CN104897966B - 一种氮氧传感器芯片铂电阻零度阻值检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮氧传感器芯片铂电阻零度阻值检测系统及方法，检测系统包括主控单元、加热单元、电压检测单元、泵氧测控单元和参考单元；加热单元的控制端连接主控单元的第一输出端，参考单元的输入端连接加热单元的输出端；泵氧测控单元的控制端连接主控单元的第二输出端，提供泵氧电压；主控单元的第一至第三输入端对应连接电压检测单元的第一至第三输出端，接收检测到的各项电压；主控单元的第四输入端连接泵氧测控单元的输出端；主控单元的第五输入端连接参考单元的输出端；本发明提供的检测方法，在于拟合出氮氧传感器芯片泵氧电流关于温度的曲线，获取铂电阻在特定工作温度下的电阻值；结合铂电阻阻值与温度的关系，获取铂电阻的零度阻值。

Description

一种氮氧传感器芯片铂电阻零度阻值检测系统及方法

技术领域

本发明属于氮氧传感器技术领域，更具体地，涉及一种氮氧传感器芯片铂电阻零度阻值检测系统及方法。

背景技术

氮氧传感器芯片包括NOx浓度测量部分与加热回路部分，NOx浓度测量部分主要用于完成一系列的电化学反应及催化分解反应，实现对NOx浓度的气体的测量；加热回路部分主要用于给芯片加热，使NOx浓度测量部分的温度达到电化学及催化反应所需要的温度；在氮氧传感器芯片测量NOx浓度过程中，稳定氮氧传感器芯片的工作温度至关重要，氮氧传感器芯片的工作温度以700℃为宜。

在氮氧传感器芯片生产过程中，加热回路采用金属铂材料做发热体，采用厚膜工艺印刷铂电子浆料，经干燥后烧结成型而制备加热回路；由于厚膜工艺无法保证氮氧传感器芯片加热回路中铂电阻的高精度，不同批次氮氧传感器芯片的加热回路中，由金属铂材料构成的铂电阻的精度误差可达10％；铂电阻关于温度的变化关系为R_t＝R₀(1+0.00385t)；其中R₀是指铂电阻在零摄氏度时的电阻，R_t是指铂电阻在温度为t时的电阻；由于各氮氧传感器芯片的铂电阻在零摄氏度时的阻值与加工预期之间存在误差，导致各氮氧传感器芯片的铂电阻并不严格一致；不同的氮氧传感器芯片工作在700℃时，其铂电阻的阻值可能不同，为传感器芯片内部温度的精确稳定控制带来难度；根据铂电阻关于温度的变化公式，只有检测到铂电阻在零摄氏度时的阻值，才能获取其在相应的工作温度下的阻值，由此将传感器芯片内部温度的精确稳定控制在设定的工作温度下。

发明内容

针对以上技术需求，本发明提供了一种氮氧传感器芯片铂电阻在零摄氏度下的阻值检测系统及方法，其目的在于通过拟合出氮氧传感器芯片泵氧电流关于温度的曲线，获取铂电阻在特定工作温度下的加热电阻值；结合铂电阻阻值与温度的关系，获取氮氧传感器芯片加热回路中铂电阻的零度阻值。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种氮氧传感器芯片铂电阻零度阻值检测系统，包括主控单元、加热单元、参考单元、泵氧测控单元和电压检测单元；

其中，加热单元的控制信号输入端连接主控单元的第一输出端；参考单元的输入端连接加热单元的输出端；加热单元的输出端还用于连接待测氮氧传感器芯片，向待测氮氧传感器芯片提供加热电压；

