CN101165480B - 具有检测传感器元件激活状态的功能的气体浓度检测装置 - Google Patents

Abstract

一种气体浓度检测装置，包括传感器元件和电阻器的串联连接的组合，其中AC电压施加于该组合的外部端子之一，而另一个外部端子保持在固定的电势。利用单独施加确定的放大系数的各个单独电路，从串联连接的组合提取电平由氧气浓度确定的DC电压信号以及幅值由传感器元件的阻抗进而由传感器元件的激活状态所确定的AC电压信号，其中所述传感器元件检测氧气浓度。

Description

具有检测传感器元件激活状态的功能的气体浓度检测装置 

相关申请的交叉参考 

本申请基于2006年10月20日提交的日本专利申请No.2006-285821，并将其以引用的方式并入本文。 

技术领域

本发明涉及一种气体浓度检测装置，尤其涉及用于检测内燃机的废气中的气体成分，例如氧气等的浓度的气体浓度检测装置。 

背景技术

当前已知多种类型的气体浓度检测装置，它们被用作车辆的发动机的空燃比传感器(通常缩写为A/F传感器)，利用这种传感器来检测发动机的废气中的氧气的浓度。特别地，平面型A/F传感器是公知的，其具有包括固态电解质层的传感器元件，以及安装在该层上的一对电极。当在电极之间施加电压时，该电极流过大小由废气中的氧气浓度所确定的电流。基于该电流的大小，测量废气的空燃比。 

利用这种A/F传感器，必须使传感器处于激活条件，以便精确地检测氧气浓度。传感器元件的阻抗(即，在AC频率的任意特定值下)根据传感器元件的激活状态而改变，因此，可以测量阻抗，以评价该元件的激活状态。现有技术中公知的用于同时测量氧气浓度和传感器元件的阻抗的一种方法是在传感器元件电极的两端施加AC电压，并检测流经传感器的最终的AC电流的幅值。例如，在日本专利申请的第二公开No.4-24657(下面将其作为参考文件1)中描述了该方法。用于实现该检测方法的电路结构的示例如图10所示。 

在图10中，传感器元件60的一个端子与电流测量电阻器63、振荡器62以及参考电压源61(如图所示，参考电压源61连接在振荡 器62和接地电势之间)串联，而传感器元件60的另一个端子连接至接地电势。差分放大器65的输入端子跨接于差分放大器65的端子，差分放大器65的输出信号通过LPF 66以及通过HPF 67传送。在传感器元件60与废气接触的情况下，当通过振荡器62和参考电压源61将AC电压和叠加的DC电压施加于传感器元件60并且最终产生的传感器电流流入传感器元件60中时，该电流包括大小由废气中的氧气浓度所确定的分量(DC分量)和幅值由传感器元件60的阻抗所确定的分量(AC分量)。与传感器电流成比例变化的差分电压信号出现在电流测量电阻器63的端子之间，同时该差分电压信号被提供至差分放大器65，从而被放大和转换为相对于系统接地电势变化的电压信号。 

利用LPF 66从差分放大器65的输出中提取DC电压信号分量(与传感器电流的DC分量相对应，其中该DC分量的电平由氧气浓度确定)，而利用传感器元件60从差分放大器65的输出中提取AC电压信号分量(与传感器电流的AC分量相对应，该AC分量的幅值由传感器阻抗确定)。该AC电压信号由整流电路68整流，以获得电平随传感器元件60的阻抗而变化的电压信号。 

将来自LPF 66和整流电路68的这些输出(模拟)电压信号输入到诸如微型计算机等计算装置(数字处理装置)，并且在计算装置中或在被输入到计算装置之前，将这些信号转换为数字形式。基于这些输入信号，所述计算装置计算空燃比以及传感器元件阻抗的各个值。 

通常，在根据氧气浓度变化的传感器电流分量和根据传感器元件阻抗变化的传感器电流分量的各个值之间存在很大的差异。因此，表示空燃比的电压信号分量(从电流测量电阻器63输入至差分放大器65)远小于根据传感器元件阻抗变化的电压信号分量(在某些情况下，小一个数量级)。 

因此，例如，如果基于与空燃比相对应的电压信号分量的变化的期望范围来确定放大程度，那么与传感器元件阻抗相对应的电压信号分量的幅值的变化可能超过能够由差分放大器65放大的值的范围。这不仅会导致检测传感器元件阻抗的精确性降低，而且会导致检测空 燃比的精确性降低。也就是说，虽然通过使用LPF 66将来自差分放大器65的输出信号进行平均来提取空燃比检测信号，但是如果超过差分放大器65的放大范围的上限，那么来自LPF 66的最终信号将不能精确表示平均值，这将引起空燃比的测量误差。 

相反，如果基于随传感器元件阻抗而变化的AC电压信号分量的幅值的变化的期望范围来预先确定放大程度，那么差分放大器65不可能独自对空燃比检测分量进行足够的放大。因此，有必要使用附加的放大器级来进一步放大用于空燃比检测的电压信号分量。但是，这将导致放大器偏移电压增大的问题，这可能使得空燃比检测的精确性降低。 

发明内容

本发明的目的是通过提供一种气体浓度检测装置来克服现有技术的上述问题，其中废气中的组成气体的浓度检测和该装置的传感器元件的阻抗检测都可以在高精确度下执行。 

为了实现上述目的，本发明提供了具有传感器元件的气体浓度检测装置，该传感器元件包括固体电解质层，并且响应于施加的电压以使传感器电流流过，其中该传感器电流的大小根据测试目标的气体(例如内燃机的废气)中的特定组成气体的浓度而变化。电流测量电阻器与传感器元件串联，即电流测量电阻器和传感器元件的相应端子在连接点相连。AC电压源将AC电压施加于电阻和传感器元件的串联连接组合的外部端子之一，而参考电压源将固定的DC电压施加于该串联连接组合的另一个外部端子。 

