CN113325051A - 氮氧传感器泵氧装置、氮氧传感器及其泵氧方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车尾气处理技术领域，公开了一种氮氧传感器泵氧装置、氮氧传感器及其泵氧方法，氮氧传感器泵氧装置包括信号处理模块和泵氧模块，信号处理模块用于检测并根据一泵电极的一泵电流信号、参比电极的参比感应电势信号处理得到提前泵氧信号，以及发送提前泵氧信号给泵氧模块；其中，参比感应电势信号为主泵电极与参比电极之间的氧浓度差产生的电势差叠加到参比电极上所产生，主泵电极的电势为预设值；泵氧模块用于连接信号处理模块，用于根据接收到的提前泵氧信号调整主泵电极与一泵电极之间的主泵一泵电势差，以对一腔室泵氧。本发明提供的氮氧传感器泵氧装置解决了解决现有技术中氮氧传感器中氮氧化合物的浓度测量不准确的问题。

Description

氮氧传感器泵氧装置、氮氧传感器及其泵氧方法

技术领域

本发明涉及汽车尾气处理领域，尤其涉及一种氮氧传感器泵氧装置、氮氧传感器及其泵氧方法。

背景技术

电流型氮氧传感器是基于三氧化二铝和氧化锆基体(掺杂氧化钇等材料)的陶瓷材料而制成，由于其耐高温耐腐蚀、寿命长、对气体敏感等优点，广泛应用于柴油车尾气中氮氧化物的检测。其检测原理是，在超过300摄氏度后，通过在氧化锆基体的两侧施加电压，氧化锆可以通过氧离子的迁移导电，从而形成电流。在柴油车排放过程中，尾气即待测气体中含有氮氧化合物、氧、碳氢化合物等气体，经氮氧传感器中的一腔室后，待测气体中的氧气会在电压和高温作用下被泵出到氮氧传感器外，剩下的待测气体进入到氮氧传感器中的二腔室，在催化剂作用下氮氧化合物分解成氧气和氮气，分解的氧气会再次被泵出到氮氧传感器外，通过分解的氧气泵出时产生的氧离子电流即可计算出氮氧化合物的浓度。

现有技术中一腔室泵氧响应速度慢，导致过多的氧气进入到二腔室，超出二腔室泵氧能力范围，导致二腔室泵氧不能维持平衡，使得氮氧化合物测量处有过多的氧气富集，测量处测量的氧离子电流比实际氮氧化合物分解的氧离子电流偏大，使得氮氧化合物的浓度测量值并非真实值。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种氮氧传感器泵氧装置、氮氧传感器及其泵氧方法，可解决现有技术中氮氧传感器中氮氧化合物的浓度测量不准确的技术问题。

本发明第一方面提供了一种氮氧传感器泵氧装置，该装置包括：

信号处理模块，用于检测氮氧传感器内的一泵电极的一泵电流信号、参比电极的参比感应电势信号，根据所述一泵电流信号和所述参比感应电势信号处理得到提前泵氧信号，以及发送所述提前泵氧信号给泵氧模块；其中，所述参比感应电势信号为所述氮氧传感器内的主泵电极与所述参比电极之间的氧浓度差产生的电势差叠加到所述参比电极上所产生，所述主泵电极的电势为预设值；

所述泵氧模块，用于连接所述信号处理模块，用于根据接收到的所述提前泵氧信号调整所述主泵电极与所述一泵电极之间的主泵一泵电势差，以调整所述一泵电极的氧离子电流，以对所述氮氧传感器内的一腔室泵氧。

可选的，该装置还包括控制模块，用于连接所述信号处理模块，用于检测所述氮氧传感器内的二泵电极与所述参比电极之间的二泵参比电势差信号、所述二泵电极的二泵电流信号，根据所述二泵参比电势差信号和所述二泵电流信号处理得到需调信号，以及发送所述需调信号给所述信号处理模块；其中，所述二泵参比电势差信号为所述二泵电极与所述参比电极之间的氧浓度差所产生；

所述信号处理模块，还用于根据所述一泵电流信号、所述参比感应电势信号和接收到的所述需调信号处理得到反馈泵氧信号，以及发送所述反馈泵氧信号给所述泵氧模块；

所述泵氧模块，还用于根据接收到的所述反馈泵氧信号调整所述主泵电极与所述一泵电极之间的主泵一泵电势差，以调整所述一泵电极的氧离子电流，以对所述一腔室泵氧，直到所述二泵电流信号的电流值达到预设电流值以及所述二泵参比电势差信号的电势差达到预设电势差。

可选的，所述信号处理模块包括第一处理模块，用于检测并处理所述一泵电流信号；所述第一处理模块包括第一运算放大器、第一电阻、第一电容和第二电阻；

所述第一运算放大器的反相输入端用于接收所述一泵电流信号，还分别连接所述第一电阻的一端、所述第一电容的一端；

所述第一电阻的另一端分别连接所述第一电容的另一端、所述第一运算放大器的输出端；

所述第一运算放大器的输出端还连接所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端连接所述第一运算放大器的正相输入端；