泵氧测控单元的控制信号输入端连接主控单元的第二输出端，泵氧测控单元的泵氧电压输出端与泵氧电流输入端均用于连接待测氮氧传感器芯片；

主控单元的第一输入端连接电压检测单元的第一输出端，接收加热正端对地电压；主控单元的第二输入端连接电压检测单元的第二输出端，接收加热负端对地电压；主控单元的第三输入端连接电压检测单元的第三输出端，接收测温端对地电压；主控单元的第四输入端连接泵氧测控单元的输出端，接收泵氧测控单元反馈的泵氧电压；主控单元的第五输入端连接参考单元的输出端，接收参考电流；电压检测单元的加热正端电压输入端、加热负端电压输入端和测温端电压输入端均用于连接待测氮氧传感器芯片；

加热单元在主控单元的控制下输出加热电压，使得待测氮氧传感器芯片等速升温；所述电压检测单元在升温过程中实时获取加热正端对地电压、加热负端对地电压和测温端对地电压以及参考电流；主控单元根据上述电压以及电流，获取待测氮氧传感器芯片在特定工作温度下的铂电阻阻值，并根据铂电阻阻值与温度关系，获取铂电阻的零度阻值。

优选的，参考单元为0.1欧姆到0.5欧姆的电阻，串联在氮氧传感器芯片的加热回路里，一端连接加热负端，另一端接地；根据检测到的加热负端对地电压，获取参考电流。

为实现本发明目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种基于上述氮氧传感器芯片铂电阻零度阻值检测系统的检测方法，具体如下：

(1)通过控制加载在待测氮氧传感器芯片上的加热电压，使得铂电阻等速升温；在待测氮氧传感器芯片上施加泵氧电压；并实时获取待测氮氧传感器芯片的加热正端对地电压、加热负端对地电压、测温端对地电压、参考电流和泵氧电流；

(2)根据泵氧电流以及对应的加热电压调节时间点，采用最小二乘法拟合出泵氧电流关于时间的曲线；由于铂电阻是等速升温，因此根据温度与时间的关系，进一步获取泵氧电流关于加热温度的曲线；

(3)根据所述泵氧电流关于加热温度的曲线，获取曲线上斜率为45°的点对应的加热温度T；

(4)根据加热正端对地电压、加热负端对地电压、测温端对地电压以及参考电流，获取所述泵氧电流关于加热温度的曲线上斜率为45°的点对应的铂电阻实时阻值R_t；

(5)根据铂电阻在加热温度T下的加热电阻R_t，获取铂电阻在零摄氏度下的阻值R₀，R₀＝R_t/(1+0.00385T)。

优选的，泵氧电压为1V～2V。

优选的，泵氧电压为1.5V，泵氧电流关于加热温度的曲线上斜率为45°的点对应的加热温度T为550℃。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的氮氧传感器芯片铂电阻零度阻值检测系统和检测方法，电压调节以及电流检测和电压检测均在主控模块的控制下进行，具有实时精准的特点；另一方面，主控模块可采用单片机等芯片实现，可快速的拟合出泵氧电流关于温度的曲线，并获取曲线上斜率为45°的点对应的加热温度以及铂电阻在该温度下的阻值，以进一步获取铂电阻的零度阻值；具有快速、准确的特点；

(2)本发明提供的氮氧传感器芯片铂电阻零度阻值检测系统，其优选方案里采用一个阻值为0.1欧姆到0.5欧姆的小阻值精密电阻做采样电阻，以获取回路电流；由于小阻值小体积的精密电阻可很好的集成到芯片里而不影响芯片功能和性能，对芯片本身的干扰极小且具有成本低廉的优点；

(3)本发明提供的氮氧传感器芯片铂电阻零度阻值检测系统和检测方法，在主控单元的控制下可实现自动检测，由此实现对氮氧传感器的批量检测，可节省大量人力成本。

附图说明

图1是实施例1的氮氧传感器芯片铂电阻零度阻值检测系统的系统框图；

图2是实施例1里氮氧传感器芯片加热回路铂电阻示意图；

图3是实施例1里氮氧传感器芯片加热回路等效电路图；

图4是实施例1里拟合出的氮氧传感器泵氧电流与温度的关系曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1所示是本发明实施例1提供的氮氧传感器芯片铂电阻零度阻值检测系统的系统示意图，包括主控单元、加热单元、电压检测单元、泵氧测控单元和参考单元；主控单元由自带模数转换功能的单片机及其外围电路构成，实现对传感器芯片的加热控制，以及对泵氧电压的设定和对泵氧电流的采集；加热单元由MOSFET器件及驱动器组成，实现加热驱动；电压检测单元由恒压给定电路及控制器件组成，实现对加热铂电阻的实时检测；泵氧测控单元由运算放大器及外围电路组成，实现泵氧电压的设定和泵氧电流的测量；参考单元由采样电路组成，反馈当前的温度并由主控单元采集数据，实现恒定的升温速度。

