一种氮氧传感器加热装置及一种氮氧传感器的制作方法

1.本实用新型属于汽车尾气处理领域，尤其涉及一种氮氧传感器加热装置及一种氮氧传感器。


背景技术：

2.随着环保意识的提高，人们对汽车、柴油车等机动车排放的尾气中含有的氮氧化物的含量有了更加严格的规定。目前常采用氮氧传感器来进行汽车尾气中氮氧化物含量的检测。
3.氮氧传感器需要在650℃
‑
800℃温度条件下才能对汽车尾气中氮氧化物的含量进行检测，一般是通过在氮氧传感器中设置加热装置实现。加热装置内一般设置有用于检测氮氧传感器温度的检测单元，以保证氮氧传感器工作在合适温度，避免影响氮氧传感器的使用寿命。但现有的氮氧传感器加热装置中检测单元电路结构较复杂，并且缺少温度调节功能，无法精确控制加热装置的温度。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本实用新型为了保证氮氧传感器的加热温度保持在目标温度，提出一种氮氧传感器加热装置，具体包括以下技术方案：
5.一种氮氧传感器加热装置，包括加热单元、检测单元，所述加热单元包括加热电极，所述检测单元包括运放电路、控制器、恒流源和可调电源，其中：
6.所述恒流源与加热单元连接，用于给加热单元提供恒定电流；
7.所述运放电路分别与加热单元、控制器连接，用于将加热单元输出的电流转换成电压，并输出给控制器；
8.所述控制器分别与运放电路、可调电源连接，用于采集运放电路输出电压，得到所述加热电极的电阻值及其温度值，并计算应调温度及应调电压，还用于控制可调电源对加热电极施加应调电压信号；
9.所述可调电源分别与控制器、加热单元连接，用于接收控制器发送来的应调电压信号，依据该应调电压信号对加热电极施加所述应调电压。
10.进一步的，所述加热单元还包括第一引线、第二引线、第三引线，所述运放电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻；
11.第一电阻一端与恒流源相连，另一端与运算放大器同相输入端相连，第二电阻一端与第一电阻和运算放大器同相输入端的公共端点相连，另一端接地，第三电阻一端与所述第二引线相连，另一端与运算放大器反相输入端相连，第四电阻一端与第三电阻和运算放大器反相输入端的公共端点相连，另一端与运算放大器输出端相连；
12.所述加热电极通过第一引线与可调电源、恒流源和第一电阻相连，所述加热电极通过第二引线与第三电阻相连，所述加热电极通过第三引线接地。
13.进一步的，所述可调电源包括一开关、一直流源，所述直流电源与所述控制器通过
所述开关连接，所述开关根据所述控制器控制而导通、关断，以使所述直流电源通过开关输出的电压达到所述应调电压值。
14.进一步的，所述开关为nmos管，nmos管栅极与控制器输出端相连，nmos管漏极与电源相连，nmos管源极经第一引线与加热电极加压端相连。
15.另一方面，本实用新型还公开了一种氮氧传感器，包括芯体本体、加热装置，所述加热装置用于为芯体本体加热，该加热装置包括加热单元、检测单元，所述加热单元包括加热电极，所述检测单元包括运放电路、控制器、恒流源和可调电源，其中：
16.所述恒流源与加热单元连接，用于给加热单元提供恒定电流；
17.所述运放电路分别与加热单元、控制器连接，用于将加热单元输出的电流转换成电压，并输出给控制器；
18.所述控制器分别与运放电路、可调电源连接，用于采集运放电路输出电压，得到所述加热电极的电阻值及其温度值，并计算应调温度及应调电压，还用于控制可调电源对加热电极施加应调电压信号；
19.所述可调电源分别与控制器、加热单元连接，用于接收控制器发送来的应调电压信号，依据该应调电压信号对加热电极施加所述应调电压。
20.进一步的，所述加热单元还包括第一引线、第二引线、第三引线，所述运放电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻；
21.第一电阻一端与恒流源相连，另一端与运算放大器同相输入端相连，第二电阻一端与第一电阻和运算放大器同相输入端的公共端点相连，另一端接地，第三电阻一端与所述第二引线相连，另一端与运算放大器反相输入端相连，第四电阻一端与第三电阻和运算放大器反相输入端的公共端点相连，另一端与运算放大器输出端相连；
22.所述加热电极通过第一引线与可调电源、恒流源和第一电阻相连，所述加热电极通过第二引线与第三电阻相连，所述加热电极通过第三引线接地。
