具有檢測傳感器元件激活狀態的功能的氣體濃度檢測裝置的制作方法

專利名稱：具有檢測傳感器元件激活狀態的功能的氣體濃度檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種氣體濃度檢測裝置，尤其涉及用于檢測內燃機的 廢氣中的氣體成分，例如氧氣等的濃度的氣體濃度檢測裝置。
背景技術：
當前已知多種類型的氣體濃度檢測裝置，它們被用作車輛的發動 機的空燃比傳感器(通常縮寫為A/F傳感器)，利用這種傳感器來檢測 發動機的廢氣中的氧氣的濃度。特別地，平面型A/F傳感器是公知的，其具有包括固態電解質層的傳感器元件，以及安裝在該層上的一對電 極。當在電極之間施加電壓時，該電極流過大小由廢氣中的氧氣濃度 所確定的電流。基于該電流的大小，測量廢氣的空燃比。利用這種A/F傳感器，必須使傳感器處于激活條件，以便精確地 檢測氧氣濃度。傳感器元件的阻抗(即，在AC頻率的任意特定值下) 根據傳感器元件的激活狀態而改變，因此，可以測量阻抗，以評價該 元件的激活狀態。現有技術中公知的用于同時測量氧氣濃度和傳感器 元件的阻抗的一種方法是在傳感器元件電極的兩端施加AC電壓，并 檢測流經傳感器的最終的AC電流的幅值。例如，在日本專利申請的 第二公開No.4-24657(下面將其作為參考文件l)中描述了該方法。用 于實現該檢測方法的電路結構的示例如圖IO所示。在圖10中，傳感器元件60的一個端子與電流測量電阻器63、 振蕩器62以及參考電壓源61(如圖所示，參考電壓源61連接在振蕩
器62和接地電勢之間)串聯，而傳感器元件60的另一個端子連接至 接地電勢。差分放大器65的輸入端子跨接于差分放大器65的端子， 差分放大器65的輸出信號通過LPF 66以及通過HPF 67傳送。在傳 感器元件60與廢氣接觸的情況下，當通過振蕩器62和參考電壓源 61將AC電壓和疊加的DC電壓施加于傳感器元件60并且最終產生 的傳感器電流流入傳感器元件60中時，該電流包括大小由廢氣中的 氧氣濃度所確定的分量(DC分量)和幅值由傳感器元件60的阻抗所確 定的分量(AC分量)。與傳感器電流成比例變化的差分電壓信號出現 在電流測量電阻器63的端子之間，同時該差分電壓信號被提供至差 分放大器65，從而被放大和轉換為相對于系統接地電勢變化的電壓 信號。利用LPF 66從差分放大器65的輸出中提取DC電壓信號分量(與 傳感器電流的DC分量相對應，其中該DC分量的電平由氧氣濃度確 定)，而利用傳感器元件60從差分放大器65的輸出中提取AC電壓 信號分量(與傳感器電流的AC分量相對應，該AC分量的幅值由傳感 器阻抗確定)。該AC電壓信號由整流電路68整流，以獲得電平隨傳 感器元件60的阻抗而變化的電壓信號。將來自LPF 66和整流電路68的這些輸出(模擬)電壓信號輸入到 諸如微型計算機等計算裝置(數字處理裝置)，并且在計算裝置中或在 被輸入到計算裝置之前，將這些信號轉換為數字形式。基于這些輸入 信號，所述計算裝置計算空燃比以及傳感器元件阻抗的各個值。通常，在根據氧氣濃度變化的傳感器電流分量和根據傳感器元件 阻抗變化的傳感器電流分量的各個值之間存在很大的差異。因此，表 示空燃比的電壓信號分量(從電流測量電阻器63輸入至差分放大器 65)遠小于根據傳感器元件阻抗變化的電壓信號分量(在某些情況下， 小一個數量級)。因此，例如，如果基于與空燃比相對應的電壓信號分量的變化的 期望范圍來確定放大程度，那么與傳感器元件阻抗相對應的電壓信號 分量的幅值的變化可能超過能夠由差分放大器65放大的值的范圍。 這不僅會導致檢測傳感器元件阻抗的精確性降低，而且會導致檢測空
燃比的精確性降低。也就是說，雖然通過使用LPF 66將來自差分放 大器65的輸出信號進行平均來提取空燃比撿測信號，但是如果超過 差分放大器65的放大范圍的上限，那么來自LPF 66的最終信號將不 能精確表示平均值，這將引起空燃比的測量誤差。相反，如果基于隨傳感器元件阻抗而變化的AC電壓信號分量的 幅值的變化的期望范圍來預先確定放大程度，那么差分放大器65不 可能獨自對空燃比檢測分量進行足夠的放大。因此，有必要使用附加 的放大器級來進一步放大用于空燃比檢測的電壓信號分量。但是，這 將導致放大器偏移電壓增大的問題，這可能使得空燃比檢測的精確性 降低。發明內容本發明的目的是通過提供一種氣體濃度檢測裝置來克服現有技 術的上述問題，其中廢氣中的組成氣體的濃度檢測和該裝置的傳感器 元件的阻抗檢測都可以在高精確度下執行。為了實現上述目的，本發明提供了具有傳感器元件的氣體濃度檢 測裝置，該傳感器元件包括固體電解質層，并且響應于施加的電壓以 使傳感器電流流過，其中該傳感器電流的大小根據測試目標的氣體 (例如內燃機的廢氣)中的特定組成氣體的濃度而變化。電流測量電阻 器與傳感器元件串聯，即電流測量電阻器和傳感器元件的相應端子在 連接點相連。AC電壓源將AC電壓施加于電阻和傳感器元件的串聯 連接組合的外部端子之一，而參考電壓源將固定的DC電壓施加于該 串聯連接組合的另一個外部端子。結果，流經該串聯連接組合的電流由DC電流分量和AC電流分 量組成。