CN201159726Y - 一种氧化钛型氧传感器 - Google Patents

Abstract

一种氧化钛型氧传感器，该氧传感器包括氧化钛型测量传感电阻、氧化钛型参考传感电阻和电源电路，其特征在于，所述电源电路包括第一恒流源电路和第二恒流源电路，所述氧传感器还包括信号处理单元，所述氧化钛型测量传感电阻和氧化钛型参考传感电阻的一端接地，另一端分别接所述第一恒流源电路和第二恒流源电路的输出端，并分别接所述信号处理单元的两个信号输入端，所述信号处理单元的信号输出端作为该氧化钛型氧传感器的信号输出端。该氧传感器能够在氧气浓度变化很宽的范围准确消除温度的影响，使测量更加精确，且结构简单，易于实现，所用器件少，降低了成本。

Description

一种氧化钛型氧传感器

技术领域

本实用新型涉及一种氧化钛型氧传感器。

背景技术

随着人们生活水平的提高，汽车逐渐成为人们日常的消费品，为了达到各国排放法规的标准，现在，汽车上普遍都加装有三元催化反应器。三元催化反应器在理论空燃比(14.7∶1)附近时净化率最高，一旦偏离理论空燃比，三元催化反应器对CO、HC和NOx的净化能力将急剧下降，故在排气管中安装氧传感器，借助氧传感器提供的浓度反馈信息对三元催化反应器进行闭环控制，从而将混合气的空燃比控制在理论值附近。

现有的汽车氧传感器主要有两种类型：氧化锆型和氧化钛型。考虑到氧化锆型氧传感器容易出现“铅中毒”现象，因此国内外许多厂家把研究的重点集中到了氧化钛型氧传感器上。氧化钛型氧传感器是一种电阻型传感器，易受温度变化的影响，因此有必要对氧化钛型氧传感器进行温度补偿。在已有的电路温度补偿技术中，一般采用桥式电路，如图4所示，电阻R15～R18为运算放大器A3的外围电路，桥式电路的对应桥臂的一侧分别放置物理特性完全相同的氧化钛型传感电阻R12和R14，它们的温度相同，对应桥臂另一侧分别放置电阻R11和R13。所述传感电阻R12放置于固定氧浓度环境中作参考电阻，所述电阻R14放置于尾气管中作测量电阻，U3和U4分别为参考电压和测量电压，V_o1为输出电压，此时输出电压为：

$V_{01}=U_4-U_3=\frac{R14}{R13+R14}{V}_{\mathrm{cc}}-\frac{R12}{R11+R12}{V}_{\mathrm{cc}}=\frac{R11*R14-R12*R13}{(R13+R14)(R11+R12)}{V}_{\mathrm{cc}}$

从输出电压公式可以看出：在一定温度条件下，当氧浓度不大时，所述电阻R14的阻值与R12的阻值很小，分母近似为常数，输出只与所述电阻R14和R12有关，并成正比关系；而当氧浓度变大时，电阻R14阻值与R12阻值成指数级增长，这时桥式电路的输出电压与传感器电阻阻值成复杂的非线性关系，这为根据输出电压大小计算氧浓度含量加大了误差。因此，这种方法只有在很窄的氧气浓度变化范围内才能够消除温度变化的影响，达到温度补偿的目的。但是汽车中氧浓度的变化范围比较大，不适合利用此方法进行温度测量和补偿。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种氧化钛型氧传感器，它能够在氧气浓度变化很宽的范围准确消除温度的影响，减少检测误差从而使根据输出电压大小计算氧浓度含量的数值更加精确。

为实现上述目的，本实用新型提供的一种氧化钛型氧传感器包括氧化钛型测量传感电阻、氧化钛型参考传感电阻、信号处理单元和电源电路，其中，所述电源电路包括第一恒流源电路和第二恒流源电路，所述氧化钛型参考传感电阻和氧化钛型测量传感电阻的一端分别与所述第一恒流源电路和第二恒流源电路的输出端连接，并分别与所述信号处理单元的两个信号输入端连接，所述信号处理单元的信号输出端作为该氧化钛型氧传感器的信号输出端。

