CN112255295A - 一种氧气浓度传感器的控制装置与标定及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种氧气浓度传感器的控制装置与标定及控制方法。应用所述装置，在常温下以最佳工作温度时施加到氧气浓度传感器的电功率为调节目标值，通过调整PWM信号的占空比标定最佳工作温度时氧气浓度传感器的加热电阻R0和常温大气氧气浓度下的泵电流IP0；标定完成后，当氧气浓度传感器正常工作时，通过调整PWM信号的占空比，使加热电阻R等于标定好的R0，也就是使氧气浓度传感器工作在最佳工作温度；通过实时获取泵电流IP，根据标定好的IP0计算氧气浓度，能够提高氧气浓度传感器的测量精度。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种氧气浓度传感器的控制装置与标定及控制方法。
背景技术
氧气浓度传感器是用于检测空气中氧含量的一种器件。可用于直接测量环境中的氧含量，也可基于空气中的氧含量可间接反映水汽含量的原理，测量环境湿度。比如，可采用以氧化锆陶瓷芯片为核心部件的氧气浓度传感器测量蒸烤一体机检测内腔湿度，其工作温度在400℃～600℃，适配设计的电控模块对覆盖在芯片表面的加热膜进行加热控制，同时通过测量其泵电流电流的大小计算出氧气浓度值，如图1所示。对于不同的氧化锆陶瓷芯片，其最佳工作温度不一样，即使是同一型号的氧化锆陶瓷芯片也存在差异性，导致电控模块对其进行加热控制时，达到的目标温度值会出现差异，造成氧化锆陶瓷芯片不能工作在最佳的温度从而影响检测的精度。所以氧化锆陶瓷芯片与电控模块需要通过一套标定方法作适配以消除此影响。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种氧气浓度传感器的控制装置与标定方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种氧气浓度传感器的控制装置，所述装置包括氧气浓度传感器、控制器、电源、电子开关、滤波模块和信号采集模块；电子开关连接在滤波模块的输入端与电源正极之间，其控制端与控制器的PWM信号输出端相连；滤波模块的输出端与氧气浓度传感器的H+相连；信号采集模块的输入端分别与氧气浓度传感器的H+、H-、S-端相连，输出端与控制器相连，用于实现对H+端电压即加热电压的采样，对H-端输出电流即加热电流的采样和放大，对S-端输出电流即泵电流的采样和放大；控制器通过调整PWM信号的占空比使加热电压与加热电流的比R等于氧气浓度传感器最佳工作温度时加热电压与加热电流的比R0。
本发明还提供一种应用所述装置进行标定的方法，包括在常温下进行的以下步骤：
步骤1，设置PWM信号的周期和初始占空比，输出初始PWM信号至电子开关，并开始记时t＝0；
步骤2，获取加热电压VH及加热电流IH，并计算加热功率P＝VH×IH；
步骤3，逐渐增加PWM信号的占空比，当P＝0.5P0时，停止增加占空比，等待至t＝T/2时刻，P0为氧气浓度传感器说明书提供的最佳工作温度时的功率，T为氧气浓度传感器与外界温度达到平衡需要的时间；
步骤4，继续增加占空比，当P＝P0时，动态调整占空比：若P>P0，减小占空比，使P＝P0；否则，增大占空比，使P＝P0；
步骤5，当t＝T时，获取VH、IH，计算并记录加热电阻R0＝VH/IH，获取并记录泵电流IP0，IP0对应常温大气中的氧气浓度a0。
本发明还提供一种应用所述装置进行控制的方法，包括应用所述标定方法进行标定后进行的以下步骤：
实时获取VH、IH，计算加热电阻R＝VH/IH；
若R>R0，减小PWM信号的占空比，使R＝R0；否则，增加占空比，使R＝R0。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
