一种氮氧传感器定氧腔室泵氧控制电路及方法

摘要

本发明公开了一种氮氧传感器定氧腔室泵氧控制电路及方法，泵氧控制电路包括第一接收模块、电压叠加模块、第二接收模块、信号处理模块和泵氧模块；电压叠加模块的输入端连接第一接收模块的输出端；信号处理模块的第一信号输入端连接电压叠加模块的输出端，第二信号输入端连接第二接收模块的输出端，反馈信号输入端连接泵氧模块的负反馈端；泵氧模块的输入端连接信号处理模块的输出端；通过本发明提供的氮氧传感器定氧腔室泵氧控制电路及方法，实现对氮氧传感器定氧腔室内氧气浓度的动态自适应实时调节，将定氧腔室内的氧浓度维持在阈值浓度，以达到采用氮氧传感器进行尾气NOx排放含量测试的前提条件。

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术领域，更具体地，涉及一种氮氧传感器定氧腔 室泵氧控制电路及方法。

背景技术

随着经济增长，使用柴油发动机的车辆逐渐增多，排放超标导致我国 城市空气环境污染严重；因此排放达标已成为我国社会的一项长期而紧迫 的任务。氮氧传感器主要用于测量柴油车尾气的NOx排放含量，是柴油发 动机后处理系统的关键部件。

在NOx排放含量检测过程中，将氮氧传感器加热后，排出NOx检测腔 室里的氧气，使NOx检测腔室内氧气浓度保持在5ppm以内；在NOx气氛环 境下，含NOx的待检气氛经由定氧腔室进入检测腔室进行NOx排放含量检 测；其中，NOx检测腔室是指氮氧传感器芯片的还原腔室；这种检测方法对 检测腔室氧气浓度敏感，若外部氧气随NOx气体混进检测腔室，导致检测 腔室氧气浓度超限，则会在很大程度上影响NOx排放含量检测结果的准确 性；由于待检气氛是经由定氧腔室进入NOx检测腔室的，因此在采用氮氧 传感器芯片进行NOx排放含量检测的过程中，定氧腔室里的氧气浓度至为 关键，需要将其控制在1～5ppm范围内。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种氮氧传感器 定氧腔室泵氧控制电路及方法，其目的在于，在泵氧过程中控制氮氧传感 器还原腔室与参考腔室之间的氧浓度电势差，以控制泵氧电压，从而将氮 氧传感器还原腔室与参考腔室之间的氧气浓度差维持在特定浓度差上，实 现对定氧腔室氧气浓度的实时控制。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种氮氧传感器定 氧腔室泵氧控制电路，包括第一接收模块、电压叠加模块、第二接收模块、 信号处理模块和泵氧模块；

其中，电压叠加模块的输入端连接第一接收模块的输出端；信号处理 模块的第一信号输入端连接电压叠加模块的输出端，第二信号输入端连接 第二接收模块的输出端，反馈信号输入端连接泵氧模块的负反馈端；泵氧 模块的输入端连接信号处理模块的输出端，泵氧模块的输出端作为所述氮 氧传感器定氧腔室泵氧控制电路的泵氧电压输出端；

其中，第一接收模块用于接收并调理氮氧传感器的比较电极信号；第 二接收模块用于接收并调理氮氧传感器的参考电极信号；电压叠加模块将 用于根据比较电极信号与叠加电压获取校正电压；信号处理模块根据该校 正电压与参考电极信号的比较结果获取泵氧控制信号；泵氧模块根据该泵 氧控制信号输出泵氧电压，驱动泵氧。

优选的，叠加电压为430mV～600mV。

优选的，电压叠加模块包括稳压二级管D1、第一电阻R1、第二电阻R2 和第三电阻R3；稳压二极管D1采用精密稳压管；以使得通过电阻R2,R3分 压获得的叠加电压更稳定；

其中，第一电阻的第一端连接5V电压源，第二电阻R2的第一端连接 第一电阻R1的第二端，第三电阻R3的第一端连接第二电阻R2的第二端； 所述稳压二极管D1的正极连接第三电阻R3的第二端；

其中，稳压二极管D1的负极连接第一电阻R1与第二电阻R2的串联端； 稳压二极管D1的正极作为电压叠加模块的输入端，第二电阻R2与第三电 阻R3的串联端作为电压叠加模块的输出端。

