盧 燦, 劉安陽(yáng), 劉 艷, 傅旭東, 葉結(jié)伢

(華東光電集成器件研究所,江蘇 蘇州 215163)

0 引 言

氧化鋯片式氧傳感器采用傳感芯體和加熱器集成的結(jié)構(gòu),體積小、耐高溫、性能良好,在汽車電噴發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中有著大量的應(yīng)用,其在出廠前合格性測(cè)試中,性能測(cè)試和參數(shù)的標(biāo)定是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)[1,2]。目前,常規(guī)的片式氧傳感器測(cè)試和標(biāo)定采用集中裝夾,同時(shí)加電測(cè)試,測(cè)試結(jié)果人工觀測(cè)和記錄,效率很低。因此,研究一種高效自動(dòng)測(cè)試和標(biāo)定裝置,以實(shí)現(xiàn)氧傳感器的批量測(cè)試和標(biāo)定對(duì)提高生產(chǎn)效率和擴(kuò)大產(chǎn)能具有重要意義。

本文提出一種基于模塊化、多單元并行處理思想的多節(jié)點(diǎn)自動(dòng)測(cè)試和標(biāo)定方法,采用CAN總線實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)控制命令交互處理和數(shù)據(jù)采集,通過(guò)測(cè)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)標(biāo)定參數(shù)的自動(dòng)解算、記錄和管理。

1 車用氧化鋯片式氧傳感器測(cè)量原理

汽車上使用的氧化鋯片式氧傳感器有多種結(jié)構(gòu),不同的結(jié)構(gòu)工作原理、性能測(cè)試和參數(shù)標(biāo)定方法有一定的差異,本文研究的方法是針對(duì)應(yīng)用廣泛的雙腔體氧化鋯片式氧傳感器,其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示[3]。

圖1 雙腔體片式氧傳感器

傳感器包含泵氧和測(cè)量2個(gè)氧化鋯盤,兩個(gè)氧化鋯盤加上氧氣擴(kuò)散障組成傳感器的擴(kuò)散腔用于汽車尾氣的氧體積分?jǐn)?shù)測(cè)量,其中擴(kuò)散障用于限制氧氣進(jìn)入擴(kuò)散腔的速度,以控制不同氧濃度下界限電流的大小。氧化鋯測(cè)量盤和陶瓷密封結(jié)構(gòu)組成空氣參考腔,用于比測(cè)尾氣和參比氣體的氧分壓差。在傳感器的底部采用電阻漿料網(wǎng)印和燒結(jié)的方法在陶瓷膜片上制作出加熱器,用于將傳感器芯體加熱到工作溫度。

根據(jù)ZrO2材料的特性,當(dāng)其達(dá)到工作溫度時(shí)(通?！?50 ℃),會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)物理過(guò)程:1)分解出游離的氧離子,其在直流電壓的作用下將氧氣送過(guò)ZrO2盤,在陽(yáng)極釋放出氧氣,即為電化學(xué)泵作用;2)當(dāng)ZrO2兩側(cè)有氧分壓差時(shí),會(huì)產(chǎn)生能斯特電壓[4]。計(jì)算氧化鋯測(cè)量盤產(chǎn)生的能斯特電壓[3,5]

(1)

式中F為法拉第常數(shù),R為氧化鋯測(cè)量盤達(dá)到工作溫度后變成粒子導(dǎo)電體的電阻,PO2,a參考腔的氧分壓(通常采用環(huán)境空氣作為參比氣體),PO2,dg為擴(kuò)散腔氧分壓,由汽車尾氣氧分壓、擴(kuò)散障、泵電流決定。

計(jì)算泵氧化鋯盤的泵電流[3]

ip=4FσO2(PO2,d-PO2,dg)

(2)

式中PO2,d為尾氣環(huán)境氧分壓,擴(kuò)散障的氧氣粒子漏電導(dǎo)為σO2

σO2=DO2A/RTl

(3)

式中DO2為氧氣的擴(kuò)散系數(shù),A為擴(kuò)散障的有效橫截面積,l為擴(kuò)散障的長(zhǎng)度。

由式(1)和式(2)可推導(dǎo)出泵電流的計(jì)算

ip=4FσO2[PO2,d-PO2,a/exp(4FVS/RT)]

(4)

尾氣的氧分壓

PO2,d=iP/4FσO2〗+PO2,a/exp(4FVS/RT)

(5)

當(dāng)環(huán)境氣壓為P時(shí),則尾氣的氧濃度CO2,d=PO2,d/P,參比氣體的氧濃度CO2,a=PO2,a/P,則尾氣氧濃度可表示

CO2,d=iP/4FPσO2+CO2,a/exp(4FVS/RT)

(6)

由式(6)可以看出,在給定溫度下,當(dāng)氧化鋯測(cè)量盤的能斯特電壓VS恒定時(shí),尾氣環(huán)境氧體積分?jǐn)?shù)與泵電流呈比例關(guān)系,由式(2)可知,在泵電流一定的條件下,氧氣粒子漏電導(dǎo)σO2與擴(kuò)散障兩邊的氧分壓差為反比例關(guān)系,P×σO2可消除環(huán)境壓力對(duì)氧濃度檢測(cè)的影響?？捎镁€性度常數(shù)k和偏移量常數(shù)α來(lái)簡(jiǎn)化等式(6),簡(jiǎn)化后的等式