应用本发明提出的氧气浓度传感器的控制装置，在常温下以最佳工作温度时施加到氧气浓度传感器的电功率P0为调节目标值，通过调整PWM信号的占空比标定最佳工作温度时氧气浓度传感器的加热电阻R0和常温大气氧气浓度a0(21％)下的泵电流IP0；标定完成后，当氧气浓度传感器正常工作时，通过调整PWM信号的占空比，使加热电阻R等于标定好的R0，也就是使氧气浓度传感器工作在最佳工作温度；通过实时获取的泵电流IP，根据标定好的IP0计算氧气浓度a＝a0×IP/IP0，能够提高氧气浓度传感器的测量精度。
附图说明
图1为以氧化锆陶瓷芯片为核心部件的氧气浓度传感器的工作原理图；
图2为本发明实施例一种氧气浓度传感器的控制装置的组成框图；
图3为氧气浓度传感器与滤波模块、电子开关连接的电路原理图，U1为氧气浓度传感器。
图2中，1-氧气浓度传感器，2-控制器，3-滤波模块，4-电子开关，5-电源，6-信号采集模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例一种氧气浓度传感器1的控制装置，如图2所示，包括氧气浓度传感器1、控制器2、电源5、电子开关4、滤波模块3和信号采集模块6；电子开关4连接在滤波模块3的输入端与电源5正极之间，其控制端与控制器2的PWM信号输出端相连；滤波模块3的输出端与氧气浓度传感器1的H+相连；信号采集模块6的输入端分别与氧气浓度传感器1的H+、H-、S-端相连，输出端与控制器2相连，用于实现对H+端电压即加热电压的采样，对H-端输出电流即加热电流的采样和放大，对S-端输出电流即泵电流的采样和放大；控制器2通过调整PWM信号的占空比使加热电压与加热电流的比R等于氧气浓度传感器1最佳工作温度时加热电压与加热电流的比R0。
在本实施例中，所述装置主要由氧气浓度传感器1、控制器2、电源5、电子开关4、滤波模块3和信号采集模块6组成，各模块之间的连接关系如图2所示。下面对每个模块分别进行介绍。
氧气浓度传感器1，在本实施例中是被控制对象，其以氧化锆陶瓷芯片为核心部件，工作原理图如图1所示。一共4个管脚，分别为H+、H-、S+、S-。正常工作时，H+与H-之间加7±0.5V直流加热电压，S+与S-之间加0.8±0.1V直流泵电压。泵电流IP的大小与氧气浓度成正比，通过测量IP计算氧气浓度。
控制器2，主要用于实现一定的数据处理和控制功能。比如，通过对由信号采集模块6输入的信号进行A/D变换和必要的数据处理，计算加热电压、加热电流和泵电流及氧气浓度；又如，输出占空比可调的PWM信号至电子开关4，通过改变占空比使氧气浓度传感器1的加热电压与加热电流的比(H+～H-端的输入电阻，也称加热电阻)R，始终保持氧气浓度传感器1工作在最佳工作温度时加热电压与加热电流的比R0不变。R0的值事先通过标定测出，后面将给出具体的标定方法。温度不变时，加热电阻R的大小一般也不变，温度升高加热电阻一般也增加，因此可认为加热电阻R与温度之间存在固定关系。加热电阻R始终保持最佳工作温度时的加热电阻R0不变，可使氧气浓度传感器1始终工作在最佳工作温度，从而可提高氧气浓度的测量精度。
电源5、电子开关4和滤波模块3，在控制器2输出的PWM信号控制下，为氧气浓度传感器1提供加热电压。电源5一般采用+12V蓄电池电压。PWM信号加到电子开关4的控制端，控制电子开关4的通断(PWM高电平期间接通，低电平期间断开)，使电子开关4输出幅度为12V的PWM脉冲电压，对滤波模块3进行充放电后输出与占空比成正比的加热电压。
信号采集模块6，主要用于实现对加热电压、加热电流及泵电流的采样放大处理。它包括三个采集通道：一个通道的输入端与氧气浓度传感器1的H+端相连，用于实现对加热电压即VH+的采样；另外两个通道的输入端分别与H-、S-相连，用于采样加热电流和泵电流。由于电流采样是通过测量采样电阻上的电压实现的，而采样电阻的值一般很小，其上的电压也很小，因此，一般还需要对电流采样信号(电压)进行放大后再输入到控制器2。
作为一种可选实施例，所述滤波模块3主要由并联在H+端与地之间的两个电容C1、C2组成。
本实施例给出了滤波模块3的一种技术方案。如图3所示，滤波模块3由并联的两个电容C1、C2组成。C2为电容值较大的电解电容，用于实现低频滤波，将输入的PWM脉冲信号变为直流信号；C1的的电容值较小，用于滤除高频杂波干扰。
