車用片式氧傳感器多節點測試和標定

盧 燦, 劉安陽, 劉 艷, 傅旭東, 葉結伢

(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構,體積小、耐高溫、性能良好,在汽車電噴發動機控制系統中有著大量的應用,其在出廠前合格性測試中,性能測試和參數的標定是至關重要的環節[1,2]。目前,常規的片式氧傳感器測試和標定采用集中裝夾,同時加電測試,測試結果人工觀測和記錄,效率很低。因此,研究一種高效自動測試和標定裝置,以實現氧傳感器的批量測試和標定對提高生產效率和擴大產能具有重要意義。

本文提出一種基于模塊化、多單元并行處理思想的多節點自動測試和標定方法,采用CAN總線實現多節點控制命令交互處理和數據采集,通過測控計算機實現標定參數的自動解算、記錄和管理。

1 車用氧化鋯片式氧傳感器測量原理

汽車上使用的氧化鋯片式氧傳感器有多種結構,不同的結構工作原理、性能測試和參數標定方法有一定的差異,本文研究的方法是針對應用廣泛的雙腔體氧化鋯片式氧傳感器,其結構原理如圖1所示[3]。

圖1 雙腔體片式氧傳感器

傳感器包含泵氧和測量2個氧化鋯盤,兩個氧化鋯盤加上氧氣擴散障組成傳感器的擴散腔用于汽車尾氣的氧體積分數測量,其中擴散障用于限制氧氣進入擴散腔的速度,以控制不同氧濃度下界限電流的大小。氧化鋯測量盤和陶瓷密封結構組成空氣參考腔,用于比測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印和燒結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ZrO2材料的特性,當其達到工作溫度時(通?！?50 ℃),會產生兩個物理過程: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ZrO2盤,在陽極釋放出氧氣,即為電化學泵作用;2)當ZrO2兩側有氧分壓差時,會產生能斯特電壓[4]。計算氧化鋯測量盤產生的能斯特電壓[3,5]

(1)

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

計算泵氧化鋯盤的泵電流[3]

ip=4FσO2(PO2,d-PO2,dg)

(2)

式中PO2,d為尾氣環境氧分壓,擴散障的氧氣粒子漏電導為σO2

σO2=DO2A/RTl

(3)

式中DO2為氧氣的擴散系數,A為擴散障的有效橫截面積,l為擴散障的長度。

由式(1)和式(2)可推導出泵電流的計算

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)

當環境氣壓為P時,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,當氧化鋯測量盤的能斯特電壓VS恒定時,尾氣環境氧體積分數與泵電流呈比例關系,由式(2)可知,在泵電流一定的條件下,氧氣粒子漏電導σO2與擴散障兩邊的氧分壓差為反比例關系,P×σO2可消除環境壓力對氧濃度檢測的影響?？捎镁€性度常數k和偏移量常數α來簡化等式(6),簡化后的等式

CO2,d=α×CO2,a+k×iP

(7)

在該傳感器的參數測量和應用中通過電路設計控制加熱溫度T和能斯特電壓VS保持穩定,由于傳感器個體間的差異,導致每只傳感器α,k系數不盡相同,在對T和能斯特電壓VS實現穩定控制后,通過測量多點標準氧濃度源下的ip值,即可解算出α和k系數,實現傳感器的參數標定。

2 傳感器工作和測量電路

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定即可控制加熱溫度的穩定。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惠斯登電橋[7],其和運放、三極管等組成一個負反饋自動平衡的恒電阻加熱控制電路。在加熱器溫度(電阻)穩定時,根據電橋平衡[8]的原理有R2Rht=RP1R3,則加熱器電阻Rht可計算

Rht=RP1R3/R2

(8)

可以看出,加熱器電阻Rht由R2,R3,RP1的設定值確定,R3選用低溫度系數的高精度、小阻值的功率電阻器,阻值推薦在1 Ω左右,RP1根據傳感器的特性調節到預設的工作溫度。由于受環境的影響,當加熱器的溫度變化時通過運放的負反饋控制,調節三極管V1的輸出電壓以保持加熱溫度的恒定。