此處使用的術語"DC電流分量"表示變化的最大頻率遠小于 施加的AC電壓的變化的最大頻率的電流分量。DC電流分量根據特 定組成氣體的濃度而變化，AC電流分量根據傳感器元件的阻抗(即 AC電壓頻率處的阻抗)而變化。具體地，如上所述，傳感器元件的阻抗根據傳感器元件是否被激 活而變化，使得AC電流分量的幅值表示激活狀態。第一檢測信號輸出電路耦合至電流測量電阻器，用于得到與前述 DC電流分量對應的DC電壓信號分量，以由此獲得第一測量信號， 其中該第一測量信號的電平根據組成氣體的濃度而變化。第二檢測信 號輸出電路耦合至前述的電流測量電阻器和傳感器元件之間的連接 點，用于得到與前述AC電流分量對應的AC電壓信號分量，并由此 獲得第二測量信號，其中該第二測量信號的電平根據傳感器元件的阻 抗而變化。利用這種方法，在第一和第二檢測信號輸出電路包括各自的放大 器電路并分別構造為單獨系統的情況下，表示組成氣體濃度的DC電 壓信號分量和表示傳感器元件阻抗的AC電壓信號分量可以分別被放 大到不同的適當放大程度。這對于實現檢測表示組成氣體濃度的電壓 信號分量和表示傳感器元件阻抗的電壓信號分量具有更高程度的精 確性有利，這是由于這些電壓信號分量之間的幅值存在很大差異。更具體地，在每次相對于裝置的參考接地電勢而施加前述串聯連 接組合的施加的AC電壓和施加的DC電壓時，前述連接點處的電壓 根據流經串聯連接的電流測量電阻器和傳感器元件的電流而相對于 接地電勢變化。利用本發明，即通過將差分放大器的各個輸入端(經由LPF)連接 至該電阻器的端子，可以提取DC電壓信號分量作為電流測量電阻器 兩端出現的差分電壓。但是優選地，第一檢測信號輸出電路的輸入端 子耦合至電流測量電阻器和傳感器元件之間的連接點，用于得到與 DC電流分量對應的電壓信號分量，以作為相對于接地電勢而變化的 信號。


圖1是示出用于發動機廢氣的氣體濃度檢測裝置的第一實施例 的整體電路結構的電路圖；圖2是圖1的實施例中使用的傳感器元件的橫截面圖3說明了空燃比傳感器的電壓/電流特性；圖4(a)，4(b),4(c),4(d)，4(e)是用于描述第一實施例的工作的時序 圖，示出了當傳感器元件的溫度增加時，電路參數中出現的變化；圖5是與圖1對應的部分電路圖，表示特定電壓和電阻值的示例；圖6是描述用于空燃比檢測的現有技術示例的氣體濃度檢測裝 置的工作的電路圖；圖7(a),7(b),7(c),7(d)是用于描述第一實施例中的電流測量電阻器 的電阻和AC電壓幅值的特定優選值范圍的圖；圖8(a)，8(b)，8(c)是用于描述第一實施例的各個可選結構的部分電 路圖；圖9是用于發動機廢氣的氣體濃度檢測裝置的第二實施例的整 體電路結構的電路圖；圖10是用于發動機廢氣的氣體濃度檢測裝置的現有技術的第二 示例的電路圖。
具體實施方式
下面描述氣體濃度檢測裝置的實施例，其適用于檢測內燃機的廢 氣中氧氣的濃度，用于由此檢測發動機工作時的空燃比。從檢測空燃 比獲得的結果例如可以被車輛發動機ECU(電子控制單元)的空燃比控 制系統等利用。這樣的系統可以施加控制以保持空燃比的化學計算值， 或者以通過反饋控制將空燃比保持在稀薄(lean)的值的特定范圍內。 術語"稀薄的"空燃比表示發動機在與化學計算空燃比相比較具有更高 的氧氣濃度的空燃比下工作，因此，最終廢氣中的氧氣濃度比化學計 算值的高。相反，"富裕的"空燃比表示某個空燃比具有比用于化學計 算值低的氧氣濃度。首先參照圖2的橫截面圖，描述空燃比傳感器元件的結構，其中 圖2的橫截面圖示出了傳感器元件10的多層結構。從圖2可以看出， 傳感器元件10是多層平面結構，并垂直向紙面的方向延伸，該傳感器 元件10包含在殼體(在附圖中未示出)內。.傳感器元件10由在絕緣層14上，從下至上依次形成的固體電解 質層ll、擴散電阻層12和氣體屏蔽層13形成。傳感器元件的外表面 由保護層(圖中未示出)覆蓋。固體電解質層11是部分穩定的氧化鋯的 矩形片，具有分別形成在其上面和下面的電極15和16。擴散電阻層 12是多孔材料的片，用于通過擴散使廢氣穿過電極15，而氣體屏蔽層 13是多孔材料的薄層，其控制廢氣的擴散。層12和13中的每一個都 形成為具有微孔(即小毛細管)的陶瓷片，陶瓷例如是氧化鋁、尖晶石， 氧化鋯等。層12和13通過具有不同直徑值和/或密度值的微孔，而分 別具有不同的孔隙度，以便分別提供不同的氣體擴散率。絕緣層14由諸如氧化鋁等具有高的熱傳遞系數的陶瓷材料形成， 并形成為具有大氣管道17，該大氣管道17(引導外部空氣)在與固體電 解質層ll相對的面中形成，并被設置為使電極16暴露。在絕緣層14 中嵌入由電線形成的加熱器元件18，該電線由電池(圖中未示出)提供 的電流加熱以影響傳感器元件的整體加熱。在使用中，傳感器元件10被廢氣包圍，該廢氣通過擴散穿過氣體 屏蔽層13以及擴散電阻層12到達電極15。當廢氣稀薄(即由于空燃比 稀薄)時，廢氣中的氧氣被電極15離子化，并且最終的氧離子電流從 電極15流到電極16，然后通過電極16將氧氣釋放到大氣管道17中。 如果廢氣富裕(即由于空燃比富裕)，則大氣管道17內的氣體中的氧氣 被電極16離子化，并且氧離子從電極16流到電極15，由此氧氣被電 極15釋放到傳感器元件的廢氣側。圖3是示出該A/F傳感器的電壓/電流特性的圖，其中電壓是施加 在傳感器端子之間的固定DC值(根據本發明，指下文所述的平均的固 定DC值)。在圖3中，與電壓軸(水平軸)平行的直線部分對應于操作 的邊界電流區域，其中傳感器電流僅由空燃比確定。傳感器電流的大 小變化對應于空燃比的增加或降低，即空燃比越稀薄，傳感器電流越 高，而空燃比越富裕，傳感器電流越低。通過在傳感器元件10兩端施 加DC電壓(產生位于邊界電流區域內的傳感器電流的值)，可以恰當 地測量傳感器電流的大小。這樣，可以理解當在該傳感器元件的電極之間施加恰當的DC電