结果，流经该串联连接组合的电流由DC电流分量和AC电流分量组成。此处使用的术语“DC电流分量”表示变化的最大频率远小于施加的AC电压的变化的最大频率的电流分量。DC电流分量根据特定组成气体的浓度而变化，AC电流分量根据传感器元件的阻抗(即AC电压频率处的阻抗)而变化。 

具体地，如上所述，传感器元件的阻抗根据传感器元件是否被激 活而变化，使得AC电流分量的幅值表示激活状态。 

第一检测信号输出电路耦合至电流测量电阻器，用于得到与前述DC电流分量对应的DC电压信号分量，以由此获得第一测量信号，其中该第一测量信号的电平根据组成气体的浓度而变化。第二检测信号输出电路耦合至前述的电流测量电阻器和传感器元件之间的连接点，用于得到与前述AC电流分量对应的AC电压信号分量，并由此获得第二测量信号，其中该第二测量信号的电平根据传感器元件的阻抗而变化。 

利用这种方法，在第一和第二检测信号输出电路包括各自的放大器电路并分别构造为单独系统的情况下，表示组成气体浓度的DC电压信号分量和表示传感器元件阻抗的AC电压信号分量可以分别被放大到不同的适当放大程度。这对于实现检测表示组成气体浓度的电压信号分量和表示传感器元件阻抗的电压信号分量具有更高程度的精确性有利，这是由于这些电压信号分量之间的幅值存在很大差异。 

更具体地，在每次相对于装置的参考接地电势而施加前述串联连接组合的施加的AC电压和施加的DC电压时，前述连接点处的电压根据流经串联连接的电流测量电阻器和传感器元件的电流而相对于接地电势变化。 

利用本发明，即通过将差分放大器的各个输入端(经由LPF)连接至该电阻器的端子，可以提取DC电压信号分量作为电流测量电阻器两端出现的差分电压。但是优选地，第一检测信号输出电路的输入端子耦合至电流测量电阻器和传感器元件之间的连接点，用于得到与DC电流分量对应的电压信号分量，以作为相对于接地电势而变化的信号。 

附图说明

图1是示出用于发动机废气的气体浓度检测装置的第一实施例的整体电路结构的电路图； 

图2是图1的实施例中使用的传感器元件的横截面图； 

图3说明了空燃比传感器的电压/电流特性； 

图4(a)，4(b)，4(c)，4(d)，4(e)是用于描述第一实施例的工作的时序图，示出了当传感器元件的温度增加时，电路参数中出现的变化； 

图5是与图1对应的部分电路图，表示特定电压和电阻值的示例； 

图6是描述用于空燃比检测的现有技术示例的气体浓度检测装置的工作的电路图； 

图7(a)，7(b)，7(c)，7(d)是用于描述第一实施例中的电流测量电阻器的电阻和AC电压幅值的特定优选值范围的图； 

图8(a)，8(b)，8(c)是用于描述第一实施例的各个可选结构的部分电路图； 

图9是用于发动机废气的气体浓度检测装置的第二实施例的整体电路结构的电路图； 

图10是用于发动机废气的气体浓度检测装置的现有技术的第二示例的电路图。 

具体实施方式

下面描述气体浓度检测装置的实施例，其适用于检测内燃机的废气中氧气的浓度，用于由此检测发动机工作时的空燃比。从检测空燃比获得的结果例如可以被车辆发动机ECU(电子控制单元)的空燃比控制系统等利用。这样的系统可以施加控制以保持空燃比的化学计算值，或者以通过反馈控制将空燃比保持在稀薄(lean)的值的特定范围内。术语“稀薄的”空燃比表示发动机在与化学计算空燃比相比较具有更高的氧气浓度的空燃比下工作，因此，最终废气中的氧气浓度比化学计算值的高。相反，“富裕的”空燃比表示某个空燃比具有比用于化学计算值低的氧气浓度。 

首先参照图2的横截面图，描述空燃比传感器元件的结构，其中图2的横截面图示出了传感器元件10的多层结构。从图2可以看出，传感器元件10是多层平面结构，并垂直向纸面的方向延伸，该传感器元件10包含在壳体(在附图中未示出)内。 

传感器元件10由在绝缘层14上，从下至上依次形成的固体电解质层11、扩散电阻层12和气体屏蔽层13形成。传感器元件的外表面由保护层(图中未示出)覆盖。固体电解质层11是部分稳定的氧化锆的矩形片，具有分别形成在其上面和下面的电极15和16。扩散电阻层12是多孔材料的片，用于通过扩散使废气穿过电极15，而气体屏蔽层13是多孔材料的薄层，其控制废气的扩散。层12和13中的每一个都形成为具有微孔(即小毛细管)的陶瓷片，陶瓷例如是氧化铝、尖晶石，氧化锆等。层12和13通过具有不同直径值和/或密度值的微孔，而分别具有不同的孔隙度，以便分别提供不同的气体扩散率。 

绝缘层14由诸如氧化铝等具有高的热传递系数的陶瓷材料形成，并形成为具有大气管道17，该大气管道17(引导外部空气)在与固体电解质层11相对的面中形成，并被设置为使电极16暴露。在绝缘层14中嵌入由电线形成的加热器元件18，该电线由电池(图中未示出)提供的电流加热以影响传感器元件的整体加热。 

