氧化锆基高温传感器控制补偿电路及方法

技术领域

本发明属于汽车电子传感检测领域，更具体地，涉及一种氧化锆基高温传感器控制补偿电路及方法。

背景技术

汽车排放的尾气和工业烟气中主要包含NOx、SO

现有的氧化锆基高温气体传感器温度控制方法更多集中在露点保护、加热驱动方面，通常是基于铂加热器的温度电阻特性实现温度测量，例如基于三线制铂加热丝温度电阻特性实现温度测量。三线制加热器与两线制加热器的温度控制方法和精度不同，同时，铂加热器长时间工作也会产生老化衰减，温度电阻系数发生漂移。此外，基于加热器温度电阻特性的温度控制，不能准确反映固态电解质单元的实际工作温度。虽然博世公司开发了针对五线宽域氧传感器专用芯片，集成了内阻测量功能，但其基于直流脉冲法实现，该专用芯片不具有通用性。因此，如何降低氧化锆基固态电解质单元内阻衰减对传感器温度控制和测量性能的影响，具有重要研究意义。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种氧化锆基高温传感器控制补偿电路及方法，其目的在于针对氧化锆基固态电解质单元内阻衰减对传感器温度控制和测量性能的影响进行补偿修正。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种氧化锆基高温传感器控制补偿电路，其特征在于，包括：内阻测量单元、微控制器和加热驱动单元；所述内阻测量单元和所述微控制器协同工作，以测量计算所述氧化锆基高温传感器的内阻；所述微控制器根据所述氧化锆基高温传感器的工作时间以及所述内阻调整目标温度值，并根据所述内阻相对于参考电阻的偏差值进行模糊PID控制，从而输出加热控制信号；所述加热驱动单元根据所述加热控制信号驱动传感器加热器，使得所述氧化锆基高温传感器的温度达到所述目标温度值。

更进一步地，所述微控制器还用于计算所述氧化锆基高温传感器的内阻衰减系数，并根据所述内阻衰减系数对所述氧化锆基高温传感器测得的感应电压进行补偿。

更进一步地，所述微控制器控制所述传感器加热器工作在第一功率，测量所述氧化锆基高温传感器在第一温度下的第一内阻；工作设定时间后，所述微控制器控制所述传感器加热器工作在所述第一功率，测量所述氧化锆基高温传感器在所述第一温度下的第二内阻；所述内阻衰减系数等于所述第二内阻与所述第一内阻之比。

更进一步地，所述微控制器中存储有内阻衰减系数与感应电压补偿量之间的对应关系。

更进一步地，所述内阻测量单元包括：交流信号发生电路、内阻测量参考电路和高通滤波电路；所述交流信号发生电路施加交流电压信号u至所述氧化锆基高温传感器，得到内阻测量信号并经所述高通滤波电路滤波后输出至所述微控制器；所述交流信号发生电路输出交流电压信号u经所述内阻测量参考电路分压，得到内阻测量参考信号并经所述高通滤波电路滤波后输出至所述微控制器；所述微控制器根据接收到的两路信号计算所述内阻。

更进一步地，所述内阻为：

其中，r为所述内阻，u

更进一步地，所述交流信号发生电路输出交流电压信号u经所述高通滤波电路滤波后输出至所述微控制器；所述微控制器还用于根据滤波后的内阻测量参考信号与滤波后的交流电压信号u判断所述交流信号发生电路是否达到预期稳定标准，并在达到时计算所述内阻。

更进一步地，所述微控制器中存储有不同工作时间段下内阻与温度之间的非线性特性曲线；所述微控制器根据相应的非线性特性曲线以及所述内阻，确定所述目标温度值。

按照本发明的另一个方面，提供了一种氧化锆基高温传感器控制补偿方法，包括：测量计算所述氧化锆基高温传感器的内阻；根据所述氧化锆基高温传感器的工作时间以及所述内阻调整目标温度值，并根据所述内阻相对于参考电阻的偏差值进行模糊PID控制，从而输出加热控制信号；根据所述加热控制信号驱动传感器加热器，使得所述氧化锆基高温传感器的温度达到所述目标温度值。