壓時，傳感器元件流過大小根據測試目標氣體(廢氣)中的氧氣濃度的 電流，即流過表示濃度的電流。將參照圖1描述實施例的傳感器電路的主要部分。如圖所示，參考電壓源21產生相對于接地電勢的固定DC電壓+2.6V，該固定DC 電壓經由運算放大器22施加到傳感器元件10的正端子(S+端子)。傳 感器元件10的負(S-)端子連接至電阻器26的一端。參考電壓源23和 振蕩器24串聯連接在接地電勢和電流測量電阻器26的第二端子之間。 振蕩器24在10-20kHz的頻率范圍內產生幅值為2V的AC電壓，而參 考電壓源23產生相對于接地電勢的固定DC電壓+2,2V。因此，AC電 壓施加于電流測量電阻器26的第二端子，該AC電壓相對于+2.2V的 DC電平有土1V的變化(即AC電壓的平均電平是+2,2V)。這樣，在施 加到傳感器元件10的S+端子的DC電壓和從運算放大器25施加到電 流測量電阻器26的AC電壓的平均電平之間的差值是+0.4V。由此， 恰當的(平均)DC電壓值被施加到傳感器元件10的兩端，用于在上面 參照圖3所述的邊界區域內執行傳感器電流測量。分別在接地電勢和傳感器元件10的正端子S+以及負端子S-之間 連接電容器28和20，以抑制電噪聲。兩個測量信號輸出部分31和32連接至電流測量電阻器26和傳感 器元件10的負端子S-的節點。該節點處出現的AC電壓分量的幅值 (即，表示阻抗的電壓)由電流測量電阻器26的電阻和傳感器元件10 的阻抗的比來確定(其中，這里的"阻抗"表示在AC電壓的頻率處的阻 抗)。A7F比檢測部分31得到表示被檢測的廢氣中的氧氣濃度的輸出信 號(該氣體在下文和所附權利要求中被稱為目標檢測氣體)。由此，將 A/F比檢測部分31獲得的輸出信號稱為空燃比檢測信號。傳感器元件 阻抗檢測部分32得到表示前述傳感器元件10的阻抗的輸出信號，該 信號在下文中被稱為阻抗檢測信號。如圖所示，A7F比檢測部分31包括由運算放大器33形成的LPF (低 通濾波器)7、電阻器1和2、以及電容器6，其中電阻器1和電容器6 連接在反相輸入端子和輸出端子之間作為濾波器電路34。 LPF 7在低 于LPF的截止頻率的頻率處用作放大器電路，DC下的放大系數由電
阻器1和2的值(具體地，這些電阻器值的比)確定。傳感器元件阻抗檢測部分32包括HPF(高通濾波器)35、運算放大 器5和電阻器3,4所形成的放大器電路8以及P/H(峰值保持)電路36。 P/H電路36檢測HPF 35所提取的放大的AC電壓信號的峰值，以產 生阻抗檢測信號。將A/F比檢測部分31輸出的空燃比檢測信號和來自傳感器元件阻 抗檢測部分32的阻抗檢測信號提供給微型計算機38。微型計算機38 是具有CPU，存儲器設備等的普通類型的數字處理器裝置(微型計算 機)，并且還包括A/D轉換器，該A/D轉換器用于將空燃比檢測信號 和阻抗檢測信號(即，各個模擬信號)中的每一個轉換為數字信號。作 為選擇，可以采用位于微型計算機38外部的A/D轉換器。通過分別應用不同的放大系數，在A/F比檢測部分31和傳感器元 件阻抗檢測部分32中都執行信號電壓放大。根據微型計算機38中的 A/D轉換器能夠處理的輸入信號電壓的范圍(在該實施例中，0~5V)， 確定放大系數。在該實施例中，A/F比檢測部分31的放大系數設定在 10至20的范圍內，而傳感器元件阻抗檢測部分的放大系數設定為5。參考電壓源37將固定的正電壓施加于運算放大器33的非反向輸 入端子，用于當電阻器26和傳感器元件10之間的節點處的電壓的DC 電平對應于化學計算的空燃比時，恰當設定A/F比檢測部分31的輸出 信號電壓電平例如位于前述0-5V輸入信號范圍的中心。作為通過振蕩器24將AC電壓施加于傳感器元件10的結果，傳 感器電流流入傳感器元件10中，該傳感器電流是第一(DC)電流分量和 第二(AC)電流分量的組合，其中第一 (DC)電流分量，即前述表示濃 度的電流的大小由廢氣中的氧氣濃度確定，而第二 (AC)電流分量的 大小由傳感器元件10的阻抗確定。將傳感器元件10和電流測量電阻 器26之間的節點(即連接點)用作測量點，以檢測這些各個傳感器電流 分量，作為各個電壓信號分量，由此得到空燃比檢測信號和阻抗檢測 信號。具體地，該節點處的電壓是疊加在DC電壓上的AC電壓(在振 蕩器24產生的AC電壓的頻率處)(更具體地，電壓的變化的最大頻率 遠小于AC電壓頻率)，且該節點處的電壓與傳感器電流成比例變化。 A/F比檢測部分31在該節點處提取DC電壓分量(相對于電路接地電勢 變化)，并將其放大以獲得提供給微型計算機38的空燃比檢測信號。 