在使用中，传感器元件10被废气包围，该废气通过扩散穿过气体屏蔽层13以及扩散电阻层12到达电极15。当废气稀薄(即由于空燃比稀薄)时，废气中的氧气被电极15离子化，并且最终的氧离子电流从电极15流到电极16，然后通过电极16将氧气释放到大气管道17中。如果废气富裕(即由于空燃比富裕)，则大气管道17内的气体中的氧气被电极16离子化，并且氧离子从电极16流到电极15，由此氧气被电极15释放到传感器元件的废气侧。 

图3是示出该A/F传感器的电压/电流特性的图，其中电压是施加在传感器端子之间的固定DC值(根据本发明，指下文所述的平均的固定DC值)。在图3中，与电压轴(水平轴)平行的直线部分对应于操作的边界电流区域，其中传感器电流仅由空燃比确定。传感器电流的大小变化对应于空燃比的增加或降低，即空燃比越稀薄，传感器电流越高，而空燃比越富裕，传感器电流越低。通过在传感器元件10两端施加DC电压(产生位于边界电流区域内的传感器电流的值)，可以恰当地测量传感器电流的大小。 

这样，可以理解当在该传感器元件的电极之间施加恰当的DC电 压时，传感器元件流过大小根据测试目标气体(废气)中的氧气浓度的电流，即流过表示浓度的电流。 

将参照图1描述实施例的传感器电路的主要部分。如图所示，参考电压源21产生相对于接地电势的固定DC电压+2.6V，该固定DC电压经由运算放大器22施加到传感器元件10的正端子(S+端子)。传感器元件10的负(S-)端子连接至电阻器26的一端。参考电压源23和振荡器24串联连接在接地电势和电流测量电阻器26的第二端子之间。振荡器24在10-20kHz的频率范围内产生幅值为2V的AC电压，而参考电压源23产生相对于接地电势的固定DC电压+2.2V。因此，AC电压施加于电流测量电阻器26的第二端子，该AC电压相对于+2.2V的DC电平有±1V的变化(即AC电压的平均电平是+2.2V)。这样，在施加到传感器元件10的S+端子的DC电压和从运算放大器25施加到电流测量电阻器26的AC电压的平均电平之间的差值是+0.4V。由此，恰当的(平均)DC电压值被施加到传感器元件10的两端，用于在上面参照图3所述的边界区域内执行传感器电流测量。 

分别在接地电势和传感器元件10的正端子S+以及负端子S-之间连接电容器28和20，以抑制电噪声。 

两个测量信号输出部分31和32连接至电流测量电阻器26和传感器元件10的负端子S-的节点。该节点处出现的AC电压分量的幅值(即，表示阻抗的电压)由电流测量电阻器26的电阻和传感器元件10的阻抗的比来确定(其中，这里的“阻抗”表示在AC电压的频率处的阻抗)。A/F比检测部分31得到表示被检测的废气中的氧气浓度的输出信号(该气体在下文和所附权利要求中被称为目标检测气体)。由此，将A/F比检测部分31获得的输出信号称为空燃比检测信号。传感器元件阻抗检测部分32得到表示前述传感器元件10的阻抗的输出信号，该信号在下文中被称为阻抗检测信号。 

如图所示，A/F比检测部分31包括由运算放大器33形成的LPF(低通滤波器)7、电阻器1和2、以及电容器6，其中电阻器1和电容器6连接在反相输入端子和输出端子之间作为滤波器电路34。LPF 7在低于LPF的截止频率的频率处用作放大器电路，DC下的放大系数由电 阻器1和2的值(具体地，这些电阻器值的比)确定。 

传感器元件阻抗检测部分32包括HPF(高通滤波器)35、运算放大器5和电阻器3，4所形成的放大器电路8以及P/H(峰值保持)电路36。P/H电路36检测HPF 35所提取的放大的AC电压信号的峰值，以产生阻抗检测信号。 

将A/F比检测部分31输出的空燃比检测信号和来自传感器元件阻抗检测部分32的阻抗检测信号提供给微型计算机38。微型计算机38是具有CPU，存储器设备等的普通类型的数字处理器装置(微型计算机)，并且还包括A/D转换器，该A/D转换器用于将空燃比检测信号和阻抗检测信号(即，各个模拟信号)中的每一个转换为数字信号。作为选择，可以采用位于微型计算机38外部的A/D转换器。 

通过分别应用不同的放大系数，在A/F比检测部分31和传感器元件阻抗检测部分32中都执行信号电压放大。根据微型计算机38中的A/D转换器能够处理的输入信号电压的范围(在该实施例中，0～5V)，确定放大系数。在该实施例中，A/F比检测部分31的放大系数设定在10至20的范围内，而传感器元件阻抗检测部分的放大系数设定为5。 

参考电压源37将固定的正电压施加于运算放大器33的非反向输入端子，用于当电阻器26和传感器元件10之间的节点处的电压的DC电平对应于化学计算的空燃比时，恰当设定A/F比检测部分31的输出信号电压电平例如位于前述0～5V输入信号范围的中心。 