所述第一运算放大器的电源端接入第一预设电压，其接地端接地。

可选的，所述信号处理模块还包括第二处理模块，用于检测并处理所述参比感应电势信号；所述第二处理模块包括第二运算放大器、第三电阻、第四电阻、第二电容、第五电阻；

所述第二运算放大器的正相输入端用于接收所述参比感应电势信号，其反相输入端分别连接所述第三电阻的一端、所述第四电阻的一端、所述第二电容的一端；

所述第三电阻的另一端接地，所述第四电阻的另一端分别连接所述第二电容的另一端、所述第五电阻的一端，所述第五电阻的另一端连接所述第二运算放大器的输出端；

所述第二运算放大器的电源端连接第二预设电压，其接地端接地。

可选的，所述第二处理模块还包括钳位二极管、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第九电阻；

所述钳位二极管的负极分别连接所述第二电容的另一端、所述第六电阻的一端，所述第六电阻的另一端分别连接所述钳位二极管的钳位端、所述第七电阻的一端；

所述第七电阻的另一端分别连接所述钳位二极管的正极、所述第八电阻的一端，所述第八电阻的另一端连接所述第二运算放大器的接地端；

所述钳位二极管的负极还连接所述第九电阻的一端，所述第九电阻的另一端连接所述第一运算放大器的正相输入端。

可选的，所述第二处理模块还包括分压电路，所述分压电路的第一输入端连接所述第六电阻的一端，其第二输入端连接所述第七电阻的另一端，其第一输出端连接所述二泵电极，其第二输出端连接测量电极。

可选的，该装置还包括第十电阻、第十一电阻、第三电容和第四电容；

所述控制模块还用于连接所述第十电阻的一端，所述第十电阻的另一端分别连接所述第十一电阻的一端、所述第三电容的一端，所述第三电容的另一端接地，所述第十一电阻的另一端分别连接所述第四电容的一端、所述第一运算放大器的正相输入端，所述第四电容的另一端接地。

本发明第二方面提供了一种氮氧传感器，包括芯体本体和如上述所述的泵氧装置，所述泵氧装置用于对所述芯体本体内的一腔室进行泵氧。

本发明第三方面提供了一种氮氧传感器的泵氧方法，该方法包括：

检测氮氧传感器内的一泵电极的一泵电流信号、所述参比电极的参比感应电势信号，根据所述一泵电流信号和所述参比感应电势信号处理得到提前泵氧信号；其中，所述参比感应电势信号为所述氮氧传感器内的主泵电极与所述参比电极之间的氧浓度差产生的电势差叠加到所述参比电极上所产生，所述主泵电极的电势为预设值；

根据所述提前泵氧信号调整所述主泵电极与一泵电极之间的主泵一泵电势差，以调整所述一泵电极的氧离子电流，以对所述氮氧传感器内的一腔室泵氧。

可选的，该方法还包括：

检测所述氮氧传感器内的二泵电极与所述参比电极之间的二泵参比电势差信号、所述二泵电极的二泵电流信号，根据所述二泵参比电势差信号和所述二泵电流信号处理得到需调信号；其中，所述二泵参比电势差信号为所述二泵电极与所述参比电极之间的氧浓度差所产生；

根据所述需调信号、所述一泵电流信号、所述参比感应电势信号处理得到反馈泵氧信号；

根据所述反馈泵氧信号调整所述主泵电极与所述一泵电极之间的主泵一泵电势差，以调整所述一泵电极的氧离子电流，以对所述一腔室泵氧，直到所述二泵电流信号的电流值达到预设电流值以及所述二泵参比电势差信号的电势差达到预设电势差。

本发明公开了一种氮氧传感器泵氧装置，该装置包括信号处理模块和泵氧模块，信号处理模块用于检测并处理一泵电流信号、参比感应电势信号，发送处理得到的提前泵氧信号；泵氧模块用于连接信号处理模块，用于根据接收到的提前泵氧信号调整主泵电极与一泵电极之间的电势差，以对一腔室泵氧，本装置可以在待测气体进入二腔室之前，通过检测参比感应电势信号和一泵电流信号来改变主泵电极与一泵电极之间的电势差，以对一腔室泵氧，从而提前降低一腔室待测气体的氧浓度，避免氧浓度增大的待测气体扩散到二腔室中，避免超出二腔室泵氧范围，使得二腔室泵氧可以维持平衡，使得测量电极测出的氮氧化物的浓度更准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的氮氧传感器的芯体本体的结构示意图；

图2为本发明实施方式一提供的氮氧传感器泵氧装置的结构示意图；

图3为本发明实施方式二提供的氮氧传感器泵氧装置中信号处理模块的第一处理模块的电路图；

图4为本发明提供的氮氧传感器泵氧装置中信号处理模块的第一处理模块的另一种电路图；

图5为本发明实施方式三提供的氮氧传感器泵氧装置中信号处理模块的第二处理模块的电路图；

图6为本发明实施方式四提供的氮氧传感器泵氧装置中控制模块的工作原理图；

图7为本发明实施方式五提供的氮氧传感器泵氧装置腔室内电参数与氧浓度之间的关系图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而非全部实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为本发明提供的氮氧传感器的芯体本体的结构示意图。

如图1所示，氮氧传感器的芯体本体包括一腔室、二腔室和参比腔室，芯体本体内设置有主泵电极、一泵电极、二泵电极、测量电极、参比电极和加热电极，一泵电极设置在一腔室内，二泵电极和测量电极设置在二腔室内，参比电极与参比腔室连通，参比腔室与外界空气连通。一腔室前有扩散障，一腔室和二腔室中间设置有隔离障，扩散障和隔离障为多孔氧化铝，让待测气体按照一定速度进入一腔室和二腔室内。

