基于宽域氧传感器的空燃比分析仪设计与实现

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1、基于宽域氧传感器的空燃比分析仪设计与实现童應婿厘搜谢建军邹杰篚家文宁波大学信息科学与工程学院根据LSU4.9宽域氧传感器的特性，采用通用元件、以STM32F103作为控制算法的实现平台，展开了空燃比分析仪的设计与实现。在硬件方而，以LSU4.9宽域氧传感器中氧化锆的负温度系数（NTC）特性为基础，提出了一种通过交流电压比较内阻值的方式控制氧传感器的温度。此方法不仅简化了电路，而且消除了因测量电路的差异性所产生的影响;在软件方面，针对泵电流存在的摄动，提出了采用比例一积分一微分神经网络（HDNN）算法实现对氧传感器的反馈控制。实验表明：设计的空燃比分析仪可满足快速启动的要求，且能在0%l2.

2、1%的氧气浓度范围内实现准确测量，动态响应时间短，能良好地跟踪环境氧气浓度的变化。关键词：空燃比分析仪;宽域氧传感器;控制电路;比例一积分一微分神经网络;宽域氧传感器是其中的重要元件，可实现高温尾气中氧气浓度的实时准确测量。但宽域氧传感器必须配备相对应的控制电路，对其实现完整的闭环控制才能正常工作m。合肥工业大学对宽域氧传感器的控制电路开展了软硬件各方面的研宄，特别对于软件，提出了多种控制算法。益科创新技术有限公司m的空燃比分析仪已投放市场，但其产品的控制电路基于博世专用的控制芯片CJ125设计，不具有独立的知识产权。本文设计了基于宽域氧传感器的空燃比分析仪，其主要组成为宽域氧传感器、控制

3、电路和人机交界面。宽域氧传感器选用LSU4.9宽域氧传感器。该传感器具有测氧范围宽，稳定性好，环境适应能力强等优点，常作为敏感元件用于废气中氧气浓度和A值(指实际空燃比与理论空燃比的比值)的测量。本文从硬件和软件两方面介绍了控制电路的设计和实现过程，实现了对宽域氧传感器的信号检测以及温度和能斯特电动势的反馈控制。人机交互界面实现用户通过计算机上位机软件与空燃比分析仪系统进行交流，并实时显示泵电流、氧气浓度、温度的数字和动态图形，以及对测量参数的读取和存储。测试实验表明：所设计的空燃比分析仪满足快速启动的耍求，并且可在0%~12.1%的氧气浓度范围内实现准确测量，动态响应时间短，可良好地跟踪

4、环境氧气浓度的变化，广泛适用于高温混合气燃烧状态控制，发动机校验与标定等各种场合。1控制电路硬件设计基丁•宽域氧传感器的工作原理，设计的空燃比分析仪由宽域氧传感器、控制电路和人机交互界面三部分组成。系统功能模块如图1所示。图1系统功能模块1.1温度检测与控制模块宽域氧传感器能斯特电池内阻Rr„lern,的阻值和温度存在负温度系统(negativetemperaturecoefficient,NTC)特性关系，因此，对于传感器温度的检测，采用间接测量R.nterna,的方式来实现。根据能斯特电池内阻的特点本文采用交流电压比较法获得当前内阻值与目标A阻值的差值，从而控制宽域氧传感器的温度。具体

5、实现方式为:对内阻器和外接的参考电阻器R。加同一固定频率、固定幅值的交流信号，通过比较W电阻器上获得的交流信号幅值，检测内阻值的变化，判定出宽域氧传感器所处的温度状态。温度检测与控制模块括以下三个部分：交流信号源产生电路、交流电压比较电路、加热驱动电路。1.1.1交流信号源产生电路宽域氧传感器在目标工作温度点时，能斯特电池等效内阻值为3000，由此将参考电阻器阻值定为300QM。采用基于交流电压比较法的内阻值测量方式，控制电路需产生一路交流信号。在设计上利用数字显示示波器(digitaldisplayscope,DDS)信号产生芯片AD9833,产生1kHz,20mV的交流信号作用于能斯特

6、电池(在进行能斯特电池A阻值测量时，传感器可承受频率在1^4kHz,电流250uA以内的交流信号和参考电阻器，当两者的交流分压的幅度一致吋，可判定宽域氧传感器的温度位于0标温度值。图2交流信号源产生电路1.1.2交流电压比较电路交流电压比较电路实现对能斯特电池内阻器和参考电阻器上交流电压的采集和比较。对于两个交流信号，由于其中含有直流成分且交流幅度很小，需要进行放大，滤波，AD采集。采用高输入阻抗仪用放大器INA129进行两个交流电压信号做差与差值电压信号放大。两路比较对象共享一路测量电路，消除了因多路测量电路的差异所带来的影响。图3交流电压比较电路1.1.3加热驱动电路微处理器采集交流电

7、压比较电路的差值电压信号，该信号作为温度控制算法的输入，调节的结果映射为微处理器输出的脉宽调制(pulsewidthmodulation,P丽)波占空比，利用该占空比信号控制加热电路的有效加热电压，对宽域氧传感器加热器进行加热，使宽域氧传感器快速达到工作温度点。1.2能斯特电动势采集模块当能斯特电动势稳定在450mV时，栗电池产生的极限栗电流的大小和方向与被测气体氧气浓度存在一一对应关系。在电路设计中，采集能斯特电动势，