作为通过振荡器24将AC电压施加于传感器元件10的结果，传感器电流流入传感器元件10中，该传感器电流是第一(DC)电流分量和第二(AC)电流分量的组合，其中第一(DC)电流分量，即前述表示浓度的电流的大小由废气中的氧气浓度确定，而第二(AC)电流分量的大小由传感器元件10的阻抗确定。将传感器元件10和电流测量电阻器26之间的节点(即连接点)用作测量点，以检测这些各个传感器电流分量，作为各个电压信号分量，由此得到空燃比检测信号和阻抗检测信号。具体地，该节点处的电压是叠加在DC电压上的AC电压(在振荡器24产生的AC电压的频率处)(更具体地，电压的变化的最大频率远小于AC电压频率)，且该节点处的电压与传感器电流成比例变化。 A/F比检测部分31在该节点处提取DC电压分量(相对于电路接地电势变化)，并将其放大以获得提供给微型计算机38的空燃比检测信号。传感器元件阻抗检测部分32在传感器元件10和电流测量电阻器26之间的节点处提取电压的AC分量(作为相对于接地电势变化的电压)，并在放大后检测所提取的AC分量的峰值，以获得提供给微型计算机38的阻抗检测信号。 

微型计算机38处理空燃比检测信号以计算废气的空燃比，并处理阻抗检测信号，以及时计算该点处传感器元件10的阻抗。 

这样，可以理解，A/F比检测部分31和传感器元件阻抗检测部分32组成两个单独的系统，用于从传感器元件10和电流测量电阻器26之间的节点处出现的电压信号中提取各个信号分量，其中该电压信号根据流入传感器元件10中的电流而变化，并且处理提取的电压信号分量以分别检测废气的空燃比和传感器元件10的阻抗。作为以该方式利用两个单独系统的结果，在这些系统中应用各自恰当的放大程度。 

另一方面，在如图10所示的现有技术的情况下，如果将空燃比检测信号分量的期望变化范围用作确定信号放大系数的基础，那么降低了检测传感器元件阻抗的精确度，而如果将阻抗检测信号分量的期望变化范围用作确定放大系数的基础，那么降低了检测空燃比的精确度。 

图4(a)至4(e)是时序图，用于说明在紧接着车辆发动机从冷状态起动后，各个参数在传感器元件10的温度增加时所发生的变化。图4(a)说明了传感器元件阻抗和传感器元件温度发生的相应变化，而图4(b)说明了传感器元件10的S+端子处的电压发生的相应变化。图4(c)和图4(d)中的每一个示出了传感器元件10的S-端子处(即，传感器元件10和电流测量电阻器26之间的节点)的电压对于各个不同的空燃比的值发生的相应变化。图4(e)说明了传感器元件阻抗检测部分32的输出信号(阻抗检测信号)发生的相应变化。 

图4(c)说明了空燃比是化学计算值的情况，而图4(d)说明了空燃比是稀薄的情况。 

当执行发动器起动，并开始向传感器元件10提供加热电流时，传感器元件10的温度初始接近于环境温度，使得该元件阻抗充分高。在 紧接着发动机起动后，由于来自发动机的废气的热量和来自流入传感器元件10的加热器中的电流引起的热量，因此元件温度开始逐渐增加。元件阻抗因此逐渐下降。在完成传感器元件10的激活后，元件温度大约750℃，而元件阻抗例如大约是39欧姆。 

在该实施例中，当传感器元件10的温度增加时，传感器元件10的S+端子处的电压固定在2.6V，而S+端子处的电压以振荡器24的AC输出的频率进行变化。当传感器元件10处于初始低温状态时，由于元件非常高的阻抗，S-端子处的电压的AC分量的幅值基本等于振荡器24的输出AC电压。具体地，S-端子处的电压相对于大约2.2V的中心DC电平(即平均电压电平)，在正方向和负方向上以大约1V的峰值进行变化。当传感器元件10的温度增加而元件阻抗相应降低时，S-端子处出现的电压的AC分量的幅值逐渐下降。 

如图4(c)所示，在化学计算的空燃比的情况下，S-端子电压的DC电平(平均电平)在施加的AC电压的平均电平(2.2V)处保持恒定。如图4(d)所示，如果空燃比是稀薄的，那么当传感器元件10变为激活时，传感器电流增加，使得S-端子处出现的电压的DC电平增加(即变得更正)。也就是说，由于流经传感器元件的DC电流(传感器电流)，所以DC电压分量叠加在传感器元件10的S-端子处的电压上。A/F比检测部分31提取该DC电压分量，以获得提供给微型计算机38的空燃比检测信号。如上所述，“DC分量”实际上表示了在一个频率范围内变化的分量，该频率范围远低于AC电压的频率。 

如图4(e)所示，传感器元件阻抗检测部分32的HPF 35提取S-端子处出现的电压的AC分量。如上所述，仅将来自HPF 35的输出信号放大到一定程度，使得放大信号的正反峰间幅值不会超过微型计算机38的A/D转换器的允许输入电压范围(5V)。放大信号的峰值检测由峰值保持电路36执行，以获得如图5(e)所示的阻抗检测信号。不管S-端子处出现的电压是如图4(c)所示，还是如图4(d)所示，获得的阻抗检测信号是相同的。这样，所述装置同时执行空燃比检测和元件阻抗检测。 

将元件阻抗指定为Zac，参照图5所示的数字示例，描述计算传 感器元件阻抗的具体方法。这里，假设S-端子处的电压的中心电平为2.2V，AC电压幅值相对于该中心值为±1V(即，正反峰间幅值ΔV是2V)，电流测量电阻器26的电阻R是200Ω，当被激活时，传感器元件10的阻抗Zac是20Ω。也就是说，假设当传感器元件10已经被废气加热以获得其阻抗Zac的最低值时，该值为20Ω。 