各电极分别接入不同的预设电压，主泵电极的电势为V0，一泵电极的电势为V1，二泵电极的电势为V2，测量电极的电势为V3，参比电极的电势为V4。较佳的，V0的值不变，且大于V1、V2、V3的值，V4的值可大于、等于或小于V0的值。一泵电极的氧离子电流I1、二泵电极的氧离子电流I2、测量电极的氧离子电流I3的流向均是从主泵电极流出，那么氧离子就会聚集到主泵电极上形成氧气而被泵出。

现有技术中，给加热电极通入电流，以加热芯体本体，在芯体本体的温度在600至850摄氏度之间时，芯体本体成为导体。通过在氧化锆基体中的各电极之间施加电压，氧化锆可以通过氧离子的迁移导电，从而形成氧离子电流，即可以将一腔室和二腔室内的待测气体中的氧气以氧离子电流的形式泵出到芯体本体外，从而使得进入二腔室内的待测气体几乎不含氧气，只含有氮氧化物，氮氧化物经测量电极上催化剂催化还原反应分解分解成氮气和氧气，分解出的氧气在主泵电极和测量电极之间的电压作用下被泵到芯体本体外，根据测量电极处泵出的氧气量可以计算出待测气体中氮氧化物的浓度。通过测量各电极的氧离子电流的大小即可计算出一腔室和二腔室内待测气体中的氧浓度大小以及氮氧化物的浓度大小。其中，一腔室内待测气体中的氧气不能被完全泵出，否则氮氧化物在一腔室内就会分解成氮气和氧气。

现有技术中，给一泵电极施加电压把待测气体中的氧气泵出，控制氧含量在3-5百万分比体积分数(防止氮氧化物在一腔室发生还原反应)，待测气体进入二腔室后，二泵电极把一腔室进入的氧气继续泵出，使二腔室氧含量趋近为10-3百万分比体积分数，避免待测气体中的氧气进入到测量电极影响测试结果。

现有技术中，通过二泵电极的氧离子电流I2来判断进入二腔室的待测气体的氧浓度是否发生改变，从而控制一腔室中主泵电极与一泵电极之间的主泵一泵电势差V01来泵氧，进而调节进入二腔室待测气体的氧浓度，但是，在检测到二泵电极的氧离子电流I2改变之前，进入二腔室内的待测气体的氧浓度已经发生改变，这样就会导致二腔室内测量电极的氧离子电流I3发生改变，计算出来的待测气体中氮氧化合物的浓度也会不准确。因此，现有技术中存在二腔室感应氧浓度变化滞后的技术缺陷。

需要说明的是，两电极之间的电势差一定，氧浓度越大，氧离子电流越大，两电极之间的氧浓度一定，电势差越大，氧离子电流越大。

其他电极(例如主泵电极、一泵电极、二泵电极、测量电极)与参比电极之间的氧浓度差越大(或小)，根据能斯特原理，其他电极与参比电极之间的电势差越小(或大)。其他电极与参比电极之间只存在电势差，并不存在电流。参比电极和空气连通，空气中氧浓度在19.5％至23.5％之间，在本申请一些实施方式中，参比腔室中的氧浓度始终为20.9％，而其他电极处的氧浓度通常小于空气中氧浓度。

需要说明的是，尾气即待测气体通过扩散的方式分步逐渐进入氮氧传感器芯体本体的腔室内部。待测气体通入氮氧传感器芯体本体按照时间先后顺序分为三个阶段。阶段1：待测气体在芯体本体的头部表面扩散；阶段2：待测气体通过一腔室前的隔离障进入一腔室；阶段3：待测气体穿过第一腔室后的扩散障进入二腔室。

当待测气体的氧浓度发生改变时，在第一阶段，待测气体中的氧气首先在主泵电极附近的基体上扩散，根据能斯特原理，主泵电极和参比电极之间的电压V04在该阶段发生改变，由于主泵电极的电势V0不变，那么参比电极的电势V4在该阶段发生改变。在第二阶段，当待测气体扩散进入一腔室后，一腔室的氧浓度发生改变，使得一泵电极的氧离子电流I1在此阶段发生改变。在第三阶段，待测气体进入二腔室后，二腔室中的氧浓度发生改变，在该阶段二泵电极的氧离子电流I2发生改变，当然，根据能斯特原理，二泵电极和参比电极之间的电压V24也发生改变。

请参阅图2，图2为本发明实施方式一提供的氮氧传感器泵氧装置的结构示意图。

本发明第一方面提供了一种氮氧传感器泵氧装置，如图2所示，该装置包括信号处理模块1和泵氧模块2，其中，

信号处理模块1，用于检测并处理氮氧传感器内的一泵电极的一泵电流信号、参比电极的参比感应电势信号，发送处理得到的提前泵氧信号给泵氧模块2。其中，主泵电极的电势V0为预设值，该预设值选为2.0伏-2.5伏。参比感应电势信号为主泵电极与参比电极之间的氧浓度差产生的电势差施加到参比电极上所产生。