傳感器元件阻抗檢測部分32在傳感器元件10和電流測量電阻器26之 間的節點處提取電壓的AC分量(作為相對于接地電勢變化的電壓)，并 在放大后檢測所提取的AC分量的峰值，以獲得提供給微型計算機38 的阻抗檢測信號。微型計算機38處理空燃比檢測信號以計算廢氣的空燃比，并處理 阻抗檢測信號，以及時計算該點處傳感器元件10的阻抗。這樣，可以理解，A/F比檢測部分31和傳感器元件阻抗檢測部分 32組成兩個單獨的系統，用于從傳感器元件10和電流測量電阻器26 之間的節點處出現的電壓信號中提取各個信號分量，其中該電壓信號 根據流入傳感器元件10中的電流而變化，并且處理提取的電壓信號分 量以分別檢測廢氣的空燃比和傳感器元件10的阻抗。作為以該方式利 用兩個單獨系統的結果，在這些系統中應用各自恰當的放大程度。另一方面，在如圖IO所示的現有技術的情況下，如果將空燃比檢 測信號分量的期望變化范圍用作確定信號放大系數的基礎，那么降低 了檢測傳感器元件阻抗的精確度，而如果將阻抗檢測信號分量的期望 變化范圍用作確定放大系數的基礎，那么降低了檢測空燃比的精確度。圖4(a)至4(e)是時序圖，用于說明在緊接著車輛發動機從冷狀態 起動后，各個參數在傳感器元件10的溫度增加時所發生的變化。圖 4(a)說明了傳感器元件阻抗和傳感器元件溫度發生的相應變化，而圖 4(b)說明了傳感器元件10的S+端子處的電壓發生的相應變化。圖4(c) 和圖4(d)中的每一個示出了傳感器元件10的S-端子處(即，傳感器元 件10和電流測量電阻器26之間的節點)的電壓對于各個不同的空燃比 的值發生的相應變化。圖4(e)說明了傳感器元件阻抗檢測部分32的輸 出信號(阻抗檢測信號)發生的相應變化。圖4(c)說明了空燃比是化學計算值的情況，而圖4(d)說明了空燃 比是稀薄的情況。當執行發動器起動，并開始向傳感器元件IO提供加熱電流時，傳 感器元件10的溫度初始接近于環境溫度，使得該元件阻抗充分高。在
緊接著發動機起動后，由于來自發動機的廢氣的熱量和來自流入傳感器元件10的加熱器中的電流引起的熱量，因此元件溫度開始逐漸增 加。元件阻抗因此逐漸下降。在完成傳感器元件10的激活后，元件溫 度大約750°C，而元件阻抗例如大約是39歐姆。在該實施例中，當傳感器元件10的溫度增加時，傳感器元件10 的S+端子處的電壓固定在2.6V，而S+端子處的電壓以振蕩器24的 AC輸出的頻率進行變化。當傳感器元件10處于初始低溫狀態時，由 于元件非常高的阻抗，S-端子處的電壓的AC分量的幅值基本等于振 蕩器24的輸出AC電壓。具體地，S-端子處的電壓相對于大約2.2V 的中心DC電平(即平均電壓電平)，在正方向和負方向上以大約IV的 峰值進行變化。當傳感器元件10的溫度增加而元件阻抗相應降低時， S-端子處出現的電壓的AC分量的幅值逐漸下降。如圖4(c)所示，在化學計算的空燃比的情況下，S-端子電壓的DC 電平(平均電平)在施加的AC電壓的平均電平(2.2V)處保持恒定。如圖 4(d)所示，如果空燃比是稀薄的，那么當傳感器元件10變為激活時， 傳感器電流增加，使得S-端子處出現的電壓的DC電平增加(即變得更 正)。也就是說，由于流經傳感器元件的DC電流(傳感器電流)，所以 DC電壓分量疊加在傳感器元件10的S-端子處的電壓上。A/F比檢測 部分31提取該DC電壓分量，以獲得提供給微型計算機38的空燃比 檢測信號。如上所述，"DC分量"實際上表示了在一個頻率范圍內變化 的分量，該頻率范圍遠低于AC電壓的頻率。如圖4(e)所示，傳感器元件阻抗檢測部分32的HPF 35提取S-端 子處出現的電壓的AC分量。如上所述，僅將來自HPF35的輸出信號 放大到一定程度，使得放大信號的正反峰間幅值不會超過微型計算機 38的A/D轉換器的允許輸入電壓范圍(5V)。放大信號的峰值檢測由峰 值保持電路36執行，以獲得如圖5(e)所示的阻抗檢測信號。不管S-端子處出現的電壓是如圖4(c)所示，還是如圖4(d)所示，獲得的阻抗 檢測信號是相同的。這樣，所述裝置同時執行空燃比檢測和元件阻抗 檢測。將元件阻抗指定為Zac，參照圖5所示的數字示例，描述計算傳
感器元件阻抗的具體方法。這里，假設s-端子處的電壓的中心電平為2.2V， AC電壓幅值相對于該中心值為土1V(即，正反峰間幅值AV是 2V)，電流測量電阻器26的電阻R是200Q，當被激活時，傳感器元 件10的阻抗Zac是20Q。也就是說，假設當傳感器元件10己經被廢 氣加熱以獲得其阻抗Zac的最低值時，該值為20Q。HPF 35的輸出電壓，即電流測量電阻器26和傳感器元件10之間 的節點處出現的電壓的AC分量的變化幅值AVA可以表示為△VA=AV xZac/(Zac+R) (1)并且上述具體數值為AVA=2 x20/(20+200)=0.182[V〗如果假設Zac的值在傳感器元件10激活前是250Q，那么在該條 件下△VA=2 x250/(250+200)=Ull[V]利用上述方程(l)計算出AVA后，微型計算機38按照下述計算阻 抗值Zac:Zac=AVAxR/(AV-AVA) (2) 在電流測量電阻器26和傳感器元件10之間的節點處，等于AC電壓峰值幅值的電壓變化量(即IV)對應于流經該節點的電流的變化量AI，其中(在傳感器元件IO被激活后) △1= 1 /(20+200)=4.5 5 [mA]也就是說，運算放大器25必須提供的電流的峰值等于流經傳感器 元件10且以4.55ma遞增的DC電流分量(該DC電流分量的大小由空 燃比確定)。