圖2 控制和檢測電路

2.2 能斯特電壓控制和泵電流檢測電路

為了使尾氣環境的氧濃度與泵電流保持測線性關系,需要保持氧化鋯測量盤的能斯特電壓穩定。圖2(b)為能斯特電壓控制和電流檢測電路,其中氧化鋯測量盤產生的能斯特的設定值由V1確定。由氧傳感器的泵氧和測量兩個氧化鋯盤、V1、運放A1和電阻R1組成負反饋控制電路,當氧化鋯測量盤的能斯特電壓與V1有差異時,運放A1控制泵電流對擴散腔進行泵入或泵出氧粒子,調節擴散腔的氧分壓以保持能斯特電壓的恒定。泵電流通過取樣電阻轉換成電壓信號,經過運放A2放大后輸入到A/D轉換器,CPU通過讀取A/D轉換器的值換算出泵電流,對已標定過的傳感器可依據式(7)計算出被測尾氣環境的氧體積分數值。

3 多節點自動檢測和標定系統

3.1 系統組成

多節點自動檢測和標定[9]系統由標準氧源、電動控制閥門、多節點氣路工裝、各節點采集模塊、總線和測控計算等部分組成,如圖3所示。

圖3 多節點自動測試和標定系統

標準氧源由至少4種標準氧濃度氧源組成,其中標準氧源1和標準氧源4通常選擇傳感器可檢測的最小和最大氧濃度值,用于標定后的精度復測,標準氧源2和標準氧源3介于可檢測的最大和最小氧體積分數之間,用于標定的氧源。電動控制閥門由測控計算機通過命令進行控制,實現標準氧源的切換。多節點氣路工裝用于將標準氧源分配到每個測試節點氧傳感器的感測端,為了保證感測端壓力與環境氣壓一致,需要通過環境氣壓感測口與外部大氣相通,流阻應小于5 mm水柱的壓力。

每個檢測節點連接一個采集模塊,采集模塊由傳感器加熱控制、能斯特電壓控制、電流檢測、A/D轉換、CPU,CAN接口[10]等電路組成,其中CPU完成傳感信號的檢測和參數計算,通過CAN總線將數據發送給測控計算機。CAN總線采用串行連接,各節點通過編址的方式進行區分,測控計算機可通過廣播指令或編址的指令分別向全部節點和某一個具體的節點發送命令。

測控計算機采用命令的方式通過控制接口和采集模塊實現氧傳感器的自動測試和標定。依據各節點傳感器的檢測參數,計算出每只傳感器的α,k系數,并依據α,k系數完成傳感器氧體積分數測量精度的復測,檢測和計算的系數依據傳感器的編號保存在數據庫中,便于進行結果的查詢。

3.2 檢測和標定方法

測控制計算機通過檢測和標定軟件,依據設定好的流程完成安裝于各節點上氧傳感器的自動檢測和標定工作,檢測過程和標定方法如下:

1)發送準備指令,各節點采集模塊控制傳感器加熱器進行加熱,依據設計的預熱時間等待傳感器進入正常工作狀態。

2)分別通入標準氧源2和標準氧源3,待穩定后逐一測量每個節點氧傳感器兩種標準氧源下的泵電流。

3)標定傳感器參數:氧傳感器參數標定依據等式(7)進行解算,由于采用空氣作為參比氣體其氧體積分數可近似等于20.8(20.8%),則通過測量兩種標準氣源的參數組成二元一次方程組完成標定參數的解算。解算方程組如下

4)將解算后的標定參數保存在數據庫中,分別通入標準氧源1和標準氧源4,待穩定后逐一測量每個節點氧傳感器兩種標準氧源下的泵電流,依據標定好的參數計算出氧濃度值,與標準氧濃度進行比較,誤差在允許范圍內則氧傳感器測量精度滿足要求,超出誤差范圍則認定不合格。

檢測和標定主要流程見圖4。

圖4 檢測和標定流程

4 試驗測試結果

選擇體積分數為15 %和25 %的氧氣作為參數標定的氧源,通過實測泵電流解算出α和k系數,復測氧濃度為5 %和35 %氧源下的測量精度。表1為5只氧傳感器的測試和解算出的參數,換算后的氧濃度誤差均在2 %范圍內,性能合格。從表中數據也可以看出,氧傳感器個體間有一定的差異,在使用中難以實現直接互換,在參數一致性控制上有很大的提升空間。

表1 檢測和標定數據

5 結束語

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,以及多節點氧傳感器控制系統的構成、標定方法和流程。該方法已在某系統中進行了應用,可實現多節點自動測試和標定、測試數據和參數記錄和跟蹤,對提高測試和標定效率具有重要作用。