一种氧气浓度传感器的控制装置与标定及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术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I

【技术实现步骤摘要】
一种氧气浓度传感器的控制装置与标定及控制方法


[0001]本专利技术属于传感器
，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。

技术介绍

[0002]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。

技术实现思路

[0003]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提出一种氧气浓度传感器的控制装置与标定方法。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0005]本专利技术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。
[0006]本专利技术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：
[0007]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；
[0008]步骤2，获取加热电压V
H
及加热电流I
H
，并计算加热功率P＝V
H
×
I
H
；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]步骤5，当t＝T时，获取V
H
、I
H
，计算并记录加热电阻R0＝V
H
/I
H
，获取并记录泵电流I
P0
，I
P0
对应常温大气中的氧气浓度a0。
[0012]本专利技术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：
[0013]实时获取V
H
、I
H
，计算加热电阻R＝V
H
/I
H
；
[0014]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。
[0015]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0016]应用本专利技术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I
P0
；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I
P
，根据标定好的I
P0
计算氧气浓度a＝a0×
I
P
/I
P0
，能够提高氧气浓度传感器的测量精度。
附图说明
[0017]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；
[0018]图2为本专利技术实施例一种氧气浓度传感器的控制装置的组成框图；
[0019]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。
[0020]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
[0021]下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。
[0022]本专利技术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。
[0023]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。
[0024]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I
P
的大小与氧气浓度成正比，通过测量I
P
计算氧气浓度。
[0025]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。加热电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗淦恩，刘明雄，高宁，
申请(专利权)人：华帝股份有限公司，
类型：发明
国别省市：