本实用新型提供的氧传感器在使用时所述氧化钛型参考传感电阻和氧化钛型测量传感电阻的另一端接地，将氧化钛型测量传感电阻和氧化钛型参考传感电阻安装在环境温度相同的位置，所述电源电路中的第一和第二恒流源电路分别为所述氧化钛型参考传感电阻和氧化钛型测量传感电阻提供相同恒定的电流，所述氧传感器的输出信号与信号处理单元两个信号输入端电压值的差成线性关系，又所述信号输入端的电压值分别与所述氧化钛型参考传感电阻和氧化钛型测量传感电阻的阻值成线性关系，因此，所述氧传感器的输出信号与所述氧化钛型参考传感电阻和氧化钛型测量传感电阻的阻值的差值成线性关系，所以即便氧浓度变化很大，所述氧传感器也能消除温度变化对检测结果所产生的误差，只反映汽车尾气中氧的浓度，达到温度补偿的目的。该氧化钛型氧传感器的信号输出端可连接到汽车的ECU，输出信号可以直接进入ECU进行控制处理，得到与温度无关的氧浓度值。这样，该氧传感器能够在氧气浓度变化很宽的范围准确消除温度的影响，使检测更加精确，且结构简单，易于实现，所用器件少，降低了成本。

附图说明

图1为本实用新型提供的氧化钛型氧传感器的电路原理图；

图2为氧化钛型参考传感电阻R2和氧化钛型测量传感电阻R3的安装位置结构图；

图3为第一或第二恒流源电路的电路原理图；

图4为具有桥式温度补偿电路的氧化钛型氧传感器的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

如图1、图2所示，本实用新型提供的一种氧化钛型氧传感器包括氧化钛型测量传感电阻R3、氧化钛型参考传感电阻R2、信号处理单元5和电源电路6，其中，所述电源电路6包括第一恒流源电路3和第二恒流源电路4，所述氧化钛型参考传感电阻R2和氧化钛型测量传感电阻R3的一端分别与所述第一恒流源电路3和第二恒流源电路4的输出端连接，并分别与所述信号处理单元5的两个信号输入端连接，所述信号处理单元5的信号输出端作为该氧化钛型氧传感器的信号输出端。

所述氧化钛型测量传感电阻R3位于汽车尾气管1内，用于检测尾气管1内的氧浓度，所述氧化钛型参考传感电阻R2位于与氧化钛型测量传感电阻R3环境温度相同的尾气管1附近。所述氧化钛型氧传感器的信号输出端可以连汽车的ECU，将检测到的氧浓度信号传给ECU。在使用时所述氧化钛型参考传感电阻R2和氧化钛型测量传感电阻R3的另一端接地。

所述氧化钛型测量传感电阻R3和氧化钛型参考传感电阻R2为本领域技术人员公知的电阻，这种电阻主要是二氧化钛半导体材料，其阻值大小随氧离子浓度的变化而变化，因而可以用来检测汽车尾气管1中的氧离子浓度。

优选地，所述氧传感器还包括密封容器2，所述氧化钛型参考传感电阻R2位于该密封容器2中。所述密封容器2安装在所述氧化钛型测量传感电阻R3附近的汽车尾气管1内壁上，所述密封容器2内部与氧化钛型测量传感电阻R3的环境温度保持一致。所述密封容器2中气体的氧含量是固定的，密封容器2与汽车尾气管1内壁有良好的热接触，使密封容器2中的温度和汽车尾气管1内的温度总是保持一致。

如图1所示，所述信号处理单元5包括电阻R4、R5、R6、R7和运算放大器A2，所述运算放大器A2的正向输入端和地之间接电阻R6，运算放大器A2的反向输入端和输出端之间接电阻R7，电阻R4和R5的一端分别接所述运算放大器A2的正向输入端和反向输入端，另一端分别作为信号处理单元5的信号输入端P2和P1，并分别接所述第二恒流源电路4和第一恒流源电路3的输出端，所述运算放大器A2的输出端作为信号处理单元5的输出端。

如图3所示，所述第一恒流源电路3或第二恒流源电路4包括稳压电源VCC、稳压二极管D1、运算放大器A1、电阻R1和三极管Q1，所述稳压电源VCC接稳压二极管D1的负极和电阻R1的一端，电阻R1的另一端接所述三极管Q1的集电极，所述稳压二极管D1的阳极接所述运算放大器A1的正向输入端，运算放大器A1的输出端接其反向输入端，同时接所述三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极作为所述第一恒流源电路3或第二恒流源电路4的输出端。所述第一恒流源电路3和第二恒流源电路4共用同一个稳压电源VCC。所述三极管Q1为NPN型三极管。

所述稳压电源VCC、稳压二极管D1、运算放大器A1和A2、电阻R1～R7和三极管Q1为本领域技术人员公知，在此不多作描述。

下面阐述本实用新型的工作原理。

所述稳压二极管D1两端的电压为一恒定值，所述运算放大器A1实现的功能是电压跟随，其正向输入端的电压与输出端的电压相等，三极管Q1的基极和集电极处于动态导通，因此电阻R1两端的电压等于所述稳压二极管D1两端的电压，且恒定。由欧姆定律可知流过电阻R1的电流也为一恒定值。由于三极管Q1的基极电流非常微弱，因此可以忽略，这样三极管Q1的发射极输出的电流即为一恒定值。

