一种气体浓度检测装置，包括传感器元件和电阻器的串联连接的组合，其中ＡＣ电压施加于该组合的外部端子之一，而另一个外部端子保持在固定的电势。利用单独施加确定的放大系数的各个单独电路，从串联连接的组合提取电平由氧气浓度确定的ＤＣ电压信号以及幅值由传感器元件的阻抗进而由传感器元件的激活状态所确定的ＡＣ电压信号，其中所述传感器元件检测氧气浓度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种气体浓度检测装置，尤其涉及用于检测内燃机的 废气中的气体成分，例如氧气等的浓度的气体浓度检测装置。
技术介绍
当前已知多种类型的气体浓度检测装置，它们被用作车辆的发动 机的空燃比传感器(通常缩写为A/F传感器)，利用这种传感器来检测 发动机的废气中的氧气的浓度。特别地，平面型A/F传感器是公知的，其具有包括固态电解质层的传感器元件，以及安装在该层上的一对电 极。当在电极之间施加电压时，该电极流过大小由废气中的氧气浓度 所确定的电流。基于该电流的大小，测量废气的空燃比。利用这种A/F传感器，必须使传感器处于激活条件，以便精确地 检测氧气浓度。传感器元件的阻抗(即，在AC频率的任意特定值下) 根据传感器元件的激活状态而改变，因此，可以测量阻抗，以评价该 元件的激活状态。现有技术中公知的用于同时测量氧气浓度和传感器 元件的阻抗的一种方法是在传感器元件电极的两端施加AC电压，并 检测流经传感器的最终的AC电流的幅值。例如，在日本专利申请的 第二公开No.4-24657(下面将其作为参考文件l)中描述了该方法。用 于实现该检测方法的电路结构的示例如图IO所示。在图10中，传感器元件60的一个端子与电流测量电阻器63、 振荡器62以及参考电压源61(如图所示，参考电压源61连接在振荡器62和接地电势之间)串联，而传感器元件60的另一个端子连接至 接地电势。差分放大器65的输入端子跨接于差分放大器65的端子， 差分放大器65的输出信号通过LPF 66以及通过HPF 67传送。在传 感器元件60与废气接触的情况下，当通过振荡器62和参考电压源 61将AC电压和叠加的DC电压施加于传感器元件60并且最终产生 的传感器电流流入传感器元件60中时，该电流包括大小由废气中的 氧气浓度所确定的分量(DC分量)和幅值由传感器元件60的阻抗所确 定的分量(AC分量)。与传感器电流成比例变化的差分电压信号出现 在电流测量电阻器63的端子之间，同时该差分电压信号被提供至差 分放大器65，从而被放大和转换为相对于系统接地电势变化的电压 信号。利用LPF 66从差分放大器65的输出中提取DC电压信号分量(与 传感器电流的DC分量相对应，其中该DC分量的电平由氧气浓度确 定)，而利用传感器元件60从差分放大器65的输出中提取AC电压 信号分量(与传感器电流的AC分量相对应，该AC分量的幅值由传感 器阻抗确定)。该AC电压信号由整流电路68整流，以获得电平随传 感器元件60的阻抗而变化的电压信号。将来自LPF 66和整流电路68的这些输出(模拟)电压信号输入到 诸如微型计算机等计算装置(数字处理装置)，并且在计算装置中或在 被输入到计算装置之前，将这些信号转换为数字形式。基于这些输入 信号，所述计算装置计算空燃比以及传感器元件阻抗的各个值。通常，在根据氧气浓度变化的传感器电流分量和根据传感器元件 阻抗变化的传感器电流分量的各个值之间存在很大的差异。因此，表 示空燃比的电压信号分量(从电流测量电阻器63输入至差分放大器 65)远小于根据传感器元件阻抗变化的电压信号分量(在某些情况下， 小一个数量级)。因此，例如，如果基于与空燃比相对应的电压信号分量的变化的 期望范围来确定放大程度，那么与传感器元件阻抗相对应的电压信号 分量的幅值的变化可能超过能够由差分放大器65放大的值的范围。 这不仅会导致检测传感器元件阻抗的精确性降低，而且会导致检测空燃比的精确性降低。也就是说，虽然通过使用LPF 66将来自差分放 大器65的输出信号进行平均来提取空燃比捡测信号，但是如果超过 差分放大器65的放大范围的上限，那么来自LPF 66的最终信号将不 能精确表示平均值，这将引起空燃比的测量误差。相反，如果基于随传感器元件阻抗而变化的AC电压信号分量的 幅值的变化的期望范围来预先确定放大程度，那么差分放大器65不 可能独自对空燃比检测分量进行足够的放大。因此，有必要使用附加 的放大器级来进一步放大用于空燃比检测的电压信号分量。但是，这 将导致放大器偏移电压增大的问题，这可能使得空燃比检测的精确性 降低。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过提供一种气体浓度检测装置来克服现有技 术的上述问题，其中废气中的组成气体的浓度检测和该装置的传感器 元件的阻抗检测都可以在高精确度下执行。