作为一种可选实施例，所述电子开关4主要由一个P型MOS管Q1和一个N型MOS管Q2组成；Q1的源极与电源5正极相连，漏极与H+端相连，栅极与Q2的漏极和一个电阻R1的一端相连，R1的另一端与电源5正极相连；Q2的源极接地，栅极与电阻R2、R3的一端相连，R3的另一端接地，R2的另一端与控制器2的PWM信号输出端相连。
本实施例给出了电子开关4的一种技术方案。本实施例的电子开关4由分离元件搭建，主要由一个P型MOS管Q1和一个N型MOS管Q2组成。具体连接关系如图3所示。当PWM为高电平时，Q2、Q1导通，+12V电源对电容(C1、C2)充电，占空比越大，充电电压越高；当PWM为低电平时，Q2、Q1截止，电容通过加热电阻(H+～H-端的输入电阻)放电。
作为一种可选实施例，所述信号采集模块6包括：连接在H+端和地之间的电阻串联分压电路；连接在H-端和地之间的电阻R4，与H-端相连的第一运算放大器；连接在S-端和地之间的电阻R5，与S-端相连的第二运算放大器；电阻串联分压电路、第一运算放大器和第二运算放大器的输出端分别与控制器2相连。
本实施例给出了信号采集模块6的一种技术方案。信号采集模块6由三部分电路组成，分别实现对H+端电压即加热电压的采样、对H-端电流即加热电流、S-端电流即泵电流的采样及放大。第一部分电路为电阻串联分压电路，实现对加热电压的采样。由于加热电压一般为7V左右，大于控制器2最高工作电压，因此需要采用分压电路进行降压后再输出至控制器2。第二、三部分电路为电流采样及放大电路，均采用电阻电流采样，即通过测量采样电阻上的电压计算被测电流，如图3中的R4、R5。由于R4、R5上的电压一般很小，需要放大到一定幅度后再输出至控制器2，所以第二、三部分电路还分别包括一个与采样电阻R4、R5输出端相连放大器，即第一运算放大器和第二运算放大器。
本发明实施例一种应用所述装置进行标定的方法，包括在常温下进行的以下步骤：
S101、设置PWM信号的周期和初始占空比，输出初始PWM信号至电子开关4，并开始记时t＝0；
S102、获取加热电压VH及加热电流IH，并计算加热功率P＝VH×IH；
S103、逐渐增加PWM信号的占空比，当P＝0.5P0时，停止增加占空比，等待至t＝T/2时刻，P0为氧气浓度传感器1说明书提供的最佳工作温度时的功率，T为氧气浓度传感器1与外界温度达到平衡需要的时间；
S104、继续增加占空比，当P＝P0时，动态调整占空比：若P>P0，减小占空比，使P＝P0；否则，增大占空比，使P＝P0；
S105、当t＝T时，获取VH、IH，计算并记录加热电阻R0＝VH/IH，获取并记录泵电流IP0，IP0对应常温大气中的氧气浓度a0。
本实施例给出了应用所述装置对氧气浓度传感器1进行标定的一种技术方案。以氧化锆陶瓷芯片为核心部件的氧气浓度传感器1有两个重要参数，分别是最佳工作温度及其对应的加热电压(也称额定加热电压)。由于不同氧气浓度传感器1之间存在差异，常温下对同款的两个氧气浓度传感器1施加相同的加热电压，待温度稳定后，它们的工作温度往往是不一样的，甚至差异比较大。考虑到在固定环境温度下，对氧气浓度传感器1施加固定加热电压，经过长时间后，氧气浓度传感器1与周围空气的温度场达到平衡，温度不再变化的现象，本实施例在标定过程中以氧气浓度传感器1处于最佳工作温度时施加的电功率为调节目标值，以加热电压为调节量，以电功率为反馈量进行调节，最后测出最佳工作温度时的加热电阻R0，以及常温氧气浓度a0(21％)下的泵电流IP0。由于加热电阻与工作温度之间存在固定的关系，因此，正常工作时只要使加热电阻始终等于R0，即可使芯片一直工作在最佳工作温度。具体标定方法见S101～S105，其中T一般取3分钟。本实施例的标定过程耗时3分钟，可保证芯片与外界大气的温度场达到平衡。
本发明实施例一种应用所述装置进行控制的方法，包括应用所述标定方法进行标定后进行的以下步骤：
