電流型氮氧化物傳感器輸出特性分析及控制策略的優化*

王佐碩鄒 杰王 梓李玉美簡家文周明軍謝光忠

(1.寧波大學信息科學與工程學院，浙江 寧波 315211；2.中國電子科技集團第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150023；3.電子科技大學光電科學與工程學院，四川 成都 610054)

近年來，我國汽車與工業排放的尾氣污染問題日益突出。 其中，氮氧化物(NOx)是危害最大且難處理的大氣污染物之一。 尾氣中的NOx含量通常在1 000×10－6左右，其中NO 占NOx總排放量的95%[1－2]。 有必要對汽車及工業燃燒尾氣進行監測，并配合選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction)技術以減少NOx的排放，這一過程中，高精度的NOx在線檢測系統是必不可少的。 目前燃燒尾氣中NOx檢測系統主要由基于釔穩定氧化鋯固體電解質的NOx傳感器和外部電子控制單元(即:專用控制器)組成。 由于NOx傳感器工作原理的復雜性，需要與專用控制器配合使用才能實現良好的性能輸出[3－4]。 然而長期以來，NOx傳感器及其專用控制器都是針對車載應用，缺少針對工業尾氣監控應用的開發和研究。 因車載系統對傳感器專用控制器的成本及體積的限制，同時為了適應發動機各種工況下溫度、氣流的突變，在傳統車載控制器的控制策略中犧牲了測量精度以適應以上需求。 例如:日本NGK 公司在2001 年公開了雙電壓(V0、V1)定值反饋控制策略的相關專利[5]。 2009 年NGK 公司又公布了基于Ip1定值反饋的控制策略[6]，這種策略雖然提高了部分測量精度。 但此控制策略復雜，且傳感器加熱器功率控制采用了PWM(Pulse Width Modulation)模式，PWM 波會對微弱信號測量產生一定程度的干擾。 故車用NOx傳感器控制器及其控制策略無法直接移植至對測量精度要求較高的工業尾氣排放監控中。 為了獲得測量精度更高的控制策略，本文設計了基于LabVIEW 模塊化軟件和可控高精度標準儀表基礎上的NOx傳感器全開放測試系統，可對傳感器的加熱功率、多個泵電壓、多個泵電流等工作參數進行獨立控制與采集，因此能夠根據多維的測量結果對NOx傳感器進行分析和研究，獲取傳感器的最優工作方式。 本研究對NOx傳感器的研發及專用控制器的開發均具有指導意義。

1 NOx 傳感器工作原理

本文采用了NGK 公司開發的商用電流型NOx傳感器，傳感器片芯的結構及外接驅動電路如圖1所示，傳感器片芯主要由多層氧化鋯和多個Pt 電極構成，總體上可分為三個電化學泵及加熱器等多個功能模塊。 根據功能將圖中三個電化學泵定義為主泵、輔助泵和測量泵，將加載在上述電化學泵上的泵電壓分別定義為主泵電壓Vp0、輔助泵電壓Vp1和測量泵電壓Vp2，將其產生的泵電流分別定義為主泵電流Ip0、輔助泵電流Ip1和測量泵電流Ip2。 這三個電化學泵單獨工作時，全部基于極限電流原理，故可用極限電流原理的泵電池模型[7]來描述這三個電化學泵的特性。

圖1 NOx 傳感器片芯結構及電路連接原理圖

NOx傳感器在高溫環境下工作時，將三個電化學泵聯合，通過分室、分級控制，對NOx氣體先轉化后測量。 其測量原理如圖2 所示，具體過程如下:

圖2 NOx 傳感器工作原理圖

①尾氣通過第一擴散通道擴散進入到第一腔室內后，在主泵電極與公共電極之間施加有主泵電壓Vp0。 通過主泵電壓Vp0作用，將絕大部分氧氣(O2)泵出腔外，形成主泵電流Ip0，該電流值可與尾氣中的O2濃度建立線性關系[8]。 同時，主泵能夠將第一腔內的O2濃度降低至10－6水平。 由于第一腔室中的O2濃度降低，原NO2與NO 之間的化學平衡被打破，部分NO2分解成NO，反應方程式如下:

與此同時，汽車尾氣中的CO、HC、H2等還原性氣體在第一腔室內以及擴散過程中發生氧化反應，被轉化成CO2和H2O。 理論上此時第一腔室內中的氣體僅剩NO 與少量的O2以及未被完全分解的NO2，大部分氣體為較難參與電化學反應的CO2，H2O 和N2。

②尾氣經過第一腔的處理后，繼續通過第二擴散通道進入到第二腔室，在輔助泵電極與公共電極之間施加有輔助泵電壓Vp1。 通過輔助泵電壓Vp1作用，進一步泵出剩余的微量O2(10－6級)，形成輔助泵電流Ip1，此時第二腔內O2濃度進一步降低至0.01×10－6的級別[9]。 與此同時，由于環境中O2的減少，NO2被進一步轉化為NO，第二腔體內的NOx氣體主要成分為NO[10]。

③當第二腔室內的NO 擴散至測量泵電極時，在測量泵電極與公共電極之間施加有略大于Vp1的測量泵電壓Vp2。 測量泵電壓促使NO 被分解，分解產生的氧形成氧離子并穿過釔穩定氧化鋯(YSZ)固體電解質被泵出腔外，形成測量泵電流Ip2。 由于NO 分子中氮原子數與氧原子數的含量為等比關系，因此可以通過測得的泵電流Ip2計算出氧含量，進而間接推算出NOx的含量。 即通過檢測泵電流Ip2的大小最終獲得尾氣中的NOx濃度。

2 NOx 傳感器測試系統

本文設計的測試系統結構如圖3 所示，被測NOx傳感器安裝在測試腔內，通過自主開發的Lab-VIEW 模塊化軟件控制數字質量流量控制器，調配標準氣源NO、N2、O2的混合比例，實現對不同組分尾氣的模擬及自動切換，并將混合氣通入傳感器測試腔內。 同時該軟件通過USB 接口可實現多臺SPD3033D 型高精度線性直流穩壓電源和SDM3055型高精度數字萬用表等儀器的輸出與采集，使這些高精度儀表能夠為傳感器提供可調的3 路泵電壓(Vp0、Vp1、Vp2)和1 路加熱電壓輸出(VH)以及3 路泵電流(Ip0、Ip1、Ip2)及1 路加熱電流(IH)的實時采集，并在上位機上進行自動數據保存。 該系統能夠完成對NOx傳感器的各項氣敏電學性能的快速精確檢測。

圖3 全開放NOx 傳感器測試系統原理圖

測試系統的環境參數配置:①氣體總流量為200 mL/min；②以濃度為99.995%的高純N2和高純O2及含NO 氣體濃度為1%的N2為標氣；③O2濃度可調節范圍為0～21%；④NOx濃度可調節范圍為0～2 000×10－6；⑤傳感器的工作溫度在700 ℃以上。

3 傳感器的測試方法

①傳感器工作溫度標定:NOx傳感器的加熱器使用了如圖4 所示的三線制結構來實現對傳感器的加熱及溫度的測量。 加熱器由Pt 材料構成，由于Pt具有正溫度系數(PTCR)特性，可以通過頭部Pt 的電阻獲得傳感器頭部的溫度。 三線制加熱器的頭部阻值表示為RH，三根引線的阻值分別表示為RT、RL、RL。 首先，通過三根外部引線結合電流、電壓表采集此時加熱電流IH、加熱電壓VH和引線電壓VT，并根據式(2)計算出此時的加熱器阻值RH。 其次，根據RH值的大小改變加熱電壓VH或者占空比對加熱器功率進行調整，進而實現對傳感器工作溫度的控制。