需要说明的是，主泵电极与参比电极上均接入了预设电压，两电极之间已经存在一个电势差，而根据能斯特原理，当主泵电极与参比电极之间存在氧浓度差时，主泵电极与参比电极之间会感应出电势差，由于主泵电极的电势V0不变，那么感应出的电势差就会叠加到参比电极上形成参比电极的电势V4，检测的参比感应电势信号就是参比电极的电势V4的信号。

较佳的，结合图1至图2，主泵电极的电势V0不变，当主泵电极与参比电极之间的氧浓度差发生变化时，根据能斯特原理，参比电极的电势V4改变。进入一腔室的待测气体的氧浓度改变，一泵电极的氧离子电流I1也会改变。因此，根据上面的原理描述，在第一阶段和第二阶段，待测气体的氧浓度改变，一泵电极的氧离子电流I1和参比电极的电势V4会发生改变。

相应的，一泵电流信号为一泵电极的氧离子电流I1的信号，参比感应电势信号为参比电极的电势V4的信号。通过检测一泵电极的氧离子电流I1和参比电极的电势V4，即可知道待测气体的氧浓度发生变化，进而可对一腔室提前泵氧，避免氧浓度已经改变的待测气体进入二腔室。

如图1至图2所示，泵氧模块2，用于连接信号处理模块1，用于根据接收到的提前泵氧信号调整主泵电极与一泵电极之间的主泵一泵电势差V01，以调整一泵电极的氧离子电流I1，以对氮氧传感器内的一腔室泵氧。

事实上，主泵电极的电势V0是不变的，因此，只需要调整一泵电极的电势V1即可改变主泵电极与一泵电极之间的电势差V01，从而改变一泵电极的氧离子电流I1，改变一腔室泵氧的速率。

例如，待测气体的氧浓度增大，待测气体在主泵电极的基体表面扩散时，由于施加在主泵电极上的电势V0的电磁力作用，氧气会吸附在主泵电极上，主泵电极处的氧浓度增大，根据能斯特原理，主泵电极与参比电极之间的电势差变小，而主泵电极的电势V0不变，那么参比电极的电势V4变小。

比如，主泵电极的电势V0为定值2.3伏，当主泵电极处氧浓度分别为0、10％、20.9％时，主泵电极与参比电极之间氧浓度差产生的电势差V04分别为-0.2伏、-0.1伏、0伏，参比电极的电势V4分别为2.5伏、2.4伏、2.3伏。

由于待测气体通入一腔室之前，先在主泵电极的基体表面扩散，通过检测到的改变的参比电极的电势V4，就可以提前知道待测气体的氧浓度发生改变，为提前泵氧做好准备。

待测气体继续进入一腔室，氧浓度增大，主泵电极与一泵电极之间的主泵一泵电势差V01不变，那么一泵电极的氧离子电流I1变大。

此时，待测气体的氧浓度增大，导致一泵电极的氧离子电流I1变大和参比电极的电势V4变小，检测一泵电极的氧离子电流I1和参比电极的电势V4，即可通过减小一泵电极的电势V1，从而增大主泵电极与一泵电极之间的主泵一泵电势差V01，从而使一泵电极的氧离子电流I1变更大，加快一腔室泵氧，降低一腔室内待测气体的氧浓度，从而避免氧浓度增大的待测气体扩散到二腔室中。

本发明公开了一种氮氧传感器泵氧装置，该装置包括信号处理模块和泵氧模块，信号处理模块用于检测并处理一泵电流信号、参比感应电势信号，发送处理得到的提前泵氧信号；泵氧模块用于连接信号处理模块，用于根据接收到的提前泵氧信号调整主泵电极与一泵电极之间的电势差，以对一腔室泵氧，本装置可以在待测气体进入二腔室之前，通过检测参比感应电势信号和一泵电流信号来改变主泵电极与一泵电极之间的电势差，以对一腔室泵氧，从而提前降低一腔室待测气体的氧浓度，避免氧浓度增大的待测气体扩散到二腔室中，避免超出二腔室泵氧范围，使得二腔室泵氧可以维持平衡，使得测量电极测出的氮氧化物的浓度更准确。

进一步的，如图2所示，该装置还包括控制模块3，用于连接信号处理模块1，用于检测二泵电极与参比电极之间的二泵参比电势差信号、二泵电极的二泵电流信号，根据二泵参比电势差信号和二泵电流信号处理得到需调信号，以及发送需调信号给信号处理模块。其中，二泵参比电势差信号为二泵电极与参比电极之间的氧浓度差所产生。二泵电流信号即为二泵电极的氧离子电流I2的信号。

控制模块3可以为单片机、FPGA(Field Programmable GateArray，现场可编程逻辑门阵列)、PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)、ECU(ElectronicControl Unit，电子控制单元)、DCU(Drive Control Unit，驱动控制单元)等，较佳的，本实施方式中可选用ECU或DCU作为控制模块3。

信号处理模块1，还用于根据一泵电流信号、参比感应电势信号和接收到的需调信号处理得到反馈泵氧信号，以及发送反馈泵氧信号。此处的需调信号为电压信号。

泵氧模块2，还用于根据接收到的反馈泵氧信号调整主泵电极与一泵电极之间的主泵一泵电势差V01，以对一腔室泵氧，直到二泵电流信号的电流值达到预设电流值以及二泵参比电势差信号的电势差达到预设电势差。