23.进一步的，所述可调电源包括一开关、一直流源，所述直流电源与所述控制器通过所述开关连接，所述开关根据所述控制器控制而导通、关断，以使所述直流电源通过开关输出的电压达到所述应调电压值。
24.进一步的，所述开关为nmos管，nmos管栅极与控制器输出端相连，nmos管漏极与电源相连，nmos管源极经第一引线与加热电极加压端相连。
25.进一步的，所述芯体本体由多层氧化锆基片叠加而成，加热装置包裹于多层致密氧化铝陶瓷基片内，芯体本体与多层致密氧化铝陶瓷基片叠加压合在一起。
26.本实用新型的有益效果：本氮氧传感器的加热装置包括加热单元和检测单元，检测单元包括恒流源，可调电源，运放电路，控制器，恒流源为加热电极提供恒定电流，使加热电极具有一定温度，控制器通过采集运放电路输出的电压值，计算出加热电极的温度值，并计算出应调节温度对应的加压值，然后控制调节电源输出对应加压值，从而调节施加在加热电极上的电压。本实用新型利用恒流源给加热电极施加电压，使加热电极具有一定温度，然后控制器根据检测单元得到的加压值调整可调电源的输出电压使得加热电极的温度满足指定范围。本实用新型的加热装置能精准检测和控制加热电极温度，速度快，效果好。
附图说明
27.图1为实施例一中，氮氧传感器加热装置的原理框图；
28.图2为实施例一中，加热单元结构示意图；
29.图3为实施例一中，加热单元与检测单元的电路结构示意图。
具体实施方式
30.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。
31.实施例一
32.本实施例公开了一种氮氧传感器加热装置，原理框图如图1所示，包括加热单元10、检测单元20，所述加热单元10包括加热电极，所述检测单元20包括运放电路21、控制器22、恒流源23和可调电源24，其中：
33.所述恒流源23与加热单元10连接，用于给加热单元10提供恒定电流。
34.所述运放电路21分别与加热单元10、控制器22连接，用于将加热单元10输出的电流转换成电压，并输出给控制器22。
35.所述控制器22分别与运放电路21、可调电源24连接，用于采集运放电路21输出电压，得到所述加热电极的电阻值及其温度值，计算应调温度，并利用所述应调温度得到应调电压，还用于控制可调电源24对加热电极施加应调电压信号，控制器22可以为单片机、fpga、plc等，由于单片机成本较低，本例中可选用单片机作为控制器22。
36.所述可调电源24分别与控制器22、加热单元10连接，用于接收控制器22发送来的应调电压信号，依据该应调电压信号对加热电极施加所述应调电压。
37.本实施例的氮氧传感器的加热装置，包括加热单元和检测单元，检测单元包括恒流源，可调电源，运放电路，控制器，恒流源为加热电极提供恒定电流，使加热电极具有一定温度，控制器通过采集运放电路输出的电压值，计算出加热电极的温度值，并计算出应调节温度对应的加压值，然后控制调节电源输出对应加压值，从而调节施加在加热电极上的电压。本实施例利用恒流源给加热电极施加电压，使加热电极具有一定温度，然后控制器根据检测单元得到的加压值调整可调电源的输出电压使得加热电极的温度满足指定范围。本实施例的加热装置能精准检测和控制加热电极温度，速度快，效果好。
38.在一些实施例中，加热单元引线示意图如图2所示，所述加热单元包括加热电极、第一引线p1、第二引线p2、第三引线p3，所述运放电路包括运算放大器、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4。
39.第一电阻r1一端与恒流源相连，另一端与运算放大器同相输入端相连，第二电阻r2一端与第一电阻r1和运算放大器同相输入端的公共端点相连，另一端接地，第三电阻r3一端与所述第二引线p2相连，另一端与运算放大器反相输入端相连，第四电阻r4一端与第三电阻r3和运算放大器反相输入端的公共端点相连，另一端与运算放大器输出端相连。本实施例的检测单元中运放电路结构简单，电路主要采用普通精密电阻元件，运行时受温度影响较小，稳定性好。
40.所述加热电极通过第一引线p1与可调电源、恒流源和第一电阻r1相连，所述加热
电极通过第二引线p2与第三电阻r3相连，所述加热电极通过第三引线p3接地。