圖4 加熱器三線制示意圖

由于加熱器到傳感器敏感頭部存在溫度梯度，單純從RH對傳感器頭部溫度T進行計算，計算結果將存在較大偏差，但此時Pt 阻值RH與傳感器敏感頭部存在單調的對應關系[11]，因此在本文中對傳感器頭部溫度與RH值進行了標定分析。 實驗標定過程中，通過調整傳感器加熱功率，并使用外置的熱紅外成像儀對傳感器頭部進行非接觸式的溫度測量，建立RH與T的曲線關系，為后續通過RH值對傳感器頭部溫度進行控制提供參考。

②單泵工作法:傳感器的性能可以通過對傳感器的各個泵進行單獨測試來檢測。 在測試過程中，根據NOx傳感器各個泵的工作原理，選擇相應的測試氣體，獲得各個單泵在施加不同泵電壓時所產生的對應泵電流，分別分析傳感器單泵獨立工作時的輸出特性[12]。

③多泵聯動工作法:根據NOx傳感器上述原理，維持傳感器的工作狀態為:主泵在第一腔內泵出絕大部分O2，輔助泵在第二腔進一步往腔外泵O2，同時維持第二腔的O2濃度在一個較低的范圍，盡量減少O2對測量泵的干擾。 使得測量泵上產生的泵電流Ip2幾乎全部來自于NO 分解所產生的氧，提高NOx的測量精度。 因此設定合理的主泵電壓Vp0、輔助泵電壓Vp1、測量泵電壓Vp2同時施加在NOx傳感器上，使其處于多泵聯動工作狀態。

4 結果與分析

4.1 傳感器工作溫度測試及分析

①RH－T線性對應關系的建立

對傳感器進行工作溫度標定，在5個不同加熱電壓VH下，測得加熱器對應的VT、IH的值，結合式(2)計算得到相應的RH值。 使用熱紅外成像儀獲得此時對應的傳感器頭部溫度，如表1 所示。 通過線性擬合，得到加熱溫度與傳感器加熱電阻的線性關系曲線，如圖5 所示，這為后續通過RH實現對傳感器頭部溫度的控制提供了基礎數據。

表1 加熱器RH 值與傳感器敏感頭部溫度T

圖5 RH－T 的線性對應關系

②加熱方式的選擇

目前傳統的車載傳感器控制器采用的是PWM波加熱方式，通過調節傳感器加熱電壓的占空比使傳感器達到正常的工作溫度。 而PWM 的輸出脈沖會造成大量高次諧波，從而干擾NOx的測量，造成測量精度的下降[13]。 為了獲得更高的測量精度，本文采用高精度線性直流穩壓電源對傳感器進行恒壓加熱。 從圖6 可以明顯看出傳感器的加熱電阻RH在兩種加熱方式下的差異，恒壓加熱時的RH隨著時間變化更穩定、漂移更小，提高了傳感器的測量精度。 因此，本文在后續研究中均采用恒壓加熱方式進行。

圖6 加熱方式對傳感器加熱電阻RH 的影響

③合理加熱功率及傳感器工作溫度的選擇

通過改變傳感器的工作溫度，得到空氣環境下不同工作溫度對泵氧能力的影響關系，如圖7 所示。

圖7 不同加熱電壓下主泵電流與主泵電壓的關系曲線

主泵電流Ip0隨著傳感器加熱功率(即恒壓加熱方式下加熱電壓VH)的升高，極限電流平臺也隨著變得明顯，當傳感器的加熱功率在8 W 以上時(此時傳感器工作溫度約780 ℃)，I－V曲線出現了很好的極限電流平臺。 另外，主泵電壓Vp0小于0.3 V時，主泵電壓Vp0與主泵電流Ip0之間呈歐姆線性關系；當主泵電壓Vp0在0.3～1.2 V 區間時，主泵工作在擴散障束流狀態，主泵電流Ip0隨著主泵電壓Vp0的增加基本保持恒定。 說明該傳感器在加熱功率大于8 W(對應的加熱電壓7.54 V)、主泵電壓Vp0在0.3 V～1.2 V 區間內，傳感器第一腔的泵氧能力達到工作需求。 在后續的實驗中，為了保證傳感器擁有足夠的泵氧能力及合理的功耗問題，本文選用了9.73 W(對應的加熱電壓8.37 V)作為傳感器的最佳加熱功率，并在此基礎上研究了O2濃度、NOx濃度、泵電壓Vp0、Vp1、Vp2改變對傳感器輸出的影響。