较佳的，二泵参比电势差V24达到预设电势差，预设电势差为410毫伏-450毫伏之间的定值，二泵电极的氧离子电流I2的电流值达到预设电流值，预设电流值为5微安-9微安之间的定值。

进一步的，该装置还包括电源模块(图2中未示出)，电源模块用于向信号处理模块1供电。较佳的，电源模块还用于向控制模块3供电。

进一步的，控制模块3采用PWM(Pulse width modulation，脉冲宽度调制)波形式输出需调信号。

请参阅图3，图3为本发明实施方式二提供的氮氧传感器泵氧装置中信号处理模块的第一处理模块的电路图。

进一步的，如图3所示，信号处理模块1包括第一处理模块，用于检测并处理一泵电流信号。第一处理模块包括第一运算放大器A1、第一电阻R1、第一电容C1和第二电阻R2。

第一运算放大器A1的反相输入端用于接收一泵电流信号，还分别连接第一电阻R1的一端、第一电容C1的一端。

第一电阻R1的另一端分别连接第一电容C1的另一端、第一运算放大器A1的输出端。

第一运算放大器A1的输出端还连接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端即图3中的A端连接第一运算放大器A1的正相输入端，用于将一泵电流信号转换得到的电势输出叠加到一泵电极的电势V1。

第一运算放大器A1的电源端接入第一预设电压，其接地端接地。其中，第一预设电压为3伏-30伏。

请参阅图4，图4为本发明提供的氮氧传感器泵氧装置中信号处理模块的第一处理模块的另一种电路图。

如图4所示，现有技术中，相较于图3，第一处理模块还包括第三运算放大器A3和第十二电阻R12。

第三运算放大器A3的正相输入端分别连接第一运算放大器A1输出端、第十二电阻R12的一端，所述第十二电阻R12的另一端接地。

第三运算放大器A3的反相输入端分别连接第三运算放大器A3的输出端、第二电阻的一端。

第三运算放大器A3的电源端接入第三预设电压，其接地端接地。其中，第三预设电压为3伏-30伏。

图4所示的现有技术中第三运算放大器A3和第十二电阻R12的作用是将输入其正相输入端的电流转换成电势输出。而图3所示的本申请实施方式中去掉了第三运算放大器A3和第十二电阻R12，第一运算放大器A1的输出端输出的电流流过第二电阻R2即可转换成电势直接输出到第一运算放大器A1的正相输入端。相较于图4中的现有技术，图3中的本申请实施方式提供的第一处理模块结构简单且成本较低，由于去掉了一个运算放大器和一个电阻，降低了复杂电路结构带来的误差放大率，使得第一处理模块输出的电势更加稳定。

需要说明的是，现有技术中，通常需要使用至少2个运算放大器将一泵电极的氧离子电流I1转换并反馈到一泵电极的电势V1。而本申请只需要一个运算放大器就可以将一泵电极的氧离子电流I1转换并反馈给一泵电极的电势V1，减少了过多运算放大器带来的噪声干扰，同时提高了泵氧响应速度。

请参阅图5，图5为本发明实施方式三提供的氮氧传感器泵氧装置中信号处理模块的第二处理模块的电路图。

进一步的，如图5所示，信号处理模块1还包括第二处理模块，用于检测并处理参比感应电势信号。第二处理模块包括第二运算放大器A2、第三电阻R3、第四电阻R4、第二电容C2、第五电阻R5。此处的第二处理模块的功能是将参比电极的电势V4进行放大和RC(Resistor Capacitance，电阻电容)滤波处理，放大倍数为1-2倍。

第二运算放大器A2的正相输入端用于接收参比感应电势信号，其反相输入端分别连接第三电阻R3的一端、第四电阻R4的一端、第二电容C2的一端。

第三电阻R3的另一端接地，第四电阻R4的另一端分别连接第二电容C2的另一端、第五电阻R5的一端，第五电阻R5的另一端连接第二运算放大器A2的输出端。

第二运算放大器A2的电源端连接第二预设电压，其接地端接地。其中，第二预设电压为3伏-30伏。

进一步的，如图5所示，第二处理模块还包括钳位二极管D、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8和第九电阻R9。此处的第二处理模块增加的器件的功能是将放大和滤波处理后的参比电极的电势V4进行钳位。

钳位二极管D的负极分别连接第二电容C2的另一端、第六电阻R6的一端，第六电阻R6的另一端分别连接钳位二极管D的钳位端、第七电阻R7的一端。

第七电阻R7的另一端分别连接钳位二极管D的正极、第八电阻R8的一端，第八电阻R8的另一端连接第二运算放大器A2的接地端。

钳位二极管D的负极还连接第九电阻R9的一端，第九电阻R9的另一端即图4中的B端连接第一运算放大器A1的正相输入端，用于将参比感应电势信号转换得到的电势输出叠加到一泵电极的电势V1。

进一步的，如图5所示，第二处理模块还包括分压电路，用于将钳位后的参比电极的电势V4进行分压。分压电路的第一输入端连接第六电阻R6的一端，其第二输入端连接第七电阻R7的另一端，其第一输出端即D端连接二泵电极，输出二泵电极的电势V2，其第二输出端即E端连接测量电极，输出测量电极的电势V3。