HPF 35的输出电压，即电流测量电阻器26和传感器元件10之间的节点处出现的电压的AC分量的变化幅值ΔVA可以表示为： 

ΔVA＝ΔV×Zac/(Zac+R)    (1) 

并且上述具体数值为： 

ΔVA＝2×20/(20+200)＝0.182[V] 

如果假设Zac的值在传感器元件10激活前是250Ω，那么在该条件下： 

ΔVA＝2×250/(250+200)＝1.111[V] 

利用上述方程(1)计算出ΔVA后，微型计算机38按照下述计算阻抗值Zac： 

Zac＝ΔVA×R/(ΔV-ΔVA)    (2) 

在电流测量电阻器26和传感器元件10之间的节点处，等于AC电压峰值幅值的电压变化量(即1V)对应于流经该节点的电流的变化量ΔI，其中(在传感器元件10被激活后)： 

ΔI＝1/(20+200)＝4.55[mA] 

也就是说，运算放大器25必须提供的电流的峰值等于流经传感器元件10且以4.55ma递增的DC电流分量(该DC电流分量的大小由空燃比确定)。 

例如，将前述DC电流分量指定为IL，如果假设IL将获得的最大值是2mA，那么运算放大器25必须提供的电流的峰值是6.55mA。 

图6示出了现有技术类型的空燃比传感器装置的另一示例，描述其用于与本发明作比较。在图6中，如图所示，参考电压源41、运算放大器42和电流测量电阻器43连接至传感器元件10的一个端子，而电压施加控制电路44和运算放大器45连接至传感器元件10的另一个端子。当根据废气的空燃比的传感器电流流动时，基于在电流测量电 阻器43的端子之间出现的电压来测量传感器元件的电流，其中该电压信号由A/F比检测信号放大器46放大，最终的空燃比检测信号被提供至微型计算机(在附图中未示出)。 

当执行阻抗检测时，利用电压施加控制电路44短暂施加过电压(预定频率的AC电压)，并且以响应于该过电压而出现的电流变化为基础，获得阻抗检测信号。也就是说，作为短暂输出过电压的结果，根据传感器元件10在那时的阻抗，出现相应的电流变化。通过使用电流测量电阻器43来测量该电流的变化量。然后，HPF 47和峰值保持电路48执行信号处理，以提取表示电流变化量的信号，并且将该信号作为阻抗检测信号输出给微型计算机。然后，该微型计算机基于电压变化量和电流变化量(由阻抗检测信号表示)计算传感器元件的阻抗。 

利用图6的结构，基于施加AC电压时所出现的电压变化量ΔV和电流变化量ΔI，计算传感器元件的阻抗Zac，即Zac＝ΔV/ΔI。在该情况下，电压变化量ΔV是固定值，并且如果传感器元件的阻抗低(即，由于传感器元件处于激活状态)，那么传感器电流的水平高。例如，如果ΔV＝0.2V而Zac＝20Ω，那么电流变化量ΔI为10mA。 

因此，利用图6的电路结构，再次假设2mA的最大DC电流将流过传感器，运算放大器45必须提供的用于执行阻抗检测的电流的峰值水平是12mA(即，峰值电流＝2mA+10mA)，这与本发明上述实施例的6.5mA形成比较。这样，利用上述实施例，充分更低水平的电流流入电路中，使得与现有技术的示例相比，需要运算放大器25的输出电流的大小更低。 

因此，通过与图6的示例中的运算放大器45所需的芯片面积相比，运算放大器25的芯片面积可以制造的很小，即芯片上由晶体管所占用的空间可以很小，使得该实施例的整个电路(当实现为集成电路时)的总尺寸可以制造的很小，这对于日益增长的将机动车辆的ECU(发动机控制单元)的尺寸制造的更小的需求来讲是非常重要的。 

接下来，将参照附图7描述电流测量电阻器26的电阻值R以及AC电压的幅值ΔV的优选范围。图7(a)说明了电流测量电阻器26的电阻R和空燃比检测误差之间的关系。图7(b)说明了电阻R和检测传 感器元件阻抗的分辨率之间的关系。图7(c)说明了传感器元件的电流和AC电压幅值ΔV之间的关系。图7(d)说明了AC电压幅值ΔV和检测传感器元件的阻抗的精度之间的关系。图7(c)，7(d)示出了当R的值为200Ω时所获得的测量结果。 

如图7(a)所示，电流测量电阻器26的电阻R的值越大，所检测的空燃比就越精确。另一方面，如图7(b)所示，电阻R的值越大，检测传感器元件阻抗的精度越低。因此，基于这些考虑，电阻R的值的优选范围为150～250Ω，最佳值是200Ω。 

作为替换，电流测量电阻器的电阻可以基于激活时的传感器元件的阻抗而确定，即电流测量电阻器的电阻可以设定为(激活的)传感器元件阻抗值的5～10倍。 

此外，如图7(c)所示，AC电压的幅值ΔV越小，传感器元件的电流越小，使得所需的来自运算放大器25的驱动电流量相应减小，因此，包含传感器电路的集成电路的尺寸可以制造得更小。 

