CN101976086A

CN101976086A - 氧传感器加热控制方法及采用该方法的加热控制电路

Info

Publication number: CN101976086A
Application number: CN 201010524192
Authority: CN
Inventors: 叶结伢; 孙邦东; 马红星
Original assignee: China North Industries Group Corp No 214 Research Institute Suzhou R&D Center
Current assignee: China North Industries Group Corp No 214 Research Institute Suzhou R&D Center
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2011-02-16

Abstract

本发明涉及一种氧传感器加热控制方法及加热控制电路，其中，加热控制电路包括电桥电路、电压调整电路、误差放大电路，根据氧传感器内部要达到的加热温度，设定电桥电路中可变电阻的大小，电压调整电路向电桥电路提供加热电压，并通过误差放大电路调节输出电压大小，控制氧传感器的加热元件的电阻值恒定。本发明利用氧传感器的加热元件具有良好的温度特性，对加热元件进行恒电阻值控制，使得氧传感器能够稳定的处在设定的温度下，即保证了氧传感器加热温度的稳定，为氧传感器检测的可靠性奠定基础。

Description

氧传感器加热控制方法及采用该方法的加热控制电路

技术领域

本发明涉及一种氧传感器，尤其涉及氧传感器内部温度加热控制方法及控制电路。

背景技术

氧浓度检测在军用、民用、医疗等领域都有需求，如监测车辆排气中的氧浓度大小。对氧浓度的监测采用氧传感器，氧传感器通常由敏感元件和加热元件组成，其中，敏感元件主要由氧化锆材料制成，加热元件采用具有良好温度特性的铂材料制成。敏感元件需要在达到设定温度(例如600℃)之后才能进行有效地工作。具体工作原理是利用氧化锆陶瓷在高温(500℃～700℃)条件下，对氧分子产生电离作用，即电离为氧原子，带负电的氧离子吸附在氧化锆的内外表面上。由于大气中的氧气比废气中的氧气多，两侧离子的浓度差产生电动势，经后续电路处理以分析出排气中的氧浓度。而被电离的氧分子数量与氧浓度、传感器内部加热温度等相关，为保证氧传感器检测得到的数据准确性，必须要保证其加热温度稳定，且不受***环境影响。可见要使传感器稳定、可靠工作，检测数据准确，加热温度控制至关重要。

发明内容

本发明目的是提供一种能够使得氧传感器内部加热温度稳定从而保证传感器测量结果准确性的加热控制方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种氧传感器加热控制方法，所述的氧传感器包括敏感元件和加热元件，该方法通过对所述加热元件的电阻值进行恒定控制，实现氧传感器内部加热温度的稳定控制。

进一步地，所述的加热元件由具有良好温度特性的铂材料制成的加热电阻，从而使得该加热元件还可以具有测温元件的作用。

根据需要达到的温度，程控地设定所述加热元件的电阻值。

本发明还提供一种氧传感器加热控制电路，其所采用的技术方案为：一种氧传感器加热控制电路，它包括

电桥电路，其包括第一固定电阻、第二固定电阻、可变电阻，所述的第一固定电阻与可变电阻相连接形成设定桥臂，所述的第二固定电阻与氧传感器内的加热元件相电连接形成加热桥臂，且设定桥臂与加热桥臂相并联；

电压调整电路，其与设定桥臂及加热桥臂的一共同连接端相电连接，用于为电桥电路提供加热电压；

误差放大电路，其电连接在电桥电路和电压调整电路之间，用于采集设定桥臂上第一固定电阻和加热桥臂上第二固定电阻的电压并对采集的两电压值进行对比以向电压调整电路输出电压调控信号；

根据氧传感器内部要达到的加热温度，设定所述可变电阻的大小，所述的电压调整电路向电桥电路提供加热电压，并通过误差放大电路调节输出电压大小，控制所述的氧传感器的加热元件的电阻值恒定。

