基于氧化鋯傳感器的氧測量系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

黃啟勇，蘭 江，石俊杰，譚旭暉

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，宜昌 443003）

氧化鋯傳感器是檢測氧氣濃度的重要方法，該方法測量精度高、靈敏性好、高溫穩(wěn)定性能優(yōu)越，是工業(yè)過程控制、農(nóng)業(yè)肥料堆制、醫(yī)療科學(xué)研究中一款重要的測量儀器。文獻(xiàn)[1-4]闡述了氧化鋯傳感器的發(fā)展；文獻(xiàn)[5-7]對氧化鋯傳感器的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究。本設(shè)計采用ST公司的STM32F103RCT6作為控制核心，選用SST公司的迷你型氧化鋯傳感器O2S-FR-T3為檢測器件，具有精度高、響應(yīng)快、量程寬、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

1 方案設(shè)計

1.1 測量原理

當(dāng)溫度超過650℃時，氧化鋯發(fā)生部分電解，產(chǎn)生移動的氧離子，在氧化鋯電極片上通一恒定電流源，則電極陽極釋放大量氧離子，釋放的氧離子含量與被傳送的電荷量成正比，即電化學(xué)泵吸：

式中：N為被釋放的氧離子摩爾數(shù)；i為恒定電流；t為時間；z為氧離子化合價；F為法拉第常數(shù)，F(xiàn)=96485 C/mol。

當(dāng)氧離子釋放時，氧化鋯兩端產(chǎn)生濃度差，進(jìn)而產(chǎn)生能斯特電壓：

式中：kB為波爾茲曼常數(shù)，kB=1.38×10-23J/K；T 為工作溫度；e0為基本電荷，e0=1.602×10-19C；c1、c2為氧化鋯兩端氧離子濃度。O2S-FR-T3迷你型氧化鋯傳感器利用以上原理制成，如圖1所示[4]。

圖1 氧化鋯傳感器Fig.1 ZrO2sensor

1.2 系統(tǒng)方案

本文研究的氧測量系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)主要包括氣路部分和電路部分。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Block diagram of the system

2 硬件設(shè)計

2.1 加熱電路

本設(shè)計采用MPS公司生產(chǎn)的MP2303穩(wěn)壓電源，其具有輸入電壓范圍寬、輸出電壓可調(diào)、紋波小、最大輸出電流可達(dá)3 A等優(yōu)異性能，其外圍電路如圖3所示。

圖3 加熱電路Fig.3 Heat circuit

由歐姆定律可知 Vout，VFB，R2和 R3的關(guān)系為

式中，VFB=0.8 V。

2.2 恒流源驅(qū)動控制電路

如圖1所示，氧化鋯傳感器的2個氧化鋯方片通過鉑電極隔開，中間為一密閉傳感器室，氧化鋁圓片的目的是為過濾并防止顆粒進(jìn)入傳感器進(jìn)而影響測量結(jié)果。氧化鋯傳感器共有3個鉑電極，分別為 Pump、Common、Sense， 其中 Pump 極和 Common極之間通一恒定可逆直流源，電流大小為40 μA，以產(chǎn)生電化學(xué)泵吸效應(yīng)。在恒流源作用下，氧離子從氧化鋯方片一端移動到另一端，這就改變了氧化鋯方片兩端的氧離子濃度，一個完整的電化學(xué)泵吸周期即為抽空傳感器室并在恒定直流源反向時再次充滿傳感器室所需要的時間，因此電化學(xué)泵吸周期與氧氣濃度成對應(yīng)比例關(guān)系。

本系統(tǒng)設(shè)計了基于HCPL0638和OP2177的可逆恒流源，如圖4所示。當(dāng)STM_SP1為低電平，而STM_SP2為高電平時，電流由Common極流向Pump極；當(dāng)STM_SP1為高電平，而STM_SP2為低電平時，電流由Pump極流向Common極，電流大小為 3.3 V/82.5 kΩ=40 μA。

2.3 信號調(diào)理電路

圖5所示為系統(tǒng)的信號調(diào)理電路部分原理圖，包括第一級放大、第二級放大及低通濾波電路。O2S-FR-T3迷你型氧化鋯傳感器推薦的能斯特電壓上限為 90 mV，下限為 40 mV，而 STM32F103RCT6的AD轉(zhuǎn)換模塊能采集的最大電壓為3.3 V，因此需要進(jìn)行放大以提高測量精度。圖中第一級為高共模抑制比放大電路，其中U5采用雙通道運算放大器OP2177，構(gòu)成平衡對稱差動放大輸入級，U6采用單通道運算放大器OP07構(gòu)成雙端輸入單端輸出的輸出級，用來進(jìn)一步抑制U5A和U5B的共模信號。

圖4 可逆恒流源Fig.4 Reversible constant current

圖5 信號調(diào)理電路Fig.5 Circuit of signal condition

由圖 5 可知，流過 R15，R17，R19的電流 iR為

由式（5）可知，輸入級的差動輸出及其差模增益只與差模輸入電壓有關(guān)，而其共模輸出、失調(diào)及

這里選取R13=R21=10 k，R14=R22=20 k，故由式（5）和式（6）可求出第一級放大輸出理論上為

經(jīng)第一級放大后，能斯特電壓上限達(dá)到2.7 V，下限達(dá)到1.2 V。但實際中，由于電阻精度的問題，R13，R14，R21，R22均存在偏差， 導(dǎo)致無法達(dá)到絕對匹配，進(jìn)而引起共模抑制比降低。本設(shè)計在U6的兩輸入端接入R16，R20和可調(diào)電阻R18，如圖中橢圓虛線所示，構(gòu)成共模補(bǔ)償電路，應(yīng)用中通過調(diào)節(jié)R18補(bǔ)償電阻的不對稱性，以獲得更高的共模抑制比。為進(jìn)一步提高AD轉(zhuǎn)換精度，增大AD輸入范圍，本系統(tǒng)設(shè)計了第二級放大電路，第二級放大電路為同相輸入高共模抑制比差動放大電路，由圖可知：漂移均在R17兩端相互抵消，為消除U5A和U5B的偏置電流影響，取R15=R19=36 k，同時取R17=5.1 k。由圖 5 可知，在不考慮 R16，R18，R20時，第一級放大的輸出級電壓uo為

式中，uo′為經(jīng)過RC濾波后的uo，濾波電阻電容分別為 750 R 和 1 μF。 選取 R25=R27=R29=R30=10 k，R26=100 k，R28=10 k，則有

式中，ui3=1.09 V，故經(jīng)過兩級放大后，能斯特電壓上限放大為3.22 V，下限放大為0.22 V，因此，充分利用了STM32F103RCT6的AD輸入范圍，增大了AD轉(zhuǎn)換精度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

O2S-FR-T3迷