其中，加热单元的控制端连接主控单元的第一输出端，在主控单元的控制下向氮氧传感器芯片提供加热电压；参考单元的输入端连接加热单元的输出端，接收加热电压；泵氧测控单元的控制端连接主控单元的第二输出端，在主控单元的控制下向氮氧传感器芯片提供泵氧电压；

电压检测单元用于在氮氧传感器芯片加热回路中检测加热正端对地电压、加热负端对地电压和测温端对地电压；主控单元的第一输入端连接电压检测单元的第一输出端，接收加热正端对地电压；主控单元的第二输入端连接电压检测单元的第二输出端，接收加热负端对地电压；主控单元的第三输入端连接电压检测单元的第三输出端，接收测温端对地电压；主控单元的第四输入端连接泵氧测控单元的反馈端，接收泵氧测控单元反馈的泵氧电压；主控单元的第五输入端连接参考单元的反馈端，接收参考电流；

主控单元控制加热单元输出的加热电压，使得氮氧传感器芯片等速升温；并根据电压检测模块反馈的各电压以及参考单元反馈的参考电流，获取加热回路上的铂电阻实时阻值；根据泵氧电流拟合出泵氧电流关于温度的曲线，并根据铂电阻与温度的关系获取铂电阻零度阻值。

实施例1里，待测氮氧传感器芯片的加热回路包括铂电阻、电源和导线；图2所示是氮氧传感器芯片加热回路中的铂电阻示意图；其中，将加热正端的对地电压记为V1，将测温端的对地的电压记为V2，加热负端的对地的电压记为V3；

图2中将铂电阻分段标记，其中，标记在1-2之间的铂电阻等效为R₂，标记在2-3之间的铂电阻等效为R_t，标记在3-4之间的铂电阻等效为R₃；由于铂电阻是对称结构，R₂与R₃相等；

在加热回路中使传感器芯片功能区到达目标温度的发热电阻是铂电阻的2-3段，标记在2-3段的等效阻值R_t要比R₂和R₃大很多，检测氮氧传感器铂电阻的零度阻值，就是检测2-3段铂电阻的零度电阻。

图3所示是实施例1里氮氧传感器芯片加热回路的等效电路，其中，R₁是加热正端连接电源的导线的等效电阻，R₄是加热负端连接电源的导线的等效电阻，R₁与R₄阻值相等；R₂是传感器芯片加热正端连接R_t的导线的等效电阻，R₃是加热负端连接2-3段加热电阻R_t的导线的等效电阻，R₂与R₃阻值相等；在实施例1里，R₅取阻值为0.2欧姆的精密电阻。

实施例1里，等效电路中的电流为V3/R₅；实施例1中，t时刻测量到V3＝0.2V，V2＝0.5V，V1＝8V，由此计算出回路中的电流I＝V3/R₅＝0.2/0.2＝1安培；

根据R_t＝[(V1-V3)-2*(V2-V3)]/(V3/R₅)，获取铂电阻t时刻的实时电阻为7.2欧姆；其中，加热正端对地电压V1、测温端对地的电压V2和加热负端对地的电压V3是加热过程中实时测量获取到的值。