优选的，第一接收模块包括第一运算放大器OP1，其输入正端作为第一 接收模块的输入端，其输入负端连接电压叠加模块中第三电阻R3的第二端， 其第一输出端作为第一接收模块的输出端，连接电压叠加模块的输入端， 第二输出端连接电压叠加模块中第三电阻R3的第二端；

其中，第一运算放大器OP1用作电压跟随器，根据运算放大器的虚短 原理，第一运算放大器OP1的输出信号等于OP1输入正端的比较电极电压 信号。

优选的，信号处理模块包括第二运算放大器OP2、第四电阻R4、第五 电阻R5和第六电阻R6；

其中，第二运算放大器OP2的输入负端作为信号处理模块的第一信号 输入端，其输入正端作为信号处理模块的第二信号输入端，用于输入参考 电极电压；

第四电阻R4的第一端连接第二运算放大器OP2的输出端；第六电阻R6 的第一端连接第四电阻R4的第二端，第六电阻R6的第二端接地；第五电 阻R5的第一端连接第二运算放大器OP2的输入负端；

第四电阻R4与第六电阻R6的串联端作为信号处理模块的输出端，与 氮氧传感器的定氧电极连接；第五电阻R5的第二端作为信号处理模块的反 馈信号输入端，与氮氧传感器的定氧电极与连接；

第二运算放大器OP2根据其正端输入信号与负端输入信号的比较结果 输出泵氧控制信号；泵氧时，泵氧控制信号从负值逐渐升高，泵氧电压则 逐渐减小。

优选的，第一电阻取值为1KΩ～5KΩ；若电阻小于该范围，则使得通 过D1的电流太大，引起D1发热产生温漂；若大于该范围，则可能导致D1 无足够电流失去稳压作用。

优选的，第五电阻R5的阻值在兆欧姆量级；第五电阻R5用于确保第 二运算放大器OP2的稳定输出，而在兆欧姆量级取其阻值，可最大程度地 减小第五电阻R5上流过的电流，以消除第五电阻R5自身对第二运算放大 器OP2输入负端的影响。

按照本发明的另一方面，提供了一种氮氧传感器定氧腔室泵氧控制方 法，基于上述氮氧传感器定氧腔室泵氧控制电路，具体如下：

(1)通过控制加热电压，将氮氧传感器的工作区域加热到目标温度；

(2)通过控制泵氧电压将定氧腔室内的氧气排出定氧腔室外，使得定 氧腔室与还原腔室内的氧气含量相等；

由于还原腔室与定氧腔室仅相隔一层扩散障，因此在定氧腔室氧气排 空后，还原腔室内的氧气在扩散作用下进入定氧腔室随后被排出定氧腔室 外；由此，定氧腔室与还原腔室内的氧气含量相等；

而还原腔室与参考腔室内之间具有氧浓度差，因此比较电极与参考电 极之间存在由氧气浓度差产生的电势差；其中，比较电极设置在还原腔室 内，参考电极设置在参考腔室内，参考电极与大气相通；

(3)根据上述氧浓度电势差调整泵氧电压以驱动泵氧，将定氧腔室内 氧气排出，直到定氧腔室氧气浓度减小到浓度阈值；

随着泵氧进行，定氧腔室里氧气浓度逐渐减小，定氧腔室与参考腔室 之间的氧浓度差逐渐增大，比较电极与参考电极之间氧浓度电势差随之逐 渐加大，泵氧电压逐渐减小，泵氧减缓；当该电势差增大430mV～600mV， 定氧腔室氧气浓度达到浓度阈值；其中，氧浓度电势差是由两个腔室内氧 气浓度差而产生的氧化锆电解质浓差电势差。

优选地，随着泵氧减缓，比较电极与参考电极之间的氧浓度电势差逐 渐减小；当定氧腔室内氧气浓度高于浓度阈值，通过氧浓度电势差控制泵 氧电压自调整，加大驱动泵氧，将定氧腔室内多余的氧气泵出腔室外，将 定氧腔室内氧气浓度维持在浓度阈值。

优选地，定氧腔室内氧气浓度的阈值为1ppm～5ppm，定氧腔室内氧气 浓度达到1ppm～5ppm，则达到了尾气NOx含量检测的要求；此后，定氧腔 室的泵氧量与外界进入到定氧腔室的氧气量达到动态平衡。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够 取得下列有益效果：