为了实现上述目的，本专利技术提供了具有传感器元件的气体浓度检 测装置，该传感器元件包括固体电解质层，并且响应于施加的电压以 使传感器电流流过，其中该传感器电流的大小根据测试目标的气体 (例如内燃机的废气)中的特定组成气体的浓度而变化。电流测量电阻 器与传感器元件串联，即电流测量电阻器和传感器元件的相应端子在 连接点相连。AC电压源将AC电压施加于电阻和传感器元件的串联 连接组合的外部端子之一，而参考电压源将固定的DC电压施加于该 串联连接组合的另一个外部端子。结果，流经该串联连接组合的电流由DC电流分量和AC电流分 量组成。此处使用的术语"DC电流分量"表示变化的最大频率远小于 施加的AC电压的变化的最大频率的电流分量。DC电流分量根据特 定组成气体的浓度而变化，AC电流分量根据传感器元件的阻抗(即 AC电压频率处的阻抗)而变化。具体地，如上所述，传感器元件的阻抗根据传感器元件是否被激 活而变化，使得AC电流分量的幅值表示激活状态。第一检测信号输出电路耦合至电流测量电阻器，用于得到与前述 DC电流分量对应的DC电压信号分量，以由此获得第一测量信号， 其中该第一测量信号的电平根据组成气体的浓度而变化。第二检测信 号输出电路耦合至前述的电流测量电阻器和传感器元件之间的连接 点，用于得到与前述AC电流分量对应的AC电压信号分量，并由此 获得第二测量信号，其中该第二测量信号的电平根据传感器元件的阻 抗而变化。利用这种方法，在第一和第二检测信号输出电路包括各自的放大 器电路并分别构造为单独系统的情况下，表示组成气体浓度的DC电 压信号分量和表示传感器元件阻抗的AC电压信号分量可以分别被放 大到不同的适当放大程度。这对于实现检测表示组成气体浓度的电压 信号分量和表示传感器元件阻抗的电压信号分量具有更高程度的精 确性有利，这是由于这些电压信号分量之间的幅值存在很大差异。更具体地，在每次相对于装置的参考接地电势而施加前述串联连 接组合的施加的AC电压和施加的DC电压时，前述连接点处的电压 根据流经串联连接的电流测量电阻器和传感器元件的电流而相对于 接地电势变化。利用本专利技术，即通过将差分放大器的各个输入端(经由LPF)连接 至该电阻器的端子，可以提取DC电压信号分量作为电流测量电阻器 两端出现的差分电压。但是优选地，第一检测信号输出电路的输入端 子耦合至电流测量电阻器和传感器元件之间的连接点，用于得到与 DC电流分量对应的电压信号分量，以作为相对于接地电势而变化的 信号。附图说明图1是示出用于发动机废气的气体浓度检测装置的第一实施例 的整体电路结构的电路图；图2是图1的实施例中使用的传感器元件的横截面图3说明了空燃比传感器的电压/电流特性；图4(a)，4(b),4(c),4(d)，4(e)是用于描述第一实施例的工作的时序 图，示出了当传感器元件的温度增加时，电路参数中出现的变化；图5是与图1对应的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种气体浓度检测装置，包括：传感器元件，该传感器元件包含固体电解质层，并响应于施加的ＤＣ电压以用于流过表示浓度的电流，其中该电流的大小根据测试目标的气体中的特定组成气体的浓度而变化，ＡＣ电压源和ＤＣ电压源，分别用于将ＡＣ电压和所述ＤＣ电压施加于所述传感器元件，在ＡＣ电流通道中与所述传感器元件串联连接的电流测量电阻器，其中，ＡＣ电流分量响应于所述施加的ＡＣ电压流过所述ＡＣ电流通道，以及检测信号输出电路，其用于基于所述表示浓度的电流得到表示所述组成气体的所述浓度的气体浓度检测信号，以及基于所述ＡＣ电流分量，得到表示所述传感器元件的阻抗值的阻抗检测信号；其中，所述检测信号输出电路包括：用于得到所述气体浓度检测信号的第一检测信号输出电路，其耦合至所述电流测量电阻器，用于提取第一电压信号，其中所述第一电压信号的电平根据所述表示浓度的电流的大小而变化，以及用于得到所述阻抗检测信号的第二检测信号输出电路，其耦合至所述电流测量电阻器和所述传感器元件之间的连接点，用于提取第二电压信号，其中所述第二电压信号是ＡＣ信号，其相对于电路接地电势的幅值根据所述ＡＣ电流分量的幅值而变化。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：铃木敏行，川濑友生，黑川英一，河木庸平，
申请(专利权)人：株式会社电装，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
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