41.在一些实施例中，所述可调电源包括一开关、一直流源，所述直流电源与所述控制器通过所述开关连接，所述开关根据所述控制器控制而导通、关断，以使所述直流电源通过开关输出的电压达到所述应调电压值。
42.在一些实施例中，所述开关为mos管，mos管分为nmos管和pmos管，由于nmos管导通电阻小，容易制造，本实施例中优选nmos管。nmos管栅极与控制器输出端相连，nmos管漏极与电源相连，nmos管源极经第一引线p1与加热电极加压端相连，单片机输出端对nmos管栅极发送高电平，可以控制nmos管导通，即开关导通，单片机输出端对nmos管栅极发送低电平，可以控制nmos管截止，即开关关断。
43.下面通过电路原理分析对本检测单元的工作原理做进一步说明。
44.图3为一种氮氧传感器的加热单元与检测单元的电路示意图。恒流源为加热电极提供恒定电流，记为i0，即流经加热电极r的电流为i0。加热电极的电阻为r，加热单元的第一引线p1等效电阻为r
’1,加热单元的第三引线p3等效电阻为r
’2，第一引线p1等效电阻r
’1与第三引线p3等效电阻r
’2的电阻值远小于及热电极的电阻r的值，因此第一引线p1等效电阻r
’1与第三引线p3等效电阻r
’2的电阻值以及流过其的电压值可以忽略不计；
45.加热电极的加压端的电压记为v1,加热电极的测温端的电压记为v2，由于r
’1非常小可以忽略不计，因此流入加热电极r一端的电压为v1‑
v2,又由于流出加热电极r一端的电压为v2，所以流经加热电极r的电压如公式(1)所示：
46.v
r
＝v1‑
2v2ꢀꢀꢀ
(1)
47.根据运算放大器特性，可知其同相输入端电压v 与反相输入端电压v
‑
关系如公式(2)所示：
48.v ＝v
‑ꢀꢀꢀ
(2)
49.由运算放大器同相输入端的第一电阻r1,第二电阻r2的结构关系，可得公式(3)：
[0050][0051]
其中v 为运算放大器同相输入端电压，v1为加热电极加压端电压。
[0052]
由第三电阻r3的电路结构可知，记流经第三电阻r3的电流为i1，其值如公式(4)所示：
[0053][0054]
由运算放大器输出端的电路结构可知，记运算放大器的输出电压为v0，其值如公式(5)所示：
[0055]
v0＝v2‑
i1×
(r3 r4)
ꢀꢀꢀ
(5)
[0056]
将公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)分别代入公式(5)，可推算得到运算放大器的输出电压v0为：
[0057]
[0058][0059][0060][0061][0062]
其中，令k的取值范围为1
‑
10之间，则有v0＝kv1‑
2kv2，即得到公式(6)：
[0063]
v0＝k(v1‑
2v2)
ꢀꢀꢀ
(6)
[0064]
由加热电极的电路结构，可知加热电极的电阻r满足公式(7)
[0065][0066]
其中v1为加热电极加压端电压值，v2为加热电极测温端电压值，i0为流经加热电极电阻r的电流值，将公式(6)代入公式(7)，可以得到加热电极的电阻r：
[0067][0068]
其中v0为运算放大器输出端电压值，k为已知常数，即由运算放大器输出电压、已知常数k以及恒流源电流可计算得出加热电极的电阻值。
[0069]
又由已有技术可知加热电极的电阻r还可以由公式(9)表示：
[0070]
r＝αt r0ꢀꢀꢀ
(9)
[0071]
其中r0是加热电极(铂电极)在零度时的电阻，α为温度系数，t为温度，则将公式(8)代入公式(9)可以计算出此时加热电极电阻值r对应的加热电极的温度值t，如公式(10)所示：
[0072][0073]
控制器22再用目标温度(如650℃
‑
800℃)减去加热电极的温度值t计算应调温度t’，类比公式(10)可以得到与所述应调温度对应的应调电压v’，从而控制可调电源24对加热电极施加应调电压信号。所述应调电压v’由公式(11)表示为：
[0074]
v'＝(αt' r0)
×
ki0ꢀꢀꢀ
(11)
[0075]
实施例二
[0076]
本实用新型还公开了一种氮氧传感器，包括芯体本体、加热装置，所述加热装置用于为芯体本体加热，该加热装置原理框图如图1所示，包括加热单元10、检测单元20，所述检测单元包括运放电路21、控制器22、恒流源23和可调电源24，其中：
[0077]
所述恒流源23与加热单元10连接，用于给加热单元10提供恒定电流。
[0078]