(1)本发明提供的氮氧传感器定氧腔室泵氧控制电路，模块简单、元 件少、体积小，可嵌入毫米量级的氮氧传感器中，实现对定氧腔室氧浓度 的快速稳定控制；

(2)由于本发明提供的氮氧传感器定氧腔室泵氧控制电路及方法，实 现对定氧腔室内氧气浓度的动态自适应实时调节：一旦定氧腔室的氧气浓 度大于阈值，就会将多余的氧气泵出定氧腔室外，由此将定氧腔室中氧浓 度维持在阈值内。

附图说明

图1是氮氧传感器陶瓷芯片结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种氮氧传感器定氧腔室泵氧控制电路的 系统框图；

图3是本发明实施例提供的一种氮氧传感器定氧腔室泵氧控制电路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

如图1是氮氧传感器陶瓷芯片结构示意图，图1中，IP1与IP2均表示 电流测量装置，E1表示接地端，V_f表示氧浓度电压差；陶瓷芯片为六层氧 化锆材质，第一层与第二层中的灰色区域为扩散障；陶瓷芯片分为3个腔 室：参考腔室：该腔室充盈空气，该腔室内引入参考电极；定氧腔室：该 腔室内气体氛围可变，该腔室内引入定氧电极，通过定氧电极与主电极的 电压差确定泵氧电压的大小，对定氧腔室泵氧；还原腔室：与定氧腔室相 隔一层扩散障，腔室内部的气体氛围因扩散作用与定氧腔室的气体氛围相 似。

在进行泵氧以及测量氧气含量时陶瓷芯片有3对电极参与工作：比较 电极和参考电极，用于测量还原腔室与参考腔室氧气浓度差；主电极和定 氧电极，用于将定氧腔室和还原腔室的氧气浓度控制在一定范围内；测量 电极和主电极，测量电极获得的电压反应尾气中NOx的浓度。

在尾气NOx含量检测开始前，将氮氧传感器的工作区域加热到目标温 度，通过比较电极与定氧电极之间形成的泵氧电压将定氧腔室内的氧气排 出定氧腔室外；还原腔室内的氧气在扩散作用下进入定氧腔室随后被排出 定氧腔室外，由此，定氧腔室与还原腔室内的氧气含量近似相等；而还原 腔室与参考腔室内之间具有氧气浓度差；

根据能斯特方程的原理，设置在还原腔室内的比较电极与设置在参考 腔室内的参考电极之间具有氧浓度电压差ΔU，由泵氧控制电路自动控制该 氧浓度电压差ΔU，使之保持在预设值；氧浓度电压差ΔU保持在预设值， 则表明定氧腔室与还原腔室的氧气浓度达到氮氧传感器检测尾气NOx含量 的先决条件；

定氧腔室O₂浓度在1～5ppm的阈值范围内则符合该先决条件；由于定 氧腔室O₂浓度低于1～5ppm，会使得NOx在定氧电极反应，导致还原腔室内 NOx浓度不足，从而导致测量电极测到的NOx浓度不准确；若定氧腔室O₂浓度高于1～5ppm，定氧腔室氧气进入还原腔室，同样影响NOx浓度测量结 果；

尾气NOx含量检测开始，将氮氧传感器陶瓷芯片置于汽车尾气氛围中， 尾气中的NOx气体进入定氧腔室和还原腔室；在还原腔室内，NOx在测量电 极的催化作用下分解为O₂与N₂；根据测量电极检测到的O₂离子产生的电流 来确定腔室内NOx的浓度，达到测量柴油车尾气的NOx排放含量目的。

图2所示是本发明实施例提供的一种氮氧传感器定氧腔室泵氧控制电 路的系统框图；该实施例提供的泵氧控制电路包括第一接收模块、电压叠 加模块、第二接收模块、信号处理模块和泵氧模块；

其中，第一接收模块接收氮氧传感器的比较电极信号并对其进行去噪 调理；第二接收模块用于接收氮氧传感器的参考电极信号并对其进行去噪 调理；电压叠加模块的输入端连接第一接收模块的输出端，接入处理后的 比较电极信号；信号处理模块的第一信号输入端连接电压叠加模块的输出 端，接入校正电压；第二信号输入端连接第二接收模块的输出端，接入处 理后的参考电极信号；反馈信号输入端连接泵氧模块的负反馈端；泵氧模 块的输入端连接信号处理模块的输出端。