根据上述技术方案所具体实施的方式中，所述的可变电阻为可编程电阻，根据氧传感器内部需要达到的温度，程控地设定可变电阻的电阻值。

在氧传感器初始工作时，所述的可变电阻阻值通过程控调节使其缓慢地增大到设定的阻值。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点：本发明利用氧传感器的加热元件具有良好的温度特性，对加热元件进行恒电阻值控制，使得氧传感器能够稳定的处在设定的温度下，即保证了氧传感器加热温度的稳定，为氧传感器检测的可靠性奠定基础。

附图说明

附图1为本发明氧传感器加热控制电路原理框图；

其中：1、电桥电路；2、电压调整电路；3、误差放大电路；

具体实施方式

下面结合附图，对本发明优选的具体实施例进行说明：

本发明的氧传感器为氧化锆型传感器，其内部还设置有加热元件，加热元件由具有良好温度特性的铂材料制成，该加热元件具有电阻值Rd，该电阻值Rd与温度具有式(1)所示的关系：

Rd＝(1+k·T)·Rd0(1)

式中：T为温度；

Rd0为加热元件在0℃条件下的阻值；

K为常数，与铂材料相关；

由此我们可以看出，加热元件的阻值Rd与温度T成正比，而加热温度与施加在该加热元件上的电压有关，电压越高，产生的热量就越多，相应加热温度就会升高，同时，加热元件的电阻值也会增大。

根据上述原理，为了达到氧传感器能够稳定的处于一设定的温度下，本发明提供了一种加热控制方法，其通过对所述加热元件的电阻值进行恒定控制，来实现氧传感器内部加热温度的稳定控制，即当氧传感器需要达到某一温度，如600℃，只要控制加热元件的电阻值，使得其电阻值恒定处于该温度下所应对应的电阻值即可。

为了适应氧传感器应用在不同的工作温度下，本发明加热控制方法，加热元件的电阻值可进行程控调整，从而可根据使用的需要灵活设定加热元件的电阻值。

根据上述控制方法，本发明还提供了一种氧传感器加热控制电路，如图1所示，为了清楚介绍电路原理，在图1所示的电路中，将氧传感器加热元件用电阻表示，下称加热电阻Rd。整个加热控制电路主要由电桥电路1、电压调整电路2以及误差放大电路3组成，其中，电桥电路1由可变电阻Rc、加热电阻Rd、以及第一固定电阻Ra和第二固定电阻Rb组成，其中，第一固定电阻Ra与可变电阻Rc形成设定桥臂，第二固定电阻Rb与加热电阻Rd加热工作桥臂，设定桥臂与加热工作桥臂相并联形成桥式电路。电压调整电路2的输出端与设定桥臂和加热工作桥臂的一公共连接端相连接，误差放大电路3连接在电桥电路1与电压调整电路2之间，具体地，误差放大电路3具有两个输入端，其中一个输入端与第一固定电阻Ra的电压端相连接，用于采集第一固定电阻Ra上的电压值，另一个输入端与第二固定电阻Rb的电压端相连接，用于采集第二固定电阻Rb上的电压值。误差放大电路3的输出端与电压调整电路2相电连接，工作时，其根据第一固定电阻Ra上的电压与第二固定电阻Rb的电压之间的差值输出控制信号至电压调整电路2，该电压调整电路2根据接收信号调整其输出电压Vo的大小。

根据上述电路，我们可以推导出第一固定电阻Ra上电压Va以及第二固定电阻Rb上电压Vb与输出电压Vo的关系，见式(2)：

Va＝Rc/(Ra+Rc)·Vo (2)

Vb＝Rd/(Rb+Rd)·Vo (3)

那么，当桥路平衡时有：

Ra/Rc＝Rb/Rd (4)

由式(4)我们可以看出，在第一固定电阻Ra与第二固定电阻Rb阻值固定的情况下，加热电阻Rd阻值的大小仅与可变电阻Rc的阻值大小有关。故，通过从外部改变可变电阻Rc的大小，使得其与加热电阻Rd待达到温度相对应的电阻值相同，即可实现加热电阻Rd阻值的恒定，保证了氧传感器加热元件电阻值的稳定，即通过可变电阻实现对加热电阻的恒电阻值控制。

本实施例中，第一固定电阻Ra与第二固定电阻Rb的阻值相同，可变电阻Rc为可编程电阻，即根据设定需要的加热稳定，程控地设定可变电阻的电阻值，保证氧传感器在不同温度下的灵活应用性。