例如，將前述DC電流分量指定為IL，如果假設IL將獲得的最大 值是2mA，那么運算放大器25必須提供的電流的峰值是6.55mA。圖6示出了現有技術類型的空燃比傳感器裝置的另一示例，描述 其用于與本發明作比較。在圖6中，如圖所示，參考電壓源41、運算 放大器42和電流測量電阻器43連接至傳感器元件10的一個端子，而 電壓施加控制電路44和運算放大器45連接至傳感器元件10的另一個 端子。當根據廢氣的空燃比的傳感器電流流動時，基于在電流測量電
阻器43的端子之間出現的電壓來測量傳感器元件的電流，其中該電壓 信號由A/F比檢測信號放大器46放大，最終的空燃比檢測信號被提供 至微型計算機(在附圖中未示出)。當執行阻抗檢測時，利用電壓施加控制電路44短暫施加過電壓(預 定頻率的AC電壓)，并且以響應于該過電壓而出現的電流變化為基礎， 獲得阻抗檢測信號。也就是說，作為短暫輸出過電壓的結果，根據傳 感器元件10在那時的阻抗，出現相應的電流變化。通過使用電流測量 電阻器43來測量該電流的變化量。然后，HPF 47和峰值保持電路48 執行信號處理，以提取表示電流變化量的信號，并且將該信號作為阻 抗檢測信號輸出給微型計算機。然后，該微型計算機基于電壓變化量 和電流變化量(由阻抗檢測信號表示)計算傳感器元件的阻抗。利用圖6的結構，基于施加AC電壓時所出現的電壓變化量AV 和電流變化量AI，計算傳感器元件的阻抗Zac，即Zac-AV/AI。在該 情況下，電壓變化量AV是固定值，并且如果傳感器元件的阻抗低(即， 由于傳感器元件處于激活狀態)，那么傳感器電流的水平高。例如，如 果AV=0.2V而Zac=20a那么電流變化量AI為10mA。因此，利用圖6的電路結構，再次假設2mA的最大DC電流將流 過傳感器，運算放大器45必須提供的用于執行阻抗檢測的電流的峰值 水平是12mA(即，峰值電流^2mA+10mA)，這與本發明上述實施例的 6.5mA形成比較。這樣，利用上述實施例，充分更低水平的電流流入 電路中，使得與現有技術的示例相比，需要運算放大器25的輸出電流 的大小更低。因此，通過與圖6的示例中的運算放大器45所需的芯片面積相比， 運算放大器25的芯片面積可以制造的很小，即芯片上由晶體管所占用 的空間可以很小，使得該實施例的整個電路(當實現為集成電路時)的 總尺寸可以制造的很小，這對于日益增長的將機動車輛的ECU(發動機 控制單元)的尺寸制造的更小的需求來講是'非常重要的。接下來，將參照附圖7描述電流測量電阻器26的電阻值R以及 AC電壓的幅值AV的優選范圍。圖7(a)說明了電流測量電阻器26的 電阻R和空燃比檢測誤差之間的關系。圖7(b)說明了電阻R和檢測傳 感器元件阻抗的分辨率之間的關系。圖7(c)說明了傳感器元件的電流 和AC電壓幅值AV之間的關系。圖7(d)說明了 AC電壓幅值AV和檢 測傳感器元件的阻抗的精度之間的關系。圖7(c)， 7(d)示出了當R的 值為200Q時所獲得的測量結果。如圖7(a)所示，電流測量電阻器26的電阻R的值越大，所檢測的 空燃比就越精確。另一方面，如圖7(b)所示，電阻R的值越大，檢測 傳感器元件阻抗的精度越低。因此，基于這些考慮，電阻R的值的優 選范圍為150~250Q，最佳值是200Q。作為替換，電流測量電阻器的電阻可以基于激活時的傳感器元件 的阻抗而確定，即電流測量電阻器的電阻可以設定為(激活的)傳感器 元件阻抗值的5 10倍。此外，如圖7(c)所示，AC電壓的幅值AV越小，傳感器元件的電 流越小，使得所需的來自運算放大器25的驅動電流量相應減小，因此， 包含傳感器電路的集成電路的尺寸可以制造得更小。另一方面，當幅值AV更小時，檢測傳感器元件阻抗的精確度越 低。因此，基于這些考慮，幅值AV的值的最佳范圍是1.5 2.5V， AV 的最佳值是2V。現在考慮AC電壓的頻率。首先，在具有固體電解質層的傳感器 元件(例如傳感器元件10)的情況下，從傳感器特性考慮，AC頻率 應當高于lkHz。此外，為了得到上述的阻抗檢測信號，必須在A/F比 檢測部分31中使用HPF，以提取測量電壓信號的AC分量(即，在傳 感器元件10和電流測量電阻器26之間的節點處出現的電壓)。但是， 由于空燃比的變化，測量電壓信號的幅值的變化會在大約100kHz的 頻率處出現，這取決于發動機的速度。這樣，為了能夠可靠辨別測量 電壓的AC分量和由空燃比的變化而引起的測量電壓中出現的變化， 在用于提取空燃比的變化分量的LPF(g卩，圖1中的LPF 7)的截止頻率 和用于提取AC分量的HPF(g卩，圖1中的HPF 35)的截止頻率之間必 須存在顯著的差異。出于這些考慮，振蕩器24所產生的AC頻率優it為至少lOkHz。 另外，還必須考慮傳感器電路與計算機互聯的布線的電感的影響，