另一方面，当幅值ΔV更小时，检测传感器元件阻抗的精确度越低。因此，基于这些考虑，幅值ΔV的值的最佳范围是1.5～2.5V，ΔV的最佳值是2V。 

现在考虑AC电压的频率。首先，在具有固体电解质层的传感器元件(例如传感器元件10)的情况下，从传感器特性考虑，AC频率应当高于1kHz。此外，为了得到上述的阻抗检测信号，必须在A/F比检测部分31中使用HPF，以提取测量电压信号的AC分量(即，在传感器元件10和电流测量电阻器26之间的节点处出现的电压)。但是，由于空燃比的变化，测量电压信号的幅值的变化会在大约100kHz的频率处出现，这取决于发动机的速度。这样，为了能够可靠辨别测量电压的AC分量和由空燃比的变化而引起的测量电压中出现的变化，在用于提取空燃比的变化分量的LPF(即，图1中的LPF 7)的截止频率和用于提取AC分量的HPF(即，图1中的HPF 35)的截止频率之间必须存在显著的差异。 

出于这些考虑，振荡器24所产生的AC频率优选为至少10kHz。 

另外，还必须考虑传感器电路与计算机互联的布线的电感的影响， 以便AC频率不能过高。另外，由于该事实并且也基于用作运算放大器25的运算放大器的操作特性，以及考虑部件特性的制造变化，可以考虑将20kHz作为AC频率的上限。这样，基于所有上述考虑，AC频率优选设置在10～20kHz的范围内。 

利用上述实施例获得下列效果。由于以下事实，即传感器元件10和电流测量电阻器26之间的节点处出现的电压信号经由A/F比检测部分31和传感器元件阻抗检测部分32所组成的各个单独系统传送，因此可以进行适当的(各个单独的)信号处理，以便得到表示空燃比的信号和表示传感器元件阻抗的信号。因此，由于所述信号由单独的系统放大，因此不管这两个信号之间的幅值有多大差异，也可以进行适当的处理。 

另外，没有必要对空燃比检测信号进行两级放大，并且空燃比检测和传感器元件的阻抗检测都可以实现高精度。 

而且，由于以下事实，即通过测量公共点(即传感器元件10和电流测量电阻器26之间的节点)处出现且相对于系统接地电势变化的电压信号来进行空燃比检测和传感器元件阻抗检测，因此没有必要提供用于将(例如图10中在电阻63的端子之间出现的)差分电压信号转换为相对于系统接地电势变化的信号的电路元件。具体地，没有必要使用诸如图10中的差分放大器65等电路元件来进行这种转换，而现有技术中需要，例如图10中的电路，其中，在电阻器63的端子之间测量空燃比检测信号电压和传感器元件阻抗检测信号电压。这样，本发明能够简化整个电路结构。 

下面将更具体地描述上述几点。在上述实施例的情况下，运算放大器25的输出电压是AC电压，其平均值(即中心值)固定在接地电势上方的+2.2V。因此，可以通过监测测量点(即传感器元件10和电流测量电阻器26之间的节点)处出现的平均电压的变化、通过提取该测量点处的电压变化的DC分量来检测空燃比。也就是说，得到相对于系统接地电势变化的电压信号。 

另一方面，利用例如图10中的现有技术，当由于振荡器62在参考电压源61的DC电压上施加AC电压和传感器元件60的空燃比变 化的影响，而使得流经电流测量电阻器63的电流变化时，电流测量电阻器63的端子之间的电压将根据电流中的这些变化而改变。因此，有必要利用差分放大器65将电流中的这些变化转换为相对于电路接地电势测量的电压变化。 

然而，利用图1所示的本发明的电路，当利用各个不同的系统直接从电路中的公共点提取表示空燃比的信号和表示元件阻抗的信号时，可以对这些信号中的每一个进行适当的放大，以实现精确的空燃比检测和传感器元件阻抗的检测，而不需要利用差分放大器。根据诸如微型计算机38等数字处理器的输入电路的处理范围，可以对空燃比检测和传感器元件阻抗检测运用适当的信号处理。因此，与现有技术相比，可以增加空燃比检测和传感器元件阻抗检测的分辨率。 

应当注意，本发明不限于上述实施例，例如，可以设计下述可选实施例。 

首先，对于图1的上述实施例，将固定的DC电压(2.6V)施加于传感器元件10的S+端子，而将来自AC信号源(振荡器24)的具有DC偏压的AC电压(2.2V±1V)施加于S-端子，其中电流测量电阻器26设置在AC信号源和传感器元件10之间。然而，可以将其改变为第一实施例的任何一种下述替换结构，这些替换结构在图8(a)至8(c)中示出。为了简化说明，采用具有图5形式的简化部分电路图，并仅描述与图1的实施例的不同之处。 

图8(a)所示的结构与图1(图5)的结构的不同之处在于：AC电压经由运算放大器22施加于传感器元件10的S+端子，且将参考电压源21的2.6V的固定DC电压设置为AC电压的中心(即平均)值(这样，该AC电压在2.6V±1V变化)，而将2.2V的固定DC电压施加于S-端子。 

对于图8(b)的结构，电流测量电阻器26和传感器元件10的电路位置与图1的实施例中的电路位置互换，即AC电压(在2.2V±1V变化)施加于传感器元件10的S-端子，而2.6V的固定DC电压从传感器元件10和电流测量电阻器26之间的节点施加于电流测量电阻器26的相对端。 

对于图8(c)的结构，电流测量电阻器26和传感器元件10的电路 位置与图8(a)的结构互换，即AC电压(在2.6V±1V变化)从传感器元件10和电流测量电阻器26之间的节点施加于电流测量电阻器26的相对端，而2.2V的固定DC电压施加于传感器元件10的S-端子。 