采用本发明提供的氮氧传感器芯片铂电阻零度阻值检测方法来检测零度电阻的具体步骤如下：

(1)控制加热电压，以控制芯片等速升温；实时测量加热正端对地电压V1、测温端对地的电压V2和加热负端对地的电压V3，并实时获取当前加热电阻R_t；

(2)将泵氧电压保持在1.5V，等时间间隔的测量泵氧回路中的泵氧电流；

(3)根据泵氧电流以及对应的加热电阻R_t的关系，采用最小二乘法，用6次多项式，7次多项式和8次多项式，拟合出泵氧电流关于时间的曲线；并根据泵氧电流关于时间的曲线进一步获取泵氧电流关于加热温度的曲线，如图4所示；该曲线上斜率为45°的点，也就是泵氧电流关于时间(或加热电阻R_t)的函数导数值等于1的点，该点所对应的时刻，温度为550℃；

根据R_t＝[(V1-V3)-2*(V2-V3)]/(V3/R₅)，获取550℃温度对应的时间点下的铂电阻实时值R_t；

(4)根据R_t与对应的温度t，获取铂电阻的零度电阻R₀＝R_t/(1+0.00385t)。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种氮氧传感器芯片铂电阻零度阻值检测系统，其特征在于，包括主控单元、加热单元、参考单元、泵氧测控单元和电压检测单元；

所述加热单元的控制信号输入端连接主控单元的第一输出端；所述参考单元的输入端连接加热单元的输出端，所述加热单元的输出端还用于连接待测氮氧传感器芯片；

所述泵氧测控单元的控制信号输入端连接主控单元的第二输出端，泵氧测控单元的泵氧电压输出端与泵氧电流输入端均用于连接待测氮氧传感器芯片；

所述主控单元的第一输入端连接电压检测单元的第一输出端；主控单元的第二输入端连接电压检测单元的第二输出端；主控单元的第三输入端连接电压检测单元的第三输出端；主控单元的第四输入端连接泵氧测控单元的输出端；主控单元的第五输入端连接参考单元的输出端；所述电压检测单元的加热正端电压输入端、加热负端电压输入端和测温端电压输入端均用于连接待测氮氧传感器芯片；

所述加热单元在主控单元的控制下输出加热电压，使得待测氮氧传感器芯片等速升温；所述电压检测单元在升温过程中实时获取加热正端对地电压、加热负端对地电压和测温端对地电压以及参考电流；主控单元根据所述加热正端对地电压、加热负端对地电压和测温端对地电压以及参考电流，获取待测氮氧传感器芯片在特定工作温度下的铂电阻阻值，并根据铂电阻阻值与温度关系，获取铂电阻的零度阻值。

2.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述参考单元为电阻，一端连接待测氮氧传感器芯片的加热负端，另一端接地。

3.一种基于权利要求1或2所述的氮氧传感器芯片铂电阻零度阻值检测系统的检测方法，其特征在于，所述方法具体如下：

(1)通过控制加载在待测氮氧传感器芯片上的加热电压，使得铂电阻等速升温；并在待测氮氧传感器芯片上施加泵氧电压；并实时获取待测氮氧传感器芯片的加热正端对地电压、加热负端对地电压、测温端对地电压、参考电流和泵氧电流；

(2)根据泵氧电流以及对应的加热电压调节时间点，采用最小二乘法拟合出泵氧电流关于时间的曲线；并根据温度与时间的关系，进一步获取泵氧电流关于加热温度的曲线；

(3)根据所述泵氧电流关于加热温度的曲线，获取曲线上斜率为45°的点对应的加热温度T；

(4)根据加热正端对地电压、加热负端对地电压、测温端对地电压以及参考电流，获取所述泵氧电流关于加热温度的曲线上斜率为45°的点对应的铂电阻实时阻值R_t；

(5)根据铂电阻在加热温度T下的加热电阻R_t，获取铂电阻在零摄氏度下的阻值R₀，R₀＝R_t/(1+0.00385T)。

4.如权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述泵氧电压为1V～2V。

5.如权利要求4所述的检测方法，其特征在于，所述泵氧电压为1.5V；泵氧电流关于加热温度的曲线上，斜率为45°的点对应的加热温度T为550℃。