4.2 傳感器單泵工作測試及分析

4.2.1 主泵工作測試及分析

主泵單獨工作測試:在不同混合氣中:x%O2＋0%NO＋余N2(x＝2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、21)，輔助泵電壓Vp1與測量泵電壓Vp2都設置為0 V，將主泵電壓Vp0以0.01 V/s 的速率從0.0V 增至1.2 V，得到不同O2濃度條件下主泵電流Ip0隨主泵電壓Vp0的關系曲線圖，結果如圖8(a)所示。 從圖中可以看出在低O2濃度與高O2濃度條件下，傳感器主泵的IV曲線都表現出較好的極限電流平臺。 且主泵電壓Vp0在0.3 V～0.9 V 的區間內，泵電流值的變化可以忽略，維持了一個較為平坦的極限電流平臺。 這說明本傳感器的第一腔對傳感器的主泵電流有較好的束流作用，主泵能很好地完成泵氧作用。 此外在圖8(a)中，選取主泵電壓Vp0＝300 mV 時所對應的主泵電流Ip0，可以得到Ip0與O2濃度的關系曲線。 進而進行線性擬合，得到擬合關系式為y＝0.16x＋0.07，擬合度(R2)達到了0.999 7，表明使用恒定的主泵電壓可以得到線性度良好的O2濃度與泵電流的關系曲線，結果如圖8(b)所示。

圖8 主泵工作測試

4.2.2 輔助泵工作測試及分析

輔助泵單獨工作測試:在不同混合氣中:x%O2＋0%NO＋余N2(x＝2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、21)，主泵電壓Vp0與測量泵電壓Vp2都設置為0 V，輔助泵電壓Vp1同樣以0.01 V/s 的速率從0.0 V 增至1.2 V，所得輔助泵電流Ip1與輔助泵電壓Vp1的關系曲線如圖9(a)所示。 在低O2濃度與高O2濃度條件下，傳感器輔助泵的I－V曲線都表現出較好的極限電流平臺。 同時可以看出隨著O2濃度的不斷上升，進入極限電流平臺所需的泵電壓逐漸增大，這與小孔極限電流氧傳感器的工作原理相一致[14]。 需要注意的是該NOx傳感器的第二腔氣體是由第一腔中的氣體擴散而來，因此在傳感器正常工作的時候，第二腔的O2濃度通常維持在較低的濃度，進一步減小對后續NOx測量的干擾。 因此，良好的輔助泵泵氧能力對提高NOx傳感器的測量精度有重要作用。 圖9(b)為選取輔助泵電壓Vp1＝400 mV 時，輔助泵電流Ip1與不同O2濃度的關系曲線，線性擬合關系式為y＝0.088x－0.002，擬合優度R2＝0.999 8，可以看出本實驗所采用的NOx傳感器的輔助泵泵氧性能優異，能較好地維持第二腔的O2在較低的濃度下，從而進一步減小O2對測量泵電流Ip2的干擾。