对于图8(a)、图8(b)和图8(c)中的每个结构，如第一实施例所述，可以分别利用A/F比检测部分31和传感器元件阻抗检测部分32提取传感器元件10和电流测量电阻器26之间的节点处出现的电压信号分量，以便从各自的信号处理系统获得空燃比检测信号和阻抗检测信号。因此，第一实施例的上述优点也可以利用图8(a)、8(b)、8(c)中的每个替换结构来获得。 

本发明已经描述了下列情况，在这种情况下，空燃比检测信号作为传感器元件10和电流测量电阻器26之间的节点处出现的电压信号分量被提取，即相对于电路接地电势变化的电压信号分量。然而，利用图9所示的其他可选实施例，空燃比检测信号作为电流测量电阻器26的端子之间出现的电压信号分量被提取。在图9中，LPF 51和52的输入端子分别连接至电流测量电阻器26的两端，并且LPF 51和52的输出端子连接至差分放大器53的各个输入端子。由此，将利用差分放大器53所产生的输出信号作为空燃比检测信号输入到微型计算机38。 

从上述描述应该理解，图1的实施例，图8(a)、8(b)、8(c)的每种替换结构，以及图9的实施例每个都具有下列基本特征： 

(a)形成AC电路通道(具体地，经过电流测量电阻器26和传感器元件10，从振荡器24的输出端子到运算放大器22的输出端子)，其中从振荡器24向该AC电路通道施加AC电压，以使得AC电流分量流入AC电路通道。 

(b)传感器元件阻抗检测部分32连接至电流测量电阻器26和传感器元件10之间的节点，以提取与AC电流分量相对应的AC电压信号分量。也就是说，传感器元件阻抗检测部分32耦合至前述AC电路通道中的一点，用于提取该AC电压信号分量。 

(c)A/F比检测部分31连接至AC电路通道中的至少一个点(作为传感器元件阻抗检测部分32的单独系统)，用于提取与同样也流入该电 路通道的DC电流分量相对应的DC电压信号分量，其中术语“DC电流分量”具有上面定义的意义。 

或者，认为图1的实施例，图8(a)、8(b)和8(c)的每种替换结构以及图9的实施例都具有下列基本特征。传感器元件10和电流测量电阻器26组成串联连接的电路元件的组合，其中传感器元件10和电流测量电阻器26各自的第一端子一起连接在某个连接点，而它们各自的第二端子组成串联连接组合的一对外部端子。参考电压源23和振荡器24产生具有平均值的AC电压，该平均值与接地电势相差第一数量，其中AC电压施加于外部端子的第一个。参考电压源21将固定的DC电压施加于外部端子的第二个，该固定的DC电压与接地电势相差第二数量(与第一数量不同)。A/F比检测部分31耦合至前述连接点，用于提取连接点和接地电势之间出现的电压的DC分量，以便由此得到空燃比检测信号。作为选择(图9)，A/F比检测部分31耦合至电流测量电阻器26的两端，用于提取DC分量。传感器元件阻抗检测部分32耦合至前述连接点，用于提取在连接点处出现的电压信号的AC分量，以便由此得到传感器阻抗检测信号。 

应当注意，本发明的范围不限于检测内燃机中的废气的空燃比，并且本发明同样适用于各种其他用途。例如，复合型气体浓度传感器具有多个单元，每个单元由固体电解质形成。泵单元排放被检查的气体中所含有的氧气，并且也检测氧气浓度。在氧气已经被排放后，第二单元(传感器单元)检测剩余的特定组成气体的浓度。该气体浓度传感器例如可以用作NOx传感器，用于检测机动车辆的废气中的一氧化二氮的浓度。利用这种类型的气体浓度传感器，本发明将适用于增加检测诸如一氧化二氮等气体的浓度和检测传感器元件阻抗的精确性。 

此外，本发明还可应用于下述一种这样的气体浓度传感器，其除了上述第二单元(传感器元件)之外，还具有第三单元(称为监测单元，或第二泵单元)。在该情况下，在氧气已经被排放后，第三单元检测剩余氧气的浓度。 

而且，本发明还可应用于下述一种这样的气体浓度传感器，该气体浓度传感器能够检测诸如碳氢化合物和一氧化碳等气体成分的浓 度。对于这种类型的气体浓度传感器，泵单元排放被检查的气体中含有的多余氧气，而传感器单元分析移除多余氧气后的剩余气体，以便检测碳氢化合物和一氧化碳的浓度。 

除了用于车辆发动机的气体浓度传感器之外，本发明还可应用于其他各种类型的气体浓度传感器，并且除了用于检测发动机废气中包含的气体成分之外，本发明还可应用于检测其他气体成分的各种类型的气体浓度传感器。当将根据本发明的气体浓度检测装置应用于除了车辆发动机的废气以外的气体时，优选将AC电压的频率设置在1～20kHz的范围内的某个值。 

Claims (9)

1.一种气体浓度检测装置，包括：

传感器元件，该传感器元件包含固体电解质层，并响应于施加的DC电压以用于流过表示浓度的电流，其中该电流的大小根据测试目标的气体中的特定组成气体的浓度而变化，

AC电压源和DC电压源，分别用于将AC电压和所述DC电压施加于所述传感器元件，

在AC电流通道中与所述传感器元件串联连接的电流测量电阻器，其中，AC电流分量响应于所述施加的AC电压流过所述AC电流通道，以及

检测信号输出电路，其用于基于所述表示浓度的电流得到表示所述组成气体的所述浓度的气体浓度检测信号，以及基于所述AC电流分量，得到表示所述传感器元件的阻抗值的阻抗检测信号；