所述运放电路21分别与加热单元10、控制器22连接，用于将加热单元10输出的电流转换成电压，并输出给控制器22。
[0079]
所述控制器22分别与运放电路21、可调电源24连接，用于采集运放电路21输出电压，得到所述加热电极的电阻值及其温度值，并计算应调温度及应调电压，还用于控制可调电源24对加热电极施加应调电压信号，控制器22可以为单片机、fpga、plc等，由于单片机成本较低，本例选用单片机作为控制器22。
[0080]
所述可调电源24分别与控制器22、加热单元10连接，用于接收控制器22发送来的应调电压信号，依据该应调电压信号对加热电极施加所述应调电压。
[0081]
本实施例涉及了一种氮氧传感器，包括芯体本体和加热装置，加热装置包括加热单元和检测单元，检测单元包括恒流源，可调电源，运放电路，控制器，恒流源为加热电极提供恒定电流，使加热电极具有一定温度，控制器通过采集运放电路输出的电压值，计算出加热电极的温度值，并计算出应调节温度对应的加压值，然后控制调节电源输出对应加压值，从而调节施加在加热电极上的电压。本实施例利用恒流源给加热电极施加电压，使加热电极具有一定温度，然后控制器根据检测单元得到的加压值调整可调电源的输出电压使得加热电极的温度满足指定范围。本实施例的加热装置能精准检测和控制加热电极温度，速度快，效果好。
[0082]
在一些实施例中，加热单元引线示意图如图2所示，所述加热单元包括加热电极、第一引线p1、第二引线p2、第三引线p3，所述运放电路包括运算放大器、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4；
[0083]
第一电阻r1一端与恒流源相连，另一端与运算放大器同相输入端相连，第二电阻r2一端与第一电阻r1和运算放大器同相输入端的公共端点相连，另一端接地，第三电阻r3一端与所述第二引线p2相连，另一端与运算放大器反相输入端相连，第四电阻r4一端与第三电阻r3和运算放大器反相输入端的公共端点相连，另一端与运算放大器输出端相连。本实施例的检测单元中运放电路结构简单，电路主要采用普通精密电阻元件，运行时受温度影响较小，稳定性好；
[0084]
所述加热电极通过第一引线p1与可调电源、恒流源和第一电阻r1相连，所述加热电极通过第二引线p2与第三电阻r3相连，所述加热电极通过第三引线p3接地。
[0085]
在一些实施例中，所述可调电源包括一开关、一直流源，所述直流电源与所述控制器通过所述开关连接，所述开关根据所述控制器控制而导通、关断，以使所述直流电源通过开关输出的电压达到所述应调电压值。
[0086]
在一些实施例中，所述开关为mos管，mos管分为nmos管和pmos管，由于nmos管导通电阻小，容易制造，本实施例中优选nmos管。nmos管栅极与控制器输出端相连，nmos管漏极与电源相连，nmos管源极经第一引线p1与加热电极加压端相连，单片机输出端对nmos管栅极发送高电平，可以控制nmos管导通，即开关导通，单片机输出端对nmos管栅极发送低电平，可以控制nmos管截止，即开关关断。
[0087]
对于本检测单元电路的工作原理分析，可以参考实施例一，在此不再赘述。
[0088]
在一些实施例中，所述芯体本体由多层氧化锆陶瓷基片叠加而成，加热装置包裹于多层致密氧化铝陶瓷基片内，芯体本体与多层致密氧化铝陶瓷基片叠加压合在一起。其中选择芯体本体层数时，考虑将成型后陶瓷芯体泵氧腔室中氧离子电流控制在2.5ma
‑
4ma
时为优选层数，在一些实施例中芯体本体层数为6层至13层。由于氧化铝陶瓷基片层数越多绝缘性越好，但氧化铝与氧化锆热膨胀系数不一致，氧化铝层数太多会使芯体容易断裂，因此在保证绝缘性的前提下，加热装置的致密氧化铝陶瓷基片优选为3至5层。本实施例给出了选择陶瓷基片层数的最优方案，这样使其芯体具有最好的测量氮氧化物浓度的条件，又使加热装置具有最好的绝缘性，以及芯体本体与加热装置最佳的粘和性，此氮氧传感器测量准确，耐用性好。
[0089]
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。
[0090]
上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式级似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。