实时获取VH、IH，计算加热电阻R＝VH/IH；
若R>R0，减小使R＝R0；否则，增加占空比，使R＝R0。
本实施例给出了氧气浓度传感器1的标定完成后，其正常工作时进行控制的技术方案。具体控制方法是：通过调节PWM信号的占空比，使加热电阻R等于R0。
作为一种可选实施例，所述方法还包括时氧气浓度的测量步骤：实时获取泵电流IP，计算氧气浓度a＝a0×IP/IP0。
本实施例给出了氧气浓度的测量方法。根据实时获取的泵电流IP，按照公式a＝a0×IP/IP0计算氧气浓度a。
上述仅对本发明中的几种具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所做出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种氧气浓度传感器的控制装置，其特征在于，所述装置包括氧气浓度传感器、控制器、电源、电子开关、滤波模块和信号采集模块；电子开关连接在滤波模块的输入端与电源正极之间，其控制端与控制器的PWM信号输出端相连；滤波模块的输出端与氧气浓度传感器的H+相连；信号采集模块的输入端分别与氧气浓度传感器的H+、H-、S-端相连，输出端与控制器相连，用于实现对H+端电压即加热电压的采样，对H-端输出电流即加热电流的采样和放大，对S-端输出电流即泵电流的采样和放大；控制器通过调整PWM信号的占空比使加热电压与加热电流的比R等于氧气浓度传感器最佳工作温度时加热电压与加热电流的比R0。
2.根据权利要求1所述的氧气浓度传感器的控制装置，其特征在于，所述滤波模块主要由并联在H+端与地之间的两个电容C1、C2组成。
3.根据权利要求1所述的氧气浓度传感器的控制装置，其特征在于，所述电子开关主要由一个P型MOS管Q1和一个N型MOS管Q2组成；Q1的源极与电源正极相连，漏极与H+端相连，栅极与Q2的漏极和一个电阻R1的一端相连，R1的另一端与电源正极相连；Q2的源极接地，栅极与电阻R2、R3的一端相连，R3的另一端接地，R2的另一端与控制器的PWM信号输出端相连。
4.根据权利要求1所述的氧气浓度传感器的控制装置，其特征在于，所述信号采集模块包括：连接在H+端和地之间的电阻串联分压电路；连接在H-端和地之间的电阻R4，与H-端相连的第一运算放大器；连接在S-端和地之间的电阻R5，与S-端相连的第二运算放大器；电阻串联分压电路、第一运算放大器和第二运算放大器的输出端分别与控制器相连。
5.一种应用权利要求1所述装置进行标定的方法，其特征在于，包括在常温下进行的以下步骤：
步骤1，设置PWM信号的周期和初始占空比，输出初始PWM信号至电子开关，并开始记时t＝0；
步骤2，获取加热电压VH及加热电流IH，并计算加热功率P＝VH×IH；
步骤3，逐渐增加PWM信号的占空比，当P＝0.5P0时，停止增加占空比，等待至t＝T/2时刻，P0为氧气浓度传感器说明书提供的最佳工作温度时的功率，T为氧气浓度传感器与外界温度达到平衡需要的时间；
步骤4，继续增加占空比，当P＝P0时，动态调整占空比：若P>P0，减小占空比，使P＝P0；否则，增大占空比，使P＝P0；
步骤5，当t＝T时，获取VH、IH，计算并记录加热电阻R0＝VH/IH，获取并记录泵电流IP0，IP0对应常温大气中的氧气浓度a0。
6.一种应用权利要求1所述装置进行控制的方法，其特征在于，包括应用权利要求5所述标定方法进行标定后进行的以下步骤：
实时获取VH、IH，计算加热电阻R＝VH/IH；
若R>R0，减小PWM信号的占空比，使R＝R0；否则，增加占空比，使R＝R0。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括氧气浓度的测量步骤：实时获取泵电流IP，计算氧气浓度a＝a0×IP/IP0。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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