CN106353386B - ZrO2界限电流式氧传感器高度补偿方法 - Google Patents

ZrO2界限电流式氧传感器高度补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种ZrO2界限电流式氧传感器高度补偿方法，由加热电路为ZrO2界限电流式氧传感器提供加热，使其符合要求的工作条件；由高度压力采集单元将采集的高度信号转换为电信号后传送至解算处理单元；传感器输出放大电路将ZrO2界限电流式氧传感器输出的电流，经I/V放大后传送至解算处理单元；解算处理单元，对参量进行数字化处理，按补偿算法完成氧传感器氧浓度输出的高度补偿。本发明通过增加高度传感器，通过高度补偿方法对氧传感器的输出进行补偿，提高氧传感器的环境适应性，保证传感器在不同高度环境下的测量精度，具有补偿的实时性。

Description

ZrO2界限电流式氧传感器高度补偿方法
技术领域
本发明涉及一种界限电流氧传感器，尤其涉及一种ZrO2界限电流式氧传感器高度补偿方法。
背景技术
由于界限电流氧传感器具有高的测氧精度和较好的低温环境适应性，已经被用于高海拔地区的低气压环境。在低气压环境使用中发现了一些新的问题，如按照常压下建立的经典理论得到的氧浓度测量值均小于实际值等，带来了测量精度的误差。目前，由固体电解质氧化锆和Pt电极组成的界限电流氧传感器的测氧关系主要取决于氧气的扩散机理。根据传感器扩散孔隙直径d与测量环境中氧分子平均自由程λ的相对大小在常压下分为两种模型：
(1)正常扩散，要求d＞＞λ，认为氧分子在孔隙中的扩散是由孔隙中的氧浓度梯度和孔隙两侧氧压差共同驱动。根据相关理论，得到该模型下界限电流IL与被测氧浓度XO2的理论公式为：
式中F为法拉第常数，R为氧体常数，S为孔隙的截面积，l为孔隙长度，P为气体总压强，T为传感器工作温度，DN为氧分子的正常扩散系数，有如下形式：
式中Ds为标准气体扩散系数，a为与气体组分有关的常数。
简化后有：
式中：为氧浓度，IL为传感器输出界限电流，b为常数。
从(3)式可见，正常扩散模型下界限电流IL与气体的总压强P无关。
(2)Knudsen(努森)扩散，要求d＜λ，认为氧分子在孔隙中的扩散由孔隙两侧氧压差驱动。根据相关理论，得到该模型下界限电流IL与被测氧摩尔浓度的理论公式为：
式中DK为氧分子的Knudsen扩散系数，有如下形式：
式中M为扩散气体分子的质量。从(4)和(5)式可见，Knudsen扩散模型下界限电流IL与气体的总压强P有关。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有理论技术的不足之处，提供一种新型实用的ZrO2界限电流式氧传感器高度补偿算法，解决在高原或空中使用时，环境高度对氧传感器输出特性的影响，得到精准的检测结果。
本发明是由以下技术方案来完成：
一种ZrO2界限电流式氧传感器高度补偿方法，其特征是，
由加热电路为ZrO2界限电流式氧传感器提供加热，使其符合要求的工作条件；
由高度压力采集单元将采集的高度信号转换为电信号经放大后传送至A/D转换；
由传感器输出放大电路将ZrO2界限电流式氧传感器输出的电流，经I/V转换及放大后传送至A/D转换；
由解算处理单元对A/D转换后的数字量按以下补偿算法完成氧传感器氧浓度输出的高度补偿运算；
补偿算法：
式中：Xo2为经过补偿的氧摩尔浓度，IL为ZrO2界限电流式氧传感器输出界限电流，XP为环境高度对应的气压，aP、bP、m、n为常数。
高度压力采集单元应用扩散硅压阻式传感器将高度信号转换为电信号。
A/D转换数字化处理的参量包括氧传感器输出的界限电流IL及环境高度对应的气压XP。
对氧传感器输出的界限电流IL的数字化处理公式为：
式中：N为A/D转换后输出值，Vref为A/D参考电压值，Rref为电流采样电阻值，KI为I/V转换及放大的综合系数，1024为A/D采样分辨率。
对环境高度对应的气压XP的数字化处理公式为：
式中：N为A/D转换后输出值，Vref为A/D参考电压值，KP为电压放大倍数，1024为 A/D采样分辨率，δ为高度压力值转换为气压值的转换系数。
由高度压力采集单元将采集的高度信号转换为电信号后，通过差动放大、A/D后用于高度补偿。
本发明的关键点：
1、ZrO2界限电流式氧传感器的高度补偿算法拟合。由于氧气浓度传感器为气敏传感器，其输出信号与氧气浓度之间为非线性。通过大量的试验数据进行分析、拟合得到高度补偿算法。
2、应用时只需要对氧传感器在两个特定高度下的输出进行检测，就可以得到高度补偿需要的参数，该参数为传感器结构决定，也就是传感器固有参数。