如图6所示，图6为本发明实施方式四提供的氮氧传感器泵氧装置中控制模块的工作原理图。

进一步的，如图6所示，该装置还包括第十电阻R10、第十一电阻R11、第三电容C3和第四电容C4。

控制模块3还用于连接第十电阻R10的一端，第十电阻R10的另一端分别连接第十一电阻R11的一端、第三电容C3的一端，第三电容C3的另一端接地，第十一电阻R11的另一端分别连接第四电容C4的一端、第一运算放大器A1的正相输入端，第四电容C4的另一端接地。

控制模块3用于检测二泵电流信号和二泵参比电势差信号，根据二泵电流信号和二泵参比电势差信号处理得到需调信号，需要说明的是，控制模块3输出的需调信号为PWM方波电流信号，经过第十电阻R10、第十一电阻R11、第三电容C3和第四电容C4滤波后形成电势并输出叠加到一泵电极的电势V1。

需要说明的是，如图3、图5和图6所示，图3中的A端、图5中的B端和图6中的C端均连接到图3中第一运放放大器A1的正相输入端，分别用于将一泵电流信号转换得到的电势、将参比感应电势信号转换得到的电势以及将二泵电流信号和二泵参比电势差信号转换成需调信号并滤波后得到的电势，均叠加到一泵电极的电势V1。因此，当检测到的一泵电流信号、参比感应电势信号、二泵电流信号和二泵参比电势差信号改变时，就可以通过改变叠加到一泵电势上而形成的电势V1来改变主泵电极与一泵电极之间的主泵一泵电势差，从而对一腔室泵氧，从而提前降低一腔室待测气体的氧浓度，避免氧浓度增大的待测气体扩散到二腔室中，避免超出二腔室泵氧范围，使得二腔室泵氧可以维持平衡，使得测量电极测出的氮氧化物的浓度更准确。

在本发明实施方式中，通过控制一泵电极的电势V1及氧离子电流I1、二泵电极和参比电极之间的二泵参比电势差V24、二泵电极的氧离子电流I2，来促使一腔室和二腔室内的泵氧达到平衡，完成待测气体中氮氧化物的浓度的测量。

随着待测气体通过扩散依次进入一腔室和二腔室，二腔室内氧气的动态平衡被打破，腔室内的泵氧通道只有两条途径，一条途径是通过给一腔室的一泵电极施加电压，通过改变主泵电极和一泵电极之间的主泵一泵电势差V01来改变一腔室的泵氧能力，主泵电极和一泵电极之间的主泵一泵电势差V01越大，泵氧能力越强(即一泵电极的氧离子电流I1越大)。另一条途径是通过对二腔室的二泵电极施加电压，通过改变主泵和二泵电极电压来改变泵氧能力，由于二腔室的泵氧能力有限，氧浓度的改变主要是通过一腔室的泵氧来完成。

请参阅图7，图7为本发明实施方式五提供的氮氧传感器泵氧装置腔室内电参数与氧浓度之间的关系图。

实例性的，如图7所示，待测气体中氧浓度变化首先引起的一泵电极的氧离子电流I1的变化、以及主泵电极与参比电极之间的参比感应电势V04的变化，通过信号运算处理后得到提前泵氧信号，不经过反馈调节直接输入给一泵电极，提前对主泵电极与一泵电极之间的主泵一泵电势差V01进行调整，使得通过一腔室进入二腔室的待测气体的氧浓度维持在二腔室的泵氧能力范围内，控制模块3通过测量二腔室的二泵电极的氧离子电流I2，计算出需调电压，然后与一泵电极的氧离子电流I1、主泵电极与参比电极之间的参比感应电势V04，共同经过信号处理后反馈给一泵电极，对一泵电极的电势V1进行微调，即相当于对主泵电极与一泵电极之间的主泵一泵电势差V01进行微调，使得二腔室的氧浓度处于一个动态平衡。

在本发明一个具体实施方式中，为了维持二腔室的氧平衡，需要通过控制方法将二泵电极与参比电极之间的二泵参比电势差V24和二泵电极的氧离子电流I2维持在恒定值。在本申请一些实施方式中，如图6所示，二泵参比电势差V24为410毫伏-450毫伏之间的定值，二泵电极的氧离子电流I2为5微安-9微安之间的定值。

在电路设计上，将主泵电极对地电压V0固定在2伏-2.5伏之间的一个恒定值，在第一阶段扩散中参比电极电势的变化反映了待测气体中氧浓度的变化，图7中主泵电极对参比电极的电势差V04和主泵电极对一泵电极的电势差V01成正相关，因此参比电极的电势V4与一泵电极的电势V1也呈正相关关系。为了维持二泵参比电势差V24为410毫伏-450毫伏之间的定值，在电路设计上利用稳压管，将二泵参比电势差V24始终钳位在这之间的一个定值。

通过图5中第二处理模块的放大、钳位和分压作用，使二泵电极的电压输入端与参比电极的电压输入端之间的电势差V24为410毫伏-450毫伏之间的定值，因此二泵电极的电势V2的变化是通过参比电极的电势V4的变化来自动调整，不需要其他的干预。