以便AC頻率不能過高。另外，由于該事實并且也基于用作運算放大 器25的運算放大器的操作特性，以及考慮部件特性的制造變化，可以 考慮將20kHz作為AC頻率的上限。這樣，基于所有上述考慮，AC 頻率優選設置在10~20kHz的范圍內。利用上述實施例獲得下列效果。由于以下事實，即傳感器元件IO 和電流測量電阻器26之間的節點處出現的電壓信號經由A/F比檢測部 分31和傳感器元件阻抗檢測部分32所組成的各個單獨系統傳送，因 此可以進行適當的(各個單獨的)信號處理，以便得到表示空燃比的信 號和表示傳感器元件阻抗的信號。因此，由于所述信號由單獨的系統 放大，因此不管這兩個信號之間的幅值有多大差異，也可以進行適當 的處理。另外，沒有必要對空燃比檢測信號進行兩級放大，并且空燃比檢 測和傳感器元件的阻抗檢測都可以實現高精度。而且，由于以下事實，即通過測量公共點(即傳感器元件IO和電 流測量電阻器26之間的節點)處出現且相對于系統接地電勢變化的電 壓信號來進行空燃比檢測和傳感器元件阻抗檢測，因此沒有必要提供 用于將(例如圖10中在電阻63的端子之間出現的)差分電壓信號轉換 為相對于系統接地電勢變化的信號的電路元件。具體地，沒有必要使 用諸如圖10中的差分放大器65等電路元件來進行這種轉換，而現有 技術中需要，例如圖10中的電路，其中，在電阻器63的端子之間測 量空燃比檢測信號電壓和傳感器元件阻抗檢測信號電壓。這樣，本發 明能夠簡化整個電路結構。下面將更具體地描述上述幾點。在上述實施例的情況下，運算放 大器25的輸出電壓是AC電壓，其平均敏即中心值)固定在接地電勢 上方的+2.2V。因此，可以通過監測測量點(即傳感器元件10和電流測 量電阻器26之間的節點)處出現的平均電壓的變化、通過提取該測量 點處的電壓變化的DC分量來檢測空燃比。也就是說，得到相對于系 統接地電勢變化的電壓信號。另一方面，利用例如圖IO中的現有技術，當由于振蕩器62在參 考電壓源61的DC電壓上施加AC電壓和傳感器元件60的空燃比變
化的影響，而使得流經電流測量電阻器63的電流變化時，電流測量電 阻器63的端子之間的電壓將根據電流中的這些變化而改變。因此，有 必要利用差分放大器65將電流中的這些變化轉換為相對于電路接地 電勢測量的電壓變化。然而，利用圖1所示的本發明的電路，當利用各個不同的系統直 接從電路中的公共點提取表示空燃比的信號和表示元件阻抗的信號 時，可以對這些信號中的每一個進行適當的放大，以實現精確的空燃 比檢測和傳感器元件阻抗的檢測，而不需要利用差分放大器。根據諸 如微型計算機38等數字處理器的輸入電路的處理范圍，可以對空燃比 檢測和傳感器元件阻抗檢測運用適當的信號處理。因此，與現有技術 相比，可以增加空燃比檢測和傳感器元件阻抗檢測的分辨率。應當注意，本發明不限于上述實施例，例如，可以設計下述可選 實施例。首先，對于圖1的上述實施例，將固定的DC電壓(2.6V)施加于傳 感器元件10的S+端子，而將來自AC信號源(振蕩器24)的具有DC偏 壓的AC電壓(2,2V士1V)施加于S-端子，其中電流測量電阻器26設置 在AC信號源和傳感器元件10之間。然而，可以將其改變為第一實施 例的任何一種下述替換結構，這些替換結構在圖8(a)至8(c)中示出。 為了簡化說明，采用具有圖5形式的簡化部分電路圖，.并僅描述與圖 1的實施例的不同之處。圖8(a)所示的結構與圖l(圖5)的結構的不同之處在于AC電壓 經由運算放大器22施加于傳感器元件10的S+端子，且將參考電壓源 21的2.6V的固定DC電壓設置為AC電壓的中心(即平均)值(這樣，該 AC電壓在2.6V±1V變化)，而將2.2V的固定DC電壓施加于S-端子。對于圖8(b)的結構，電流測量電阻器26和傳感器元件10的電路 位置與圖1的實施例中的電路位置互換，即AC電壓(在2.2丫±1￥變化) 施加于傳感器元件10的S-端子，而2.6V的固定DC電壓從傳感器元 件10和電流測量電阻器26之間的節點施加于電流測量電阻器26的相 對端。對于圖8(c)的結構，電流測量電阻器26和傳感器元件10的電路
位置與圖8(a)的結構互換，即AC電壓(在2.6V士1V變化)從傳感器元 件10和電流測量電阻器26之間的節點施加于電流測量電阻器26的相 對端，而2.2V的固定DC電壓施加于傳感器元件10的S-端子。對于圖8(a)、圖8(b)和圖8(c)中的每個結構，如第一實施例所述， 可以分別利用A/F比檢測部分31和傳感器元件阻抗檢測部分32提取 傳感器元件10和電流測量電阻器26之間的節點處出現的電壓信號分 量，以便從各自的信號處理系統獲得空燃比檢測信號和阻抗檢測信號。 因此，第一實施例的上述優點也可以利用圖8(a)、 8(b)、 8(c)中的每個 替換結構來獲得。本發明已經描述了下列情況，在這種情況下，空燃比檢測信號作 為傳感器元件10和電流測量電阻器26之間的節點處出現的電壓信號 分量被提取，即相對于電路接地電勢變化的電壓信號分量。然而，利 用圖9所示的其他可選實施例，空燃比檢測信號作為電流測量電阻器 26的端子之間出現的電壓信號分量被提取。在圖9中，LPF 51和52 的輸入端子分別連接至電流測量電阻器26的兩端，并且LPF 51和52 的輸出端子連接至差分放大器53的各個輸入端子。