基于寬域氧傳感器的空燃比分析儀設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

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1、基于寬域氧傳感器的空燃比分析儀設(shè)計與實(shí)現(xiàn)童應(yīng)婿厘搜謝建軍鄒杰篚家文寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院根據(jù)LSU4.9寬域氧傳感器的特性，采用通用元件、以STM32F103作為控制算法的實(shí)現(xiàn)平臺，展開了空燃比分析儀的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。在硬件方而，以LSU4.9寬域氧傳感器中氧化鋯的負(fù)溫度系數(shù)（NTC）特性為基礎(chǔ)，提出了一種通過交流電壓比較內(nèi)阻值的方式控制氧傳感器的溫度。此方法不僅簡化了電路，而且消除了因測量電路的差異性所產(chǎn)生的影響;在軟件方面，針對泵電流存在的攝動，提出了采用比例一積分一微分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（HDNN）算法實(shí)現(xiàn)對氧傳感器的反饋控制。實(shí)驗(yàn)表明：設(shè)計的空燃比分析儀可滿足快速啟動的要求，且能在0%l2.

2、1%的氧氣濃度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量，動態(tài)響應(yīng)時間短，能良好地跟蹤環(huán)境氧氣濃度的變化。關(guān)鍵詞：空燃比分析儀;寬域氧傳感器;控制電路;比例一積分一微分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);寬域氧傳感器是其中的重要元件，可實(shí)現(xiàn)高溫尾氣中氧氣濃度的實(shí)時準(zhǔn)確測量。但寬域氧傳感器必須配備相對應(yīng)的控制電路，對其實(shí)現(xiàn)完整的閉環(huán)控制才能正常工作m。合肥工業(yè)大學(xué)對寬域氧傳感器的控制電路開展了軟硬件各方面的研宄，特別對于軟件，提出了多種控制算法。益科創(chuàng)新技術(shù)有限公司m的空燃比分析儀已投放市場，但其產(chǎn)品的控制電路基于博世專用的控制芯片CJ125設(shè)計，不具有獨(dú)立的知識產(chǎn)權(quán)。本文設(shè)計了基于寬域氧傳感器的空燃比分析儀，其主要組成為寬域氧傳感器、控制

3、電路和人機(jī)交界面。寬域氧傳感器選用LSU4.9寬域氧傳感器。該傳感器具有測氧范圍寬，穩(wěn)定性好，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，常作為敏感元件用于廢氣中氧氣濃度和A值(指實(shí)際空燃比與理論空燃比的比值)的測量。本文從硬件和軟件兩方面介紹了控制電路的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)過程，實(shí)現(xiàn)了對寬域氧傳感器的信號檢測以及溫度和能斯特電動勢的反饋控制。人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)用戶通過計算機(jī)上位機(jī)軟件與空燃比分析儀系統(tǒng)進(jìn)行交流，并實(shí)時顯示泵電流、氧氣濃度、溫度的數(shù)字和動態(tài)圖形，以及對測量參數(shù)的讀取和存儲。測試實(shí)驗(yàn)表明：所設(shè)計的空燃比分析儀滿足快速啟動的耍求，并且可在0%~12.1%的氧氣濃度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量，動態(tài)響應(yīng)時間短，可良好地跟蹤

4、環(huán)境氧氣濃度的變化，廣泛適用于高溫混合氣燃燒狀態(tài)控制，發(fā)動機(jī)校驗(yàn)與標(biāo)定等各種場合。1控制電路硬件設(shè)計基丁?寬域氧傳感器的工作原理，設(shè)計的空燃比分析儀由寬域氧傳感器、控制電路和人機(jī)交互界面三部分組成。系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。圖1系統(tǒng)功能模塊1.1溫度檢測與控制模塊寬域氧傳感器能斯特電池內(nèi)阻Rr?lern,的阻值和溫度存在負(fù)溫度系統(tǒng)(negativetemperaturecoefficient,NTC)特性關(guān)系，因此，對于傳感器溫度的檢測，采用間接測量R.nterna,的方式來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)能斯特電池內(nèi)阻的特點(diǎn)本文采用交流電壓比較法獲得當(dāng)前內(nèi)阻值與目標(biāo)A阻值的差值，從而控制寬域氧傳感器的溫度。具體

5、實(shí)現(xiàn)方式為:對內(nèi)阻器和外接的參考電阻器R。加同一固定頻率、固定幅值的交流信號，通過比較W電阻器上獲得的交流信號幅值，檢測內(nèi)阻值的變化，判定出寬域氧傳感器所處的溫度狀態(tài)。溫度檢測與控制模塊括以下三個部分：交流信號源產(chǎn)生電路、交流電壓比較電路、加熱驅(qū)動電路。1.1.1交流信號源產(chǎn)生電路寬域氧傳感器在目標(biāo)工作溫度點(diǎn)時，能斯特電池等效內(nèi)阻值為3000，由此將參考電阻器阻值定為300QM。采用基于交流電壓比較法的內(nèi)阻值測量方式，控制電路需產(chǎn)生一路交流信號。在設(shè)計上利用數(shù)字顯示示波器(digitaldisplayscope,DDS)信號產(chǎn)生芯片AD9833,產(chǎn)生1kHz,20mV的交流信號作用于能斯特

6、電池(在進(jìn)行能斯特電池A阻值測量時，傳感器可承受頻率在1^4kHz,電流250uA以內(nèi)的交流信號和參考電阻器，當(dāng)兩者的交流分壓的幅度一致吋，可判定寬域氧傳感器的溫度位于0標(biāo)溫度值。圖2交流信號源產(chǎn)生電路1.1.2交流電壓比較電路交流電壓比較電路實(shí)現(xiàn)對能斯特電池內(nèi)阻器和參考電阻器上交流電壓的采集和比較。對于兩個交流信號，由于其中含有直流成分且交流幅度很小，需要進(jìn)行放大，濾波，AD采集。采用高輸入阻抗儀用放大器INA129進(jìn)行兩個交流電壓信號做差與差值電壓信號放大。兩路比較對象共享一路測量電路，消除了因多路測量電路的差異所帶來的影響。圖3交流電壓比較電路1.1.3加熱驅(qū)動電路微處理器采集交流電

7、壓比較電路的差值電壓信號，該信號作為溫度控制算法的輸入，調(diào)節(jié)的結(jié)果映射為微處理器輸出的脈寬調(diào)制(pulsewidthmodulation,P麗)波占空比，利用該占空比信號控制加熱電路的有效加熱電壓，對寬域氧傳感器加熱器進(jìn)行加熱，使寬域氧傳感器快速達(dá)到工作溫度點(diǎn)。1.2能斯特電動勢采集模塊當(dāng)能斯特電動勢穩(wěn)定在450mV時，栗電池產(chǎn)生的極限栗電流的大小和方向與被測氣體氧氣濃度存在一一對應(yīng)關(guān)系。在電路設(shè)計中，采集能斯特電動勢，