更进一步地，还包括：计算所述氧化锆基高温传感器的内阻衰减系数，并根据所述内阻衰减系数对所述氧化锆基高温传感器测得的感应电压进行补偿。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)提供了一种氧化锆基高温传感器控制补偿电路，考虑了传感器内阻衰减温度控制的影响，基于实时测得的内阻，对温度控制的目标温度进行补偿修正，提高了温度控制的精度，从而提高了传感器的检测精度；

(2)进一步考虑了传感器内阻衰减对传感器检测精度的影响，基于实时的内阻衰减系数，对传感器的感测电压进行补偿修正，进一步提高了传感器的检测精度；

(3)内阻测量采用正弦交流信号，实现了内阻和感应信号的同步测量，具有通用性，能够适用所有的氧化锆基固态，具有更广的适用范围。

附图说明

图1为本发明实施例提供的氧化锆基高温传感器控制补偿电路的结构框图；

图2为本发明实施例提供的氧化锆基高温传感器控制补偿电路的电路图；

图3为本发明实施例提供的温度内阻特性关系曲线示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为内阻测量单元，11为交流信号发生电路，12为内阻测量参考电路，13为高通滤波电路，14为低通滤波电路，15为偏置电路，2为微控制器，3为加热驱动单元。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

图1为本发明实施例提供的氧化锆基高温传感器控制补偿电路的结构框图。参阅图1，结合图2-图3，对本实施例中氧化锆基高温传感器控制补偿电路进行详细说明。

氧化锆基高温传感器控制补偿电路包括内阻测量单元1、微控制器2和加热驱动单元3。内阻测量单元1和微控制器2协同工作，以测量计算氧化锆基高温传感器的内阻。微控制器2根据氧化锆基高温传感器的工作时间以及内阻调整目标温度值，并根据内阻相对于参考电阻的偏差值进行模糊PID控制，从而输出加热控制信号。加热驱动单元3根据加热控制信号驱动传感器加热器，从而使得氧化锆基高温传感器的温度达到目标温度值。

本实施例中的氧化锆基高温传感器控制补偿电路，实时测量氧化锆基高温传感器的内阻后，通过模糊PID控制算法，计算加热器温度控制占空比，从而生成相应的加热控制信号以控制加热器。

根据本发明的实施例，微控制器2中存储有不同工作时间段下内阻与温度之间的非线性特性曲线，其根据相应的非线性特性曲线以及内阻，确定目标温度值。即，微控制器2根据氧化锆基高温传感器的工作时间，选择相应的非线性特性曲线，基于实时测得的内阻，结合所选择的非线性特性曲线，确定目标温度值。

根据本发明的实施例，微控制器2还用于计算氧化锆基高温传感器的内阻衰减系数，并根据内阻衰减系数对氧化锆基高温传感器测得的感应电压进行补偿。

微控制器2计算氧化锆基高温传感器的内阻衰减系数的具体过程为：微控制器2控制传感器加热器工作在第一功率P

微控制器2中存储有内阻衰减系数与感应电压补偿量之间的对应关系。该对应关系可以是依据大量的实验数据所建立的，微控制器2根据该对应关系，基于计算得到的内阻衰减系数，对氧化锆基高温传感器测得的感应电压进行补偿。

本发明实施例中，针对氧化锆基高温传感器的批次特性，建立初始内阻-温度特性曲线、老化后的内阻-温度特性曲线、初始内阻-感应电压特性曲线、老化后的内阻-感应电压特性曲线，如图3所示。