其中，所述检测信号输出电路包括：

用于得到所述气体浓度检测信号的第一检测信号输出电路，其耦合至所述电流测量电阻器，用于提取第一电压信号，其中所述第一电压信号的电平根据所述表示浓度的电流的大小而变化，以及

用于得到所述阻抗检测信号的第二检测信号输出电路，其耦合至所述电流测量电阻器和所述传感器元件之间的连接点，用于提取第二电压信号，其中所述第二电压信号是AC信号，其相对于电路接地电势的幅值根据所述AC电流分量的幅值而变化。

2.根据权利要求1所述的气体浓度检测装置，其中所述第一检测信号输出电路和所述第二检测信号输出电路包括各自的放大器电路，用于放大所述第一电压信号和第二电压信号，并且其中，所述放大器电路的各自放大系数彼此单独预先确定。

3.根据权利要求1所述的气体浓度检测装置，其中所述第一检测信号输出电路耦合至所述电流测量电阻器和所述传感器元件之间的连接点，用于提取所述第一电压信号作为相对于电路接地电势变化的信号。

4.根据权利要求1所述的气体浓度检测装置，其中所述第一检测信号输出电路耦合至所述电流测量电阻器的相对的端子，用于提取所述第一电压信号作为在所述相对的端子之间产生的差分电压信号。

5.根据权利要求1所述的气体浓度检测装置，包括计算装置，该计算装置具有耦合的输入电路以接收所述气体浓度检测信号，其中

所述第一检测信号输出电路包括用于提取所述第一电压信号的滤波器电路和用于放大来自所述滤波器电路的输出信号的放大器电路，以获得所述气体浓度检测信号，以及

所述放大器电路用于施加固定的放大程度，该放大程度根据所述输入电路的输入电压信号值的允许范围预先确定。

6.根据权利要求1所述的气体浓度检测装置，包括计算装置，该计算装置具有耦合的输入电路以接收所述气体浓度检测信号，其中所述第二检测信号输出电路包括

滤波器电路，用于提取所述第二电压信号，

放大器电路，用于放大所述第二电压信号，以及

峰值保持电路，用于检测进行所述放大后的所述第二电压信号分量的峰值，

并且其中，所述放大器电路用于施加固定的放大程度，该放大程度基于所述输入电路的输入电压信号值的允许范围预先确定。

7.根据权利要求1所述的气体浓度检测装置，其中所述AC电压具有固定在从1kHz至20kHz范围内的频率。

8.一种气体浓度检测装置，包括：

作为串联连接的组合而耦合的气体浓度传感器元件和电流测量电阻器，所述气体浓度传感器元件响应于施加的DC电压以用于流过大小与测试目标气体中的气体成分浓度相一致的电流，其中所述传感器元件和所述电流测量电阻器各自的第一端子在连接点连接在一起，并且所述传感器元件和所述电流测量电阻器各自的第二端子组成了所述串联连接组合的一对外部端子；

产生AC电压的AC电压源，该AC电压具有固定的幅值和固定的频率，并且具有与所述装置的接地电势相差第一电压量的平均值，其中所述AC电压施加于所述外部端子之一，

产生固定DC电压的参考电压源，该DC电压与所述接地电势相差第二电压量，其中所述第二电压量与所述第一电压量不同，所述固定DC电压施加于所述外部端子中的另一个，

耦合至所述连接点的第一检测信号输出电路，用于提取第一电压信号分量，该第一电压信号分量根据所述施加的AC电压产生的电流相对于所述接地电势变化，所述第一检测信号输出电路还用于放大所述第一电压信号分量，以及检测进行所述放大后的所述第一电压信号分量的峰值，由此得到表示所述传感器元件的阻抗的检测信号，以及

耦合至所述连接点的第二检测信号输出电路，用于提取第二电压信号分量，该第二电压信号分量相对于所述接地电势变化，并且在远低于所述AC电压的频率的频率范围内变化，所述第二检测信号输出电路还用于放大所述第二电压信号分量以由此得到表示所述组成气体的所述浓度的检测信号。

9.一种气体浓度检测装置，包括

作为串联连接的组合而耦合的气体浓度传感器元件和电流测量电阻器，所述气体浓度传感器元件响应于施加的DC电压以用于流过大小与测试目标气体中的气体成分浓度相一致的电流，其中所述传感器元件和所述电流测量电阻器各自的第一端子在连接点连接在一起，并且所述传感器元件和所述电流测量电阻器各自的第二端子组成了所述串联连接组合的一对外部端子；

产生AC电压的AC电压源，该AC电压具有固定的幅值和固定的频率，并且具有与所述装置的接地电势相差第一电压量的平均值，其中所述AC电压施加于所述外部端子之一，

产生固定DC电压的参考电压源，该DC电压与所述接地电势相差第二电压量，其中所述第二电压量与所述第一电压量不同，所述固定DC电压施加于所述外部端子中的另一个，

耦合至所述连接点的第一检测信号输出电路，用于提取第一电压信号，该第一电压信号根据所述施加的AC电压产生的电流相对于所述接地电势变化，所述第一检测信号输出电路还用于放大所述第一电压信号分量，以及检测进行所述放大后的所述第一电压信号分量的峰值，以由此得到表示所述传感器元件的阻抗的检测信号，以及

耦合至所述电流测量电阻器的相对端子的第二检测信号输出电路，用于提取作为差分电压信号的第二电压信号，该第二电压信号在所述电流测量电阻器的两端产生并且在远低于所述AC电压的频率的频率范围内变化，所述第二检测信号输出电路还用于放大所述第二电压信号以由此得到表示所述组成气体的所述浓度的检测信号。

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