图3所示是本发明实施例提供的一种氮氧传感器定氧腔室泵氧控制电 路，包括稳压二级管D1、第一运算放大器OP1、第二运算放大器OP2、5V 电压源、1K欧姆的第一电阻R1、2.8K欧姆的第二电阻R2、1.6K欧姆的第 三电阻R3、200欧姆的第四电阻R4、1M欧姆的第五电阻R5和300欧姆的 第六电阻R6；

第一运算放大器OP1的输入正端用作比较电极Vc电压输入端，输入负 端连接第三电阻R3的一端；OP1在电路中用作电压跟随器，OP1的输出电 压即为比较电极Vc电压；

第一运算放大器OP1的输出分为两条支路；其中，第一支路连接稳压 二极管D1的正极，第二支路连接在第三电阻R3的第一端；第二电阻R2的 第一端连接第三电阻R3的第二端；第一电阻R1的第一端连接第二电阻R2 第二端与稳压二极管D1负极的相交端；第一电阻的第二端连接5V电压源 正端；

第二运算放大器OP2的输入负端连接第三电阻R3的第二端，输入负端 用作参考电极Vr电压输入端；由此，比较电极电压与第三电阻R3分到的 电压相加作为OP2的负极输入，参考电极电压作为正极输入；两者在第二 运算放大器OP2上进行比较，输出信号经第四电阻R4与第六电阻R6后作 用于定氧电极；泵氧时，第二运算放大器OP2的输出端电压从负值逐渐升 高到0mV；运算放大器OP2在本实施例里用于控制使比较电极与参考电极之 间的氧浓度电势差ΔU；

第四电阻R4的第一端连接第二运算放大器OP2的输出端；第六电阻R6 的第一端连接第四电阻R4的第二端，第六电阻R6的第二端接地；定氧电 极连接第四电阻R4与第六电阻R6的串联端；

第四电阻R4第二端的电压作用于定氧电极V₀；在主电极Vi端施加2.3V 固定电压，主电极Vi端电压与定氧电极V₀端电压之间的电压差即为泵氧电 压Uo₂；

第五电阻R5的第一端连接第二运算放大器OP2的输入负端；定氧电极 连接第五电阻R5的第二端；其中，D1两端电压稳定在1.25V，第三电阻R3 分到的电压预设在450mV，作为叠加电压。

以下结合图1与图3具体阐述本发明提供的氮氧传感器定氧腔室泵氧 控制方法：

(1)均匀缓慢的增加加热电压直到目标加热电压，将氮氧传感器的工 作区域加热到目标温度；

(2)控制泵氧电压将定氧腔室内的氧气排出定氧腔室外，使得定氧腔 室与还原腔室内的氧气含量相等；

由于还原腔室与定氧腔室仅相隔一层扩散障，因此在定氧腔室氧气排 空后，还原腔室内的氧气在扩散作用下进入定氧腔室随后被排出定氧腔室 外；由此，定氧腔室与还原腔室内的氧气含量相等；

而还原腔室与参考腔室内之间具有氧气浓度差，因此比较电极与参考 电极之间存在氧浓度电势差；其中，比较电极设置在还原腔室内，参考电 极设置在参考腔室内，参考电极与大气相通；

(3)根据上述氧浓度电势差调整泵氧电压以驱动泵氧，直到定氧腔室 氧气浓度减小到1ppm～5ppm；

随着泵氧进行，定氧腔室里氧浓度逐渐减小，定氧腔室与参考腔室之 间的氧浓度差逐渐增大；由此，比较电极与参考电极之间氧浓度电势差随 之逐渐加大，泵氧电压逐渐减小，泵氧减缓；当该电势差为430mV～600mV， 定氧腔室氧气浓度为到1ppm～5ppm；其中，氧浓度电势差是由两个腔室内 氧气浓度差而产生的离子运动导致的电势差；

(4)随着泵氧减缓，当定氧腔室内氧气浓度高于1ppm～5ppm，比较电 极与参考电极之间的氧浓度电势差增大；通过该电势差控制泵氧电压自调 整，以驱动泵氧，将定氧腔室内多余的氧气泵出腔室外，将定氧腔室氧气 浓度维持在1ppm～5ppm；

定氧腔室氧气浓度达到1ppm～5ppm，即达到了氮氧传感器进行尾气 NOx含量检测的要求；此后，定氧腔室的泵氧量与外界进入到定氧腔室的氧 气量达到动态平衡；由此实现了定氧腔室氧气浓度的自适应调节。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。