V

V

在传感器工作初始状态，以特定功率P

本发明实施例还提供了一种优选的内阻测量单元结构，如图1和图2所示。优选地，内阻测量单元1包括交流信号发生电路11、内阻测量参考电路12和高通滤波电路13。

交流信号发生电路11施加交流电压信号u至氧化锆基高温传感器，得到内阻测量信号并经高通滤波电路13滤波后输出至微控制器2。交流信号发生电路11输出交流电压信号u经内阻测量参考电路12分压，得到内阻测量参考信号并经高通滤波电路13滤波后输出至微控制器2。微控制器2根据接收到的两路信号计算内阻。

根据本发明的实施例，测得的氧化锆基高温传感器的内阻为：

其中，r为内阻，u

进一步优选的，交流信号发生电路11输出交流电压信号u经高通滤波电路13滤波后输出至微控制器2。微控制器2还用于根据滤波后的内阻测量参考信号与滤波后的交流电压信号u判断交流信号发生电路11是否达到预期稳定标准，并在达到预期稳定标准时计算内阻。以此来保证计算得到的内阻的准确性和精度。

参阅图1所示氧化锆基高温传感器控制补偿电路的结构框图，交流信号发生电路11通过信号线与氧化锆基高温传感器的固态电解质单元的电极连接，通过电极加载交流电压信号u以测量固态电解质单元的内阻，从而输出相应的内阻测量电压信号(即内阻测量信号)，内阻测量电压信号分为两路，分别经高通滤波电路13和低通滤波电路14后到达微控制器2，所有信号均通过偏置电路15叠加偏置电压以满足微控制器2的信号采集要求；交流信号发生电路11还连接有内阻测量参考电路12，交流信号发生电路11输出交流电压信号u依次经内阻测量参考电路和高通滤波电路13到达微控制器2。微控制器2通过ADC采集端口分别采集到达其端口的信号，计算得到实时内阻，经过模糊PID运算后输出实时加热控制信号至加热驱动模块，实现传感器的温度控制。

如图2所示，交流信号发生电路11可以设计为正弦交流信号发生电路，例如将其频率设置为f＝1/(2π*R

高通滤波电路13有三个，输入分别连接至内阻测量参考电路的输出网络TEMREF1、内阻测量的输出网络TEST、交流信号发生电路输出网络SINE，经过数据处理得到相应信号的实时峰值电压并输出至微控制器的三个ADC采样端口。低通滤波电路的输入连接至内阻测量的输出网络TEST，输出连接至微控制器的ADC4采样端口。通过低通滤波器获取固态电解质单元在正常工作状态下的能斯特感应电压信号。

滤波器截止频率需与正弦交流信号的频率相适应，本实施实例中，高通滤波电路截止频率例如设置为800Hz，低通滤波电路截止频率例如设置为31Hz。

本发明实施例提供的氧化锆基高温传感器控制补偿电路，采用正弦交流信号实现内阻和感应信号的同步测量，具有通用性，能够适用所有的氧化锆基固态；并采用智能方法实现传感器内阻衰减温度控制的影响的补偿修正，提高了传感器的内阻测量、温度控制的精度，并提高了传感器检测精度。

本发明实施例还提供了一种氧化锆基高温传感器控制补偿方法，包括操作S1-操作S3。

操作S1，测量计算氧化锆基高温传感器的内阻。

操作S2，根据氧化锆基高温传感器的工作时间以及内阻调整目标温度值，并根据内阻相对于参考电阻的偏差值进行模糊PID控制，从而输出加热控制信号。

操作S3，根据加热控制信号驱动传感器加热器，使得氧化锆基高温传感器的温度达到目标温度值。

根据本发明的实施例，方法还包括：计算氧化锆基高温传感器的内阻衰减系数，并根据内阻衰减系数对氧化锆基高温传感器测得的感应电压进行补偿。

本实施例中氧化锆基高温传感器控制补偿方法，与图1-图3所示实施例中氧化锆基高温传感器控制补偿电路的工作原理相同，本实施例未尽之细节，可以参阅图1-图3所示实施例中氧化锆基高温传感器控制补偿电路。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。