在经过图3和图5的电压叠加后作为超前调节的电压输入到一泵电极，使一腔室泵氧的主泵一泵电势差V01发生改变，从而改变泵氧能力，对一腔室的氧浓度进行超前调节，调节后使得进入二腔室的氧浓度在调节能力范围内，测量并将二泵电极的氧离子电流I2输入给控制模块3，控制模块3通过PID(Proportion Integral Differential，比例积分微分)调节后，输出PWM波形式的需调电压信号，通过图6的两级RC滤波后由C端输入到图3的A端，对一腔室泵氧电势差进行微调，保持一腔室和二腔室的泵氧平衡。

本发明公开了一种氮氧传感器泵氧装置，该装置包括信号处理模块和泵氧模块，信号处理模块用于检测并处理一泵电流信号、参比感应电势信号，发送处理得到的提前泵氧信号；泵氧模块用于连接信号处理模块，用于根据接收到的提前泵氧信号调整主泵电极与一泵电极之间的电势差，以对一腔室泵氧，本装置可以在待测气体进入二腔室之前，通过检测参比感应电势信号和一泵电流信号来判断待测气体的氧浓度是否发生改变，若发生改变，就改变主泵电极与一泵电极之间的电势差来对一腔室泵氧，从而提前降低一腔室待测气体的氧浓度，避免氧浓度增大的待测气体扩散到二腔室中。本装置可提前对一腔室泵氧，避免过多的氧气进入二腔室，避免超出二腔室泵氧范围，使得二腔室泵氧可以维持平衡，使得测量电极测出的氮氧化物的浓度更准确。

本发明第二方面提供了一种氮氧传感器，包括芯体本体和上述任一所述的泵氧装置，泵氧装置用于对芯体本体内的一腔室进行泵氧。

泵氧装置的结构、工作原理与上述本发明第一方面提供的泵氧装置的结构、工作原理完全相同，此处不再赘述。

本发明第三方面提供了一种氮氧传感器的泵氧方法，该方法包括：

检测氮氧传感器内的一泵电流信号、参比感应电势信号并处理得到提前泵氧信号。其中，氮氧传感器内的主泵电极的电势V0为预设值，参比感应电势信号为主泵电极与参比电极之间的氧浓度差产生的电势差叠加到参比电极上所产生。

根据提前泵氧信号调整主泵电极与一泵电极之间的主泵一泵电势差V01，以调整一泵电极的氧离子电流I1，以对氮氧传感器内的一腔室泵氧，避免氧浓度已经变化的待测气体进入二腔室。

进一步的，该方法还包括：

检测氮氧传感器内的二泵电极与参比电极之间的二泵参比电势差信号、二泵电流信号，根据二泵参比电势差信号和二泵电流信号处理得到需调信号。其中，二泵参比电势差信号为二泵电极与参比电极之间的氧浓度差所产生。

根据需调信号、一泵电流信号、参比感应电势信号处理得到反馈泵氧信号。

根据反馈泵氧信号调整主泵电极与一泵电极之间的主泵一泵电势差V01，以调整一泵电极的氧离子电流I1，以对一腔室泵氧，直到二泵电流信号的电流值达到预设电流值以及二泵参比电势差信号的电势差达到预设电势差。

较佳的，二泵参比电势差V24达到预设电势差，预设电势差为410毫伏-450毫伏之间的定值，二泵电极的氧离子电流I2的电流值达到预设电流值，预设电流值为5微安-9微安之间的定值。

本发明公开了一种氮氧传感器的泵氧方法，该方法包括：检测一泵电极的一泵电流信号、参比电极的参比感应电势信号，根据一泵电流信号和参比感应电势信号处理得到提前泵氧信号，根据提前泵氧信号调整主泵电极与一泵电极之间的主泵一泵电势差，以对一腔室泵氧，从而提前降低一腔室待测气体的氧浓度，避免氧浓度增大的待测气体扩散到二腔室中，避免超出二腔室泵氧范围，使得二腔室泵氧可以维持平衡，使得测量电极测出的氮氧化物的浓度更准确。

在上述实施方式中，对各个实施方式的描述都各有侧重，某个实施方式中没有详述的部分，可以参见其它实施方式的相关描述。以上为对本发明所提供的氮氧传感器泵氧装置、氮氧传感器及其泵氧方法的描述，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施方式的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种氮氧传感器泵氧装置，其特征在于，该装置包括信号处理模块和泵氧模块，其中，

所述信号处理模块，用于检测氮氧传感器内的一泵电极的一泵电流信号、参比电极的参比感应电势信号，根据所述一泵电流信号和所述参比感应电势信号处理得到提前泵氧信号，以及发送所述提前泵氧信号给所述泵氧模块；其中，所述参比感应电势信号为所述氮氧传感器内的主泵电极与所述参比电极之间的氧浓度差产生的电势差叠加到所述参比电极上所产生，所述主泵电极的电势为预设值；

所述泵氧模块，用于连接所述信号处理模块，用于根据接收到的所述提前泵氧信号调整所述主泵电极与所述一泵电极之间的主泵一泵电势差，以调整所述一泵电极的氧离子电流，以对所述氮氧传感器内的一腔室泵氧。