圖9 輔助泵工作測試

4.2.3 測量泵工作測試及分析

測量泵單獨工作測試:在不同混合氣中:0%O2＋yNO＋余N2(y＝50×10－6、100×10－6、200×10－6、400×10－6、800×10－6、2 000×10－6)，主泵電壓Vp0與輔助泵電壓Vp1都為0 V，測量泵電壓Vp2以0.1 V/s 的速率從0 V 增至0.6 V，所得測得的測量泵電流Ip2與測量泵電壓Vp2的關系曲線如圖10(a)所示。 在O2濃度為0%時，測量泵電壓在0.1 V～0.5 V 內展現了良好的極限電流平臺且測量泵電流與NOx濃度存在一定的對應關系。 圖10(b)為選取Vp2＝500 mV時，NOx濃度與測量泵電流Ip2的關系曲線，其線性擬合關系式為y＝0.003x＋0.650，擬合優度R2為0.976 8。 說明在傳感器測量泵上加載恒定電壓Vp2時，NOx濃度與測量泵電流Ip2展示出較好的線性度。

圖10 測量泵工作測試

4.3 傳感器多泵聯動工作測試及分析

在傳感器的多泵聯動測試中，本文提出了與目前商用傳感器上采用的“Ip1定值反饋控制策略[15]”不同的“定電壓控制策略”，即去除了反饋控制，將傳感器的三個泵電壓固定在一個合適的電壓點上，通過數據處理也可以得出很好的線性度。

選取Vp0＝300mV，Vp1＝400 mV，Vp2＝500 mV(定電壓控制策略)，O2濃度為0%的測試條件下，通入在不同混合氣體:0%O2＋yNO＋余N2(y＝50×10－6、100×10－6、200×10－6、400×10－6、800×10－6、2 000×10－6)，所得測量泵電流Ip2與NOx濃度的關系曲線如圖11 所示。 從圖中可以看出該傳感器在NOx濃度在50×10－6～2 000×10－6之間的測量泵電流Ip2呈單調遞增，線性擬合的擬合度R2＝0.980 3，說明該傳感器適合工作在定電壓控制策略的控制模式。

圖11 定電壓控制模式下，NOx 濃度與測量泵電流Ip2線性關系曲線

將傳感器在含氧環境下進行進一步測試，采取定電壓控制策略(Vp0＝300 mV，Vp1＝400 mV，Vp2＝500 mV)，在不同混合氣中:x%O2＋yNO＋余N2(x＝2、5、8、13、21；y＝50×10－6、100×10－6、200×10－6、400×10－6、800×10－6、2 000×10－6)所得測量泵電流Ip2與NOx濃度的關系曲線如圖12 所示。 可以發現傳感器在不同氧氣濃度下測量泵電流Ip2隨NOx濃度的增大而增大，且呈優良的線性關系。 證明了該控制策略不僅可以實現對不同NOx濃度的測量，同時也能在不同氧氣濃度的環境下對NOx濃度進行精確測量。

圖12 定電壓控制模式下，不同O2 濃度下測量泵電流Ip2與NOx 濃度的關系曲線

5 結論

本文設計了基于LabVIEW 的NOx傳感器全開放測試系統，實現了對NOx傳感器的開放控制測評及標定。 利用LabVIEW 虛擬儀器平臺，實現開放設置傳感器的所有工作參數并實時顯示傳感器工作狀態，且實現高度自動化測試，快速便捷地對目標傳感器性能做出一個全方位的檢測。 系統采用恒壓加熱的方式有效降低了傳感器工作溫度漂移對測量精度的影響，發現傳感器的加熱功率在8 W 以上時，第一腔的主泵即使在高O2濃度下也能展現出良好的工作性能。 考慮到功耗與性能之間的平衡，將加熱功率固定在9.73 W，傳感器的主泵、輔助泵的極限電流與O2濃度都具有良好的線性關系，測量泵的極限電流與NOx濃度也存在較好的線性關系。 通過對傳感器的多泵聯動測試發現，采用定電壓的控制策略(Vp0＝300 mV，Vp1＝400 mV，Vp2＝500 mV)，在含O2環境下也能有效地得出傳感器對NOx的高線性度，線性擬合度在0.995 以上。 本文提出的定電壓控制策略可以實現在有氧環境下對NOx含量的測量，有望用于含O2環境下NOx含量的精確測量。