度達(dá)到濃度閾值；其中，氧濃度電勢(shì)差是由兩個(gè)腔室內(nèi)氧氣濃度差而產(chǎn)生的氧化鋯電解質(zhì)濃差電勢(shì)差。
[0028]優(yōu)選地，隨著泵氧減緩，比較電極與參考電極之間的氧濃度電勢(shì)差逐漸減小；當(dāng)定氧腔室內(nèi)氧氣濃度高于濃度閾值，通過氧濃度電勢(shì)差控制泵氧電壓自調(diào)整，加大驅(qū)動(dòng)泵氧，將定氧腔室內(nèi)多余的氧氣泵出腔室外，將定氧腔室內(nèi)氧氣濃度維持在濃度閾值。
[0029]優(yōu)選地，定氧腔室內(nèi)氧氣濃度的閾值為Ippm?5ppm，定氧腔室內(nèi)氧氣濃度達(dá)到Ippm?5ppm，則達(dá)到了尾氣NOx含量檢測(cè)的要求；此后，定氧腔室的泵氧量與外界進(jìn)入到定氧腔室的氧氣量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。
[0030]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果:
[0031 ] (I)本發(fā)明提供的氮氧傳感器定氧腔室泵氧控制電路，模塊簡(jiǎn)單、元件少、體積小，可嵌入毫米量級(jí)的氮氧傳感器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)定氧腔室氧濃度的快速穩(wěn)定控制；
[0032](2)由于本發(fā)明提供的氮氧傳感器定氧腔室泵氧控制電路及方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)定氧腔室內(nèi)氧氣濃度的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié):一旦定氧腔室的氧氣濃度大于閾值，就會(huì)將多余的氧氣泵出定氧腔室外，由此將定氧腔室中氧濃度維持在閾值內(nèi)。
【附圖說明】
[0033]圖1是氮氧傳感器陶瓷芯片結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種氮氧傳感器定氧腔室泵氧控制電路的系統(tǒng)框圖；
[0035]圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種氮氧傳感器定氧腔室泵氧控制電路。
【具體實(shí)施方式】
[0036]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0037]如圖1是氮氧傳感器陶瓷芯片結(jié)構(gòu)示意圖，圖1中，IPl與IP2均表示電流測(cè)量裝置，El表示接地端，Vf表示氧濃度電壓差；陶瓷芯片為六層氧化鋯材質(zhì)，第一層與第二層中的灰色區(qū)域?yàn)閿U(kuò)散障；陶瓷芯片分為3個(gè)腔室:參考腔室:該腔室充盈空氣，該腔室內(nèi)引入?yún)⒖茧姌O；定氧腔室:該腔室內(nèi)氣體氛圍可變，該腔室內(nèi)引入定氧電極，通過定氧電極與主電極的電壓差確定泵氧電壓的大小，對(duì)定氧腔室泵氧；還原腔室:與定氧腔室相隔一層擴(kuò)散障，腔室內(nèi)部的氣體氛圍因擴(kuò)散作用與定氧腔室的氣體氛圍相似。
[0038]在進(jìn)行泵氧以及測(cè)量氧氣含量時(shí)陶瓷芯片有3對(duì)電極參與工作:比較電極和參考電極，用于測(cè)量還原腔室與參考腔室氧氣濃度差；主電極和定氧電極，用于將定氧腔室和還原腔室的氧氣濃度控制在一定范圍內(nèi)；測(cè)量電極和主電極，測(cè)量電極獲得的電壓反應(yīng)尾氣中NOx的濃度。
[0039]在尾氣NOx含量檢測(cè)開始前，將氮氧傳感器的工作區(qū)域加熱到目標(biāo)溫度，通過比較電極與定氧電極之間形成的泵氧電壓將定氧腔室內(nèi)的氧氣排出定氧腔室外；還原腔室內(nèi)的氧氣在擴(kuò)散作用下進(jìn)入定氧腔室隨后被排出定氧腔室外，由此，定氧腔室與還原腔室內(nèi)的氧氣含量近似相等；而還原腔室與參考腔室內(nèi)之間具有氧氣濃度差；
[0040]根據(jù)能斯特方程的原理，設(shè)置在還原腔室內(nèi)的比較電極與設(shè)置在參考腔室內(nèi)的參考電極之間具有氧濃度電壓差A(yù)U，由泵氧控制電路自動(dòng)控制該氧濃度電壓差A(yù)U，使之保持在預(yù)設(shè)值；氧濃度電壓差A(yù)U保持在預(yù)設(shè)值，則表明定氧腔室與還原腔室的氧氣濃度達(dá)到氮氧傳感器檢測(cè)尾氣NOx含量的先決條件；
[0041]定氧腔室O2濃度在I?5ppm的閾值范圍內(nèi)則符合該先決條件；由于定氧腔室O 2濃度低于I?5ppm，會(huì)使得NOx在定氧電極反應(yīng)，導(dǎo)致還原腔室內(nèi)NOx濃度不足，從而導(dǎo)致測(cè)量電極測(cè)到的NOx濃度不準(zhǔn)確；若定氧腔室02濃度高于I?5ppm，定氧腔室氧氣