2.如权利要求1所述的氮氧传感器泵氧装置，其特征在于，该装置还包括控制模块，用于连接所述信号处理模块，用于检测所述氮氧传感器内的二泵电极与所述参比电极之间的二泵参比电势差信号、所述二泵电极的二泵电流信号，根据所述二泵参比电势差信号和所述二泵电流信号处理得到需调信号，以及发送所述需调信号给所述信号处理模块；其中，所述二泵参比电势差信号为所述二泵电极与所述参比电极之间的氧浓度差所产生；

所述信号处理模块，还用于根据所述一泵电流信号、所述参比感应电势信号和接收到的所述需调信号处理得到反馈泵氧信号，以及发送所述反馈泵氧信号给所述泵氧模块；

所述泵氧模块，还用于根据接收到的所述反馈泵氧信号调整所述主泵电极与所述一泵电极之间的主泵一泵电势差，以调整所述一泵电极的氧离子电流，以对所述一腔室泵氧，直到所述二泵电流信号的电流值达到预设电流值以及所述二泵参比电势差信号的电势差达到预设电势差。

3.如权利要求2所述的氮氧传感器泵氧装置，其特征在于，所述信号处理模块包括第一处理模块，用于检测并处理所述一泵电流信号；所述第一处理模块包括第一运算放大器、第一电阻、第一电容和第二电阻；

所述第一运算放大器的反相输入端用于接收所述一泵电流信号，还分别连接所述第一电阻的一端、所述第一电容的一端；

所述第一电阻的另一端分别连接所述第一电容的另一端、所述第一运算放大器的输出端；

所述第一运算放大器的输出端还连接所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端连接所述第一运算放大器的正相输入端；

所述第一运算放大器的电源端接入第一预设电压，其接地端接地。

4.如权利要求3所述的氮氧传感器泵氧装置，其特征在于，所述信号处理模块还包括第二处理模块，用于检测并处理所述参比感应电势信号；所述第二处理模块包括第二运算放大器、第三电阻、第四电阻、第二电容、第五电阻；

所述第二运算放大器的正相输入端用于接收所述参比感应电势信号，其反相输入端分别连接所述第三电阻的一端、所述第四电阻的一端、所述第二电容的一端；

所述第三电阻的另一端接地，所述第四电阻的另一端分别连接所述第二电容的另一端、所述第五电阻的一端，所述第五电阻的另一端连接所述第二运算放大器的输出端；

所述第二运算放大器的电源端连接第二预设电压，其接地端接地。

5.如权利要求4所述的氮氧传感器泵氧装置，其特征在于，所述第二处理模块还包括钳位二极管、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第九电阻；

所述钳位二极管的负极分别连接所述第二电容的另一端、所述第六电阻的一端，所述第六电阻的另一端分别连接所述钳位二极管的钳位端、所述第七电阻的一端；

所述第七电阻的另一端分别连接所述钳位二极管的正极、所述第八电阻的一端，所述第八电阻的另一端连接所述第二运算放大器的接地端；

所述钳位二极管的负极还连接所述第九电阻的一端，所述第九电阻的另一端连接所述第一运算放大器的正相输入端。

6.如权利要求5所述的氮氧传感器泵氧装置，其特征在于，所述第二处理模块还包括分压电路，所述分压电路的第一输入端连接所述第六电阻的一端，其第二输入端连接所述第七电阻的另一端，其第一输出端连接所述二泵电极，其第二输出端连接测量电极。

7.如权利要求6所述的氮氧传感器泵氧装置，其特征在于，该装置还包括第十电阻、第十一电阻、第三电容和第四电容；

所述控制模块还用于连接所述第十电阻的一端，所述第十电阻的另一端分别连接所述第十一电阻的一端、所述第三电容的一端，所述第三电容的另一端接地，所述第十一电阻的另一端分别连接所述第四电容的一端、所述第一运算放大器的正相输入端，所述第四电容的另一端接地。

8.一种氮氧传感器，其特征在于，包括芯体本体和如权利要求1-7任一所述的泵氧装置，所述泵氧装置用于对所述芯体本体内的一腔室进行泵氧。

9.一种氮氧传感器的泵氧方法，其特征在于，该方法包括：

检测氮氧传感器内的一泵电极的一泵电流信号、所述参比电极的参比感应电势信号，根据所述一泵电流信号和所述参比感应电势信号处理得到提前泵氧信号；其中，所述参比感应电势信号为所述氮氧传感器内的主泵电极与所述参比电极之间的氧浓度差产生的电势差叠加到所述参比电极上所产生，所述主泵电极的电势为预设值；

根据所述提前泵氧信号调整所述主泵电极与一泵电极之间的主泵一泵电势差，以调整所述一泵电极的氧离子电流，以对所述氮氧传感器内的一腔室泵氧。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

检测所述氮氧传感器内的二泵电极与所述参比电极之间的二泵参比电势差信号、所述二泵电极的二泵电流信号，根据所述二泵参比电势差信号和所述二泵电流信号处理得到需调信号；其中，所述二泵参比电势差信号为所述二泵电极与所述参比电极之间的氧浓度差所产生；

根据所述需调信号、所述一泵电流信号、所述参比感应电势信号处理得到反馈泵氧信号；

根据所述反馈泵氧信号调整所述主泵电极与所述一泵电极之间的主泵一泵电势差，以调整所述一泵电极的氧离子电流，以对所述一腔室泵氧，直到所述二泵电流信号的电流值达到预设电流值以及所述二泵参比电势差信号的电势差达到预设电势差。

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