具体控制过程为：

首先，根据氧传感器要求的温度设定可变电阻Rc的电阻值，该电阻值的设定可通过式(2)获得；然后，启动电压调整电路2，其向电桥电路输出电压，误差放大电路在此过程中不断检测桥路电压Va、Vb，并对其差值进行放大，当检测到电压Va＞Vb时，表明电阻Rd＜Rc，温度低于设定要求，电压调整电路将升高加热电压，以提高加热温度；当检测到电压Va＜Vb时，表明电阻Rd＞Rc，温度高于设定要求，电压调整电路将降低加热电压，以降低加热温度。

从控制过程可知：当可变电阻Rc设定后，无论外部环境做何种变化，如温度变化，流量变化等，引起加热温度变化时，本发明加热控制电路都可通过调节加热电压以改变加热温度的控制过程，使氧传感器的加热元件的阻值Rd始终稳定于设定值。

由于可变电阻采用可编程电阻，故初始工作时，通过适时编程调节可编程电阻Rc的阻值，使其缓慢增大，电压调整电路对应地控制加热温度与之对应的上升，使得该加热控制电路具有软启动的功能。

氧传感器加热控制的目的是保证其内部加热温度符合设定要求，并且稳定，本发明加热控制电路，只需调整可变电阻阻值大小，使得电桥电路处于平衡状态，即可实现加热电阻稳定在设定值上，也就是实现加热电阻的恒电阻控制。

本实施例加热控制电路对氧传感器的控制具有如下优点：

1)初始工作时，采用软启动模式，即温度缓慢上升，可在30s左右时间达到设定温度。

2)工作期间，保持温度稳定，不受***环境温度、气体流量等因素影响，具有自动温度控制功能。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种氧传感器加热控制方法，所述的氧传感器包括敏感元件和加热元件，其特征在于：该方法通过对所述加热元件的电阻值进行恒定控制，实现氧传感器内部加热温度的稳定控制。

2.根据权利要求1所述的氧传感器加热控制方法，其特征在于：所述的加热元件由具有良好温度特性的铂材料制成的加热电阻。

3.根据权利要求1或2所述的氧传感器加热控制方法，其特征在于：根据需要达到的温度，程控地设定所述加热元件的电阻值。

4.一种采用权利要求1所述的氧传感器加热控制方法的加热控制电路，其特征在于：它包括

电桥电路(1)，其包括第一固定电阻(Ra)、第二固定电阻(Rb)、可变电阻(Rc)，所述的第一固定电阻(Ra)与可变电阻(Rc)相连接形成设定桥臂，所述的第二固定电阻(Rb)与氧传感器内的加热元件(Rd)相电连接形成加热桥臂，且设定桥臂与加热桥臂相并联；

电压调整电路(2)，其与设定桥臂及加热桥臂的一共同连接端相电连接，用于为电桥电路(1)提供加热电压；

误差放大电路(3)，其电连接在电桥电路(1)和电压调整电路(2)之间，用于采集设定桥臂上第一固定电阻(Ra)和加热桥臂上第二固定电阻(Rb)的电压并对采集的两电压值进行对比以向电压调整电路(2)输出电压调控信号；

根据氧传感器内部要达到的加热温度，设定所述可变电阻(Rc)的大小，所述的电压调整电路(2)向电桥电路(1)提供加热电压，并通过误差放大电路(3)调节输出电压大小，控制所述的氧传感器的加热元件(Rd)的电阻值恒定。

5.根据权利要求4所述的氧传感器加热控制电路，其特征在于：所述的第一固定电阻(Ra)与第二固定电阻(Rb)的阻值相同。

6.根据权利要求4或5所述的氧传感器加热控制电路，其特征在于：所述的可变电阻(Rc)为可编程电阻，根据氧传感器内部需要达到的温度，程控地设定可变电阻(Rc)的电阻值。

7.根据权利要求6所述的氧传感器加热控制电路，其特征在于：在氧传感器初始工作时，所述的可变电阻(Rc)阻值通过程控调节使其缓慢地增大到设定的阻值。