由此，將利用差分 放大器53所產生的輸出信號作為空燃比檢測信號輸入到微型計算機 38。從上述描述應該理解，圖1的實施例，圖8(a)、 8(b)、 8(c)的每種 替換結構，以及圖9的實施例每個都具有下列基本特征(a) 形成AC電路通道(具體地，經過電流測量電阻器26和傳感器 元件10，從振蕩器24的輸出端子到運算放大器22的輸出端子)，其中 從振蕩器24向該AC電路通道施加AC電壓，以使得AC電流分量流 入AC電路通道。(b) 傳感器元件阻抗檢測部分32連接至電流測量電阻器26和傳感 器元件10之間的節點，以提取與AC電流分量相對應的AC電壓信號 分量。也就是說，傳感器元件阻抗檢測部分32耦合至前述AC電路通 道中的一點，用于提取該AC電壓信號分量。(c) A/F比檢測部分31連接至AC電路通道中的至少一個點(作為傳 感器元件阻抗檢測部分32的單獨系統)，用于提取與同樣也流入該電
路通道的DC電流分量相對應的DC電壓信號分量，其中術語"DC電 流分量"具有上面定義的意義。或者，認為圖l的實施例，圖8(a)、 8(b)和8(c)的每種替換結構以 及圖9的實施例都具有下列基本特征。傳感器元件10和電流測量電阻 器26組成串聯連接的電路元件的組合，其中傳感器元件10和電流測 量電阻器26各自的第一端子一起連接在某個連接點，而它們各自的第 二端子組成串聯連接組合的一對外部端子。參考電壓源23和振蕩器 24產生具有平均值的AC電壓，該平均值與接地電勢相差第一數量， 其中AC電壓施加于外部端子的第一個。參考電壓源21將固定的DC 電壓施加于外部端子的第二個，該固定的DC電壓與接地電勢相差第 二數量(與第一數量不同)。A/F比檢測部分31耦合至前述連接點，用 于提取連接點和接地電勢之間出現的電壓的DC分量，以便由此得到 空燃比檢測信號。作為選擇(圖9)， A/F比檢測部分31耦合至電流測 量電阻器26的兩端，用于提取DC分量。傳感器元件阻抗檢測部分32 耦合至前述連接點，用于提取在連接點處出現的電壓信號的AC分量， 以便由此得到傳感器阻抗檢測信號。應當注意，本發明的范圍不限于檢測內燃機中的廢氣的空燃比， 并且本發明同樣適用于各種其他用途。例如，復合型氣體濃度傳感器 具有多個單元，每個單元由固體電解質形成。泵單元排放被檢查的氣 體中所含有的氧氣，并且也檢測氧氣濃度。在氧氣已經被排放后，第 二單元(傳感器單元)檢測剩余的特定組成氣體的濃度。該氣體濃度傳 感器例如可以用作NOx傳感器，用于檢測機動車輛的廢氣中的一氧化 二氮的濃度。利用這種類型的氣體濃度傳感器，本發明將適用于增加 檢測諸如一氧化二氮等氣體的濃度和檢測傳感器元件阻抗的精確性。此外，本發明還可應用于下述一種這樣的氣體濃度傳感器，其除 了上述第二單元(傳感器元件)之外，還具有第三單元(稱為監測單元， 或第二泵單元)。在該情況下，在氧氣已經被排放后，第三單元檢測剩 余氧氣的濃度。而且，本發明還可應用于下述一種這樣的氣體濃度傳感器，該氣 體濃度傳感器能夠檢測諸如碳氫化合物和一氧化碳等氣體成分的濃
度。對于這種類型的氣體濃度傳感器，泵單元排放被檢査的氣體中含 有的多余氧氣，而傳感器單元分析移除多余氧氣后的剩余氣體，以便 檢測碳氫化合物和一氧化碳的濃度。除了用于車輛發動機的氣體濃度傳感器之外，本發明還可應用于 其他各種類型的氣體濃度傳感器，并且除了用于檢測發動機廢氣中包 含的氣體成分之外，本發明還可應用于檢測其他氣體成分的各種類型 的氣體濃度傳感器。當將根據本發明的氣體濃度檢測裝置應用于除了車輛發動機的廢氣以外的氣體時，優選將AC電壓的頻率設置在 1 20kHz的范圍內的某個值。
權利要求
1、一種氣體濃度檢測裝置，包括傳感器元件，該傳感器元件包含固體電解質層，并響應于施加的DC電壓以用于流過表示濃度的電流，其中該電流的大小根據測試目標的氣體中的特定組成氣體的濃度而變化，AC電壓源和DC電壓源，分別用于將AC電壓和所述DC電壓施加于所述傳感器元件，在AC電流通道中與所述傳感器元件串聯連接的電流測量電阻器，其中，AC電流分量響應于所述施加的AC電壓流過所述AC電流通道，以及檢測信號輸出電路，其用于基于所述表示濃度的電流得到表示所述組成氣體的所述濃度的氣體濃度檢測信號，以及基于所述AC電流分量，得到表示所述傳感器元件的阻抗值的阻抗檢測信號；其中，所述檢測信號輸出電路包括用于得到所述氣體濃度檢測信號的第一檢測信號輸出電路，其耦合至所述電流測量電阻器，用于提取第一電壓信號，其中所述第一電壓信號的電平根據所述表示濃度的電流的大小而變化，以及用于得到所述阻抗檢測信號的第二檢測信號輸出電路，其耦合至所述電流測量電阻器和所述傳感器元件之間的連接點，用于提取第二電壓信號，其中所述第二電壓信號是AC信號，其相對于電路接地電勢的幅值根據所述AC電流分量的幅值而變化。
2、 根據權利要求1所述的氣體濃度檢測裝置，其中所述第一檢 測信號輸出電路和所述第二檢測信號輸出電路包括各自的放大器電 路，用于放大所述第一電壓信號和第二電壓信號，并且其中，所述放 大器電路的各自放大系數彼此單獨預先確定。