3、通过解算软件实现高度补偿运算。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、本发明通过高度压力采集对环境高度进行检测，按提出的高度补偿方法对氧传感器的输出进行补偿，提高氧传感器的环境适应性，保证传感器在不同高度环境下的测量精度。
2、本发明采用解算软件实现高度补偿运算，具有补偿的实时性。
附图说明
图1ZrO2为界限电流式氧传感器高度补偿电路原理框图；
图2ZrO2为界限电流式氧传感器高度补偿软件流程框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1和图2所示，本发明由加热电路、高度压力采集、传感器输出放大电路及解算处理单元组成。其中加热电路用于对ZrO2氧传感器进行加热，高度压力采集单元用于实时采集当前氧传感器所处高度下的压力值，传感器输出放大电路用于将氧传感器输出的与氧浓度对应的电流进行放大处理，解算处理单元实现对A/D转换后参量的解算处理并最终输出按照补偿算法解算得到的氧浓度数据。
ZrO2界限电流式氧传感器高度补偿算法：
式中：Xo2为氧浓度，IL为氧传感器输出界限电流，XP为环境高度对应的气压，aP、bP、m、n为常数，由氧传感器结构、工艺决定，通过实验室对传感器标定获得。
ZrO2界限电流式氧传感器高度补偿方法，包括硬件设计和软件算法设计两部份组成，硬件是软件运行的基础。
所述的硬件设计包括：加热电路、高度压力采集、传感器输出放大电路、解算处理单元。
加热电路为ZrO2界限电流式氧传感器提供加热，使其符合要求的工作条件。
高度压力采集，应用扩散硅压阻式传感器将压力信号转换为电信号，并通过差动放大后传送至A/D转换。
传感器输出放大电路将氧传感器输出的界限电流，经I/V(电流/电压)及放大后同样传送至A/D转换。
解算处理单元，将经A/D转换后的高度压力、界限电流参量进行数字化处理，并按公式 (6)中进行数学运算，采用C语言实现整个算法，完成氧传感器氧浓度输出的高度补偿，并按标准的串行数据格式输出数据。
所述的数字化处理包括：氧传感器输出界限电流IL及环境高度对应的气压XP的数字化处理。
其中式(7)中：IL为氧传感器输出界限电流，N为A/D转换后输出值，Vref为A/D参考电压值，Rref为电流采样电阻值，KI为I/V转换及放大的综合系数，1024为A/D采样分辨率；
式(8)中：XP为当前高度压力值，N为A/D转换后输出值，Vref为A/D参考电压值， KP为电压放大倍数，1024为A/D采样分辨率，δ为高度压力值转换为气压值的转换系数。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种ZrO2界限电流式氧传感器高度补偿方法，其特征是，
由加热电路为ZrO2界限电流式氧传感器提供加热，使其符合要求的工作条件；
由高度压力采集单元将采集的高度信号转换为电信号经放大后传送至A/D转换；
由传感器输出放大电路将ZrO2界限电流式氧传感器输出的电流，经I/V转换及放大后传送至A/D转换；
由解算处理单元对A/D转换后的数字量按以下补偿算法完成氧传感器氧浓度输出的高度补偿运算；
补偿算法：
式中：Xo2为经过补偿的氧摩尔浓度，IL为ZrO2界限电流式氧传感器输出界限电流，XP为环境高度对应的气压，aP、bP、m、n为常数；
对氧传感器输出的界限电流IL的数字化处理公式为：
式中：N为A/D转换后输出值，Vref为A/D参考电压值，Rref为电流采样电阻值，KI为I/V转换及放大的综合系数，1024为A/D采样分辨率；
对环境高度对应的气压XP的数字化处理公式为：
式中：N为A/D转换后输出值，Vref为A/D参考电压值，KP为电压放大倍数，1024为A/D采样分辨率，d为高度压力值转换为气压值的转换系数。
2.根据权利要求1所述的ZrO2界限电流式氧传感器高度补偿方法，其特征是，高度压力采集单元应用扩散硅压阻式传感器将高度信号转换为电信号。
3.根据权利要求1所述的ZrO2界限电流式氧传感器高度补偿方法，其特征是，A/D转换数字化处理的参量包括氧传感器输出的界限电流IL及环境高度对应的气压XP。
4.根据权利要求1所述的ZrO2界限电流式氧传感器高度补偿方法，其特征是，由高度压力采集单元将采集的高度信号转换为电信号后，通过差动放大、A/D后用于高度补偿。
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