所述信号处理单元5包括电阻R4、R5、R6、R7和运算放大器A2，所述运算放大器A2的正向输入端和地之间接电阻R6，运算放大器A2的反向输入端和输出端之间接电阻R7，电阻R4和R5的一端分别接所述运算放大器A2的正向输入端和反向输入端，另一端分别作为信号处理单元5的信号输入端P2和P1，并分别接所述第二恒流源电路4和第一恒流源电路3的输出端，所述运算放大器A2的输出端作为信号处理单元5的输出端。

所述第一恒流源电路3输出电流通过氧化钛型参考传感电阻R2，在信号处理单元5的端口P1处可得到参考电压U1，所述第二恒流源电路4的输出电流通过氧化钛型测量传感电阻R3，在信号处理单元5的端口P2处可得到检测电压U2。所述电压U1和U2分别与所述氧化钛型参考传感电阻R2和氧化钛型测量传感电阻R3的阻值成线性关系。运算放大器A2与电阻R4、R5、R6、R7构成减法电路，运算放大器A2输出电压为V_o＝U₂-U₁。从已知的氧化钛型氧传感器检测的氧浓度与电阻值的对应关系中可以得到氧浓度与氧化钛型氧传感器输出电压的对应关系，根据对应关系可以计算出尾气管1中氧含量为P₀+ΔP，其中P₀为所述氧化钛型参考传感电阻R2处的参考氧浓度，ΔP为与输出电压有关的氧浓度值，它是输出电压V_o的非线性函数，即ΔP＝f(V_o)，则尾气管1中氧浓度为P₀+f(V_o)。表1所示为封闭容器2中氧浓度(即参考氧浓度)为1％，温度分别为600℃和800℃的条件下，所测得的氧化钛型参考传感电阻R2和氧化钛型测量传感电阻R3的电阻值，U1和U2的电压值，输出电压V_o和尾气氧浓度数据。从表1中可以看出由于所述氧传感器中氧化钛型参考传感电阻R2和氧化钛型测量传感电阻R3的环境温度相同，所述氧传感器的测量数据与环境温度没有关系，因此检测到的尾气管1中氧含量的数据消除了温度的影响，从而达到了温度补偿的目的。

表1

Claims (5)

1、一种氧化钛型氧传感器，该氧传感器包括氧化钛型测量传感电阻(R3)、氧化钛型参考传感电阻(R2)、信号处理单元(5)和电源电路(6)，其特征在于，所述电源电路(6)包括第一恒流源电路(3)和第二恒流源电路(4)，所述氧化钛型参考传感电阻(R2)和氧化钛型测量传感电阻(R3)的一端分别与所述第一恒流源电路(3)和第二恒流源电路(4)的输出端连接，并分别与所述信号处理单元(5)的两个信号输入端连接，所述信号处理单元(5)的信号输出端作为该氧化钛型氧传感器的信号输出端。

2、根据权利要求1所述的氧化钛型氧传感器，其特征在于，所述氧传感器还包括密封容器(2)，所述氧化钛型参考传感电阻(R2)位于该密封容器(2)中。

3、根据权利要求1所述的氧化钛型氧传感器，其特征在于，所述第一恒流源电路(3)或第二恒流源电路(4)包括稳压电源(VCC)、稳压二极管(D1)、运算放大器(A1)、电阻(R1)和三极管(Q1)，所述稳压电源(VCC)接稳压二极管(D1)的负极和电阻(R1)的一端，电阻(R1)的另一端接所述三极管(Q1)的集电极，所述稳压二极管(D1)的阳极接所述运算放大器(A1)的正向输入端，运算放大器(A1)的输出端接其反向输入端，同时接所述三极管(Q1)的基极，三极管(Q1)的发射极作为所述第一恒流源电路(3)或第二恒流源电路(4)的输出端。

4、根据权利要求3所述的氧化钛型氧传感器，其特征在于，所述第一恒流源电路(3)和第二恒流源电路(4)共用同一个稳压电源(VCC)。

5、根据权利要求1所述的氧化钛型氧传感器，其特征在于，所述信号处理单元(5)包括四个电阻(R4，R5，R6，R7)和运算放大器(A2)，所述运算放大器(A2)的正向输入端和地之间接一电阻(R6)，运算放大器(A2)的反向输入端和输出端之间接另一电阻(R7)，另两个电阻(R4，R5)的一端分别接所述运算放大器(A2)的正向输入端和反向输入端，另一端分别作为信号处理单元(5)的两个信号输入端(P2，P1)，并分别接所述第二恒流源电路(4)和第一恒流源电路(3)的输出端，所述运算放大器(A2)的输出端作为信号处理单元(5)的输出端。

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