CO2,d=α×CO2,a+k×iP

(7)

在該傳感器的參數(shù)測(cè)量和應(yīng)用中通過(guò)電路設(shè)計(jì)控制加熱溫度T和能斯特電壓VS保持穩(wěn)定,由于傳感器個(gè)體間的差異,導(dǎo)致每只傳感器α,k系數(shù)不盡相同,在對(duì)T和能斯特電壓VS實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制后,通過(guò)測(cè)量多點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)氧濃度源下的ip值,即可解算出α和k系數(shù),實(shí)現(xiàn)傳感器的參數(shù)標(biāo)定。

2 傳感器工作和測(cè)量電路

2.1 恒溫加熱控制電路

氧化鋯片式氧傳感器的加熱器[6]由燒結(jié)在絕緣基底上的鉑電阻組成,由于鉑材料的電阻率具有很好的正溫度特性(約為3 000×106/℃),因此控制加熱電阻的穩(wěn)定即可控制加熱溫度的穩(wěn)定。圖2(a)為恒電阻加熱控制電路:電阻R2,R3,RP1和氧傳感器的加熱器電阻組成一個(gè)惠斯登電橋[7],其和運(yùn)放、三極管等組成一個(gè)負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)平衡的恒電阻加熱控制電路。在加熱器溫度(電阻)穩(wěn)定時(shí),根據(jù)電橋平衡[8]的原理有R2Rht=RP1R3,則加熱器電阻Rht可計(jì)算

Rht=RP1R3/R2

(8)

可以看出,加熱器電阻Rht由R2,R3,RP1的設(shè)定值確定,R3選用低溫度系數(shù)的高精度、小阻值的功率電阻器,阻值推薦在1 Ω左右,RP1根據(jù)傳感器的特性調(diào)節(jié)到預(yù)設(shè)的工作溫度。由于受環(huán)境的影響,當(dāng)加熱器的溫度變化時(shí)通過(guò)運(yùn)放的負(fù)反饋控制,調(diào)節(jié)三極管V1的輸出電壓以保持加熱溫度的恒定。

圖2 控制和檢測(cè)電路

2.2 能斯特電壓控制和泵電流檢測(cè)電路

為了使尾氣環(huán)境的氧濃度與泵電流保持測(cè)線性關(guān)系,需要保持氧化鋯測(cè)量盤的能斯特電壓穩(wěn)定。圖2(b)為能斯特電壓控制和電流檢測(cè)電路,其中氧化鋯測(cè)量盤產(chǎn)生的能斯特的設(shè)定值由V1確定。由氧傳感器的泵氧和測(cè)量?jī)蓚€(gè)氧化鋯盤、V1、運(yùn)放A1和電阻R1組成負(fù)反饋控制電路,當(dāng)氧化鋯測(cè)量盤的能斯特電壓與V1有差異時(shí),運(yùn)放A1控制泵電流對(duì)擴(kuò)散腔進(jìn)行泵入或泵出氧粒子,調(diào)節(jié)擴(kuò)散腔的氧分壓以保持能斯特電壓的恒定。泵電流通過(guò)取樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),經(jīng)過(guò)運(yùn)放A2放大后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器,CPU通過(guò)讀取A/D轉(zhuǎn)換器的值換算出泵電流,對(duì)已標(biāo)定過(guò)的傳感器可依據(jù)式(7)計(jì)算出被測(cè)尾氣環(huán)境的氧體積分?jǐn)?shù)值。

3 多節(jié)點(diǎn)自動(dòng)檢測(cè)和標(biāo)定系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

多節(jié)點(diǎn)自動(dòng)檢測(cè)和標(biāo)定[9]系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)氧源、電動(dòng)控制閥門、多節(jié)點(diǎn)氣路工裝、各節(jié)點(diǎn)采集模塊、總線和測(cè)控計(jì)算等部分組成,如圖3所示。

圖3 多節(jié)點(diǎn)自動(dòng)測(cè)試和標(biāo)定系統(tǒng)

標(biāo)準(zhǔn)氧源由至少4種標(biāo)準(zhǔn)氧濃度氧源組成,其中標(biāo)準(zhǔn)氧源1和標(biāo)準(zhǔn)氧源4通常選擇傳感器可檢測(cè)的最小和最大氧濃度值,用于標(biāo)定后的精度復(fù)測(cè),標(biāo)準(zhǔn)氧源2和標(biāo)準(zhǔn)氧源3介于可檢測(cè)的最大和最小氧體積分?jǐn)?shù)之間,用于標(biāo)定的氧源。電動(dòng)控制閥門由測(cè)控計(jì)算機(jī)通過(guò)命令進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)氧源的切換。多節(jié)點(diǎn)氣路工裝用于將標(biāo)準(zhǔn)氧源分配到每個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)氧傳感器的感測(cè)端,為了保證感測(cè)端壓力與環(huán)境氣壓一致,需要通過(guò)環(huán)境氣壓感測(cè)口與外部大氣相通,流阻應(yīng)小于5 mm水柱的壓力。