3、 根據權利要求1所述的氣體濃度檢測裝置，其中所述第一檢 測信號輸出電路耦合至所述電流測量電阻器和所述傳感器元件之間 的連接點，用于提取所述第一電壓信號作為相對于電路接地電勢變化 的信號。
4、 根據權利要求1所述的氣體濃度檢測裝置，其中所述第一檢 測信號輸出電路耦合至所述電流測量電阻器的相對的端子，用于提取 所述第一電壓信號作為在所述相對的端子之間產生的差分電壓信號。
5、 根據權利要求1所述的氣體濃度檢測裝置，包括計算裝置， 該計算裝置具有耦合的輸入電路以接收所述氣體濃度檢測信號，其中所述第一檢測信號輸出電路包括用于提取所述第一電壓信號的 濾波器電路和用于放大來自所述濾波器電路的輸出信號的放大器電 路，以獲得所述氣體濃度檢測信號，以及所述放大器電路用于施加固定的放大程度，該放大程度根據所述 輸入電路的輸入電壓信號值的允許范圍預先確定。
6、 根據權利要求1所述的氣體濃度檢測裝置，包括計算裝置， 該計算裝置具有耦合的輸入電路以接收所述氣體濃度檢測信號，其中 所述第二檢測信號輸出電路包括濾波器電路，用于提取所述第二電壓信號， 放大器電路，用于放大所述第二電壓信號，以及 峰值保持電路，用于檢測進行所述放大后的所述第二電壓信號分 量的峰值，并且其中，所述放大器電路用于施加固定的放大程度，該放大程 度基于所述輸入電路的輸入電壓信號值的允許范圍預先確定。
7、 根據權利要求1所述的氣體濃度檢測裝置，其中所述AC電 壓具有固定在從lkHz至20kHz范圍內的頻率。
8、 一種氣體濃度檢測裝置，包括作為串聯連接的組合而耦合的氣體濃度傳感器元件和電流測量 電阻器，所述氣體濃度傳感器元件響應于施加的DC電壓以用于流過 大小與測試目標氣體中的氣體成分濃度相一致的電流，其中所述傳感 器元件和所述電流測量電阻器各自的第一端子在連接點連接在一起， 并且所述傳感器元件和所述電流測量電阻器各自的第二端子組成了 所述串聯連接組合的一對外部端子；產生AC電壓的AC電壓源，該AC電壓具有固定的幅值和固定 的頻率，并且具有與所述裝置的接地電勢相差第一電壓量的平均值， 其中所述AC電壓施加于所述外部端子的第一個，產生固定DC電壓的參考電壓源，該DC電壓與所述接地電勢相 差第二電壓量，其中所述第二電壓量與所述第一電壓量不同，所述固 定DC電壓施加于所述外部端子的第二個，耦合至所述連接點的第一檢測信號輸出電路，用于提取第一電壓 信號分量，該第一電壓信號分量根據所述施加的AC電壓產生的電流 相對于所述接地電勢變化，所述第一檢測信號輸出電路還用于放大所 述第一電壓信號分量，以及檢測進行所述放大后的所述第一電壓信號 分量的峰值，由此得到表示所述傳感器元件的阻抗的檢測信號，以及耦合至所述連接點的第二檢測信號輸出電路，用于提取第二電壓 信號分量，該第二電壓信號分量相對于所述接地電勢變化，并且在遠 低于所述AC電壓的頻率的頻率范圍內變化，所述第二檢測信號輸出 電路還用于放大所述第二電壓信號分量以由此得到表示所述組成氣 體的所述濃度的檢測信號。
9、 一種氣體濃度檢測裝置，包括作為串聯連接的組合而耦合的氣體濃度傳感器元件和電流測量 電阻器，所述氣體濃度傳感器元件響應于施加的DC電壓以用于流過 大小與測試目標氣體中的氣體成分濃度相一致的電流，其中所述傳感 器元件和所述電流測量電阻器各自的第一端子在連接點連接在一起， 并且所述傳感器元件和所述電流測量電阻器各自的第二端子組成了 所述串聯連接組合的一對外部端子；產生AC電壓的AC電壓源，該AC電壓具有固定的幅值和固定 的頻率，并且具有與所述裝置的接地電勢相差第一電壓量的平均值，其中所述AC電壓施加于所述外部端子的第一個，產生固定DC電壓的參考電壓源，該DC電壓與所述接地電勢相 差第二電壓量，其中所述第二電壓量與所述第一電壓量不同，所述固 定DC電壓施加于所述外部端子的第二個，耦合至所述連接點的第一檢測信號輸出電路，用于提取第一電壓 信號，該第一電壓信號根據所述施加的AC電壓產生的電流相對于所 述接地電勢變化，所述第一檢測信號輸出電路還用于放大所述第一電 壓信號分量，以及檢測進行所述放大后的所述第一電壓信號分量的峰 值，以由此得到表示所述傳感器元件的阻抗的檢測信號，以及耦合至所述電流測量電阻器的相對端子的第二檢測信號輸出電 路，用于提取作為差分電壓信號的第二電壓信號，該第二電壓信號在 所述電流測量電阻器的兩端產生并且在遠低于所述AC電壓的頻率的頻率范圍內變化，所述第二檢測信號輸出電路還用于放大所述第二電 壓信號以由此得到表示所述組成氣體的所述濃度的檢測信號。
全文摘要
一種氣體濃度檢測裝置，包括傳感器元件和電阻器的串聯連接的組合，其中AC電壓施加于該組合的外部端子之一，而另一個外部端子保持在固定的電勢。利用單獨施加確定的放大系數的各個單獨電路，從串聯連接的組合提取電平由氧氣濃度確定的DC電壓信號以及幅值由傳感器元件的阻抗進而由傳感器元件的激活狀態所確定的AC電壓信號，其中所述傳感器元件檢測氧氣濃度。
文檔編號G01N27/409GK101165480SQ20071016682
公開日2008年4月23日 申請日期2007年10月18日 優先權日2006年10月20日
發明者川瀨友生, 河木庸平, 鈴木敏行, 黑川英一 申請人:株式會社電裝