每個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)連接一個(gè)采集模塊,采集模塊由傳感器加熱控制、能斯特電壓控制、電流檢測(cè)、A/D轉(zhuǎn)換、CPU,CAN接口[10]等電路組成,其中CPU完成傳感信號(hào)的檢測(cè)和參數(shù)計(jì)算,通過(guò)CAN總線將數(shù)據(jù)發(fā)送給測(cè)控計(jì)算機(jī)。CAN總線采用串行連接,各節(jié)點(diǎn)通過(guò)編址的方式進(jìn)行區(qū)分,測(cè)控計(jì)算機(jī)可通過(guò)廣播指令或編址的指令分別向全部節(jié)點(diǎn)和某一個(gè)具體的節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令。

測(cè)控計(jì)算機(jī)采用命令的方式通過(guò)控制接口和采集模塊實(shí)現(xiàn)氧傳感器的自動(dòng)測(cè)試和標(biāo)定。依據(jù)各節(jié)點(diǎn)傳感器的檢測(cè)參數(shù),計(jì)算出每只傳感器的α,k系數(shù),并依據(jù)α,k系數(shù)完成傳感器氧體積分?jǐn)?shù)測(cè)量精度的復(fù)測(cè),檢測(cè)和計(jì)算的系數(shù)依據(jù)傳感器的編號(hào)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中,便于進(jìn)行結(jié)果的查詢。

3.2 檢測(cè)和標(biāo)定方法

測(cè)控制計(jì)算機(jī)通過(guò)檢測(cè)和標(biāo)定軟件,依據(jù)設(shè)定好的流程完成安裝于各節(jié)點(diǎn)上氧傳感器的自動(dòng)檢測(cè)和標(biāo)定工作,檢測(cè)過(guò)程和標(biāo)定方法如下:

1)發(fā)送準(zhǔn)備指令,各節(jié)點(diǎn)采集模塊控制傳感器加熱器進(jìn)行加熱,依據(jù)設(shè)計(jì)的預(yù)熱時(shí)間等待傳感器進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

2)分別通入標(biāo)準(zhǔn)氧源2和標(biāo)準(zhǔn)氧源3,待穩(wěn)定后逐一測(cè)量每個(gè)節(jié)點(diǎn)氧傳感器兩種標(biāo)準(zhǔn)氧源下的泵電流。

3)標(biāo)定傳感器參數(shù):氧傳感器參數(shù)標(biāo)定依據(jù)等式(7)進(jìn)行解算,由于采用空氣作為參比氣體其氧體積分?jǐn)?shù)可近似等于20.8(20.8%),則通過(guò)測(cè)量?jī)煞N標(biāo)準(zhǔn)氣源的參數(shù)組成二元一次方程組完成標(biāo)定參數(shù)的解算。解算方程組如下

4)將解算后的標(biāo)定參數(shù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中,分別通入標(biāo)準(zhǔn)氧源1和標(biāo)準(zhǔn)氧源4,待穩(wěn)定后逐一測(cè)量每個(gè)節(jié)點(diǎn)氧傳感器兩種標(biāo)準(zhǔn)氧源下的泵電流,依據(jù)標(biāo)定好的參數(shù)計(jì)算出氧濃度值,與標(biāo)準(zhǔn)氧濃度進(jìn)行比較,誤差在允許范圍內(nèi)則氧傳感器測(cè)量精度滿足要求,超出誤差范圍則認(rèn)定不合格。

檢測(cè)和標(biāo)定主要流程見(jiàn)圖4。

圖4 檢測(cè)和標(biāo)定流程

4 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

選擇體積分?jǐn)?shù)為15 %和25 %的氧氣作為參數(shù)標(biāo)定的氧源,通過(guò)實(shí)測(cè)泵電流解算出α和k系數(shù),復(fù)測(cè)氧濃度為5 %和35 %氧源下的測(cè)量精度。表1為5只氧傳感器的測(cè)試和解算出的參數(shù),換算后的氧濃度誤差均在2 %范圍內(nèi),性能合格。從表中數(shù)據(jù)也可以看出,氧傳感器個(gè)體間有一定的差異,在使用中難以實(shí)現(xiàn)直接互換,在參數(shù)一致性控制上有很大的提升空間。

表1 檢測(cè)和標(biāo)定數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹了車用雙腔體片式氧傳感器的原理、恒定溫度和恒定能斯特電壓控制電路,以及多節(jié)點(diǎn)氧傳感器控制系統(tǒng)的構(gòu)成、標(biāo)定方法和流程。該方法已在某系統(tǒng)中進(jìn)行了應(yīng)用,可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)自動(dòng)測(cè)試和標(biāo)定、測(cè)試數(shù)據(jù)和參數(shù)記錄和跟蹤,對(duì)提高測(cè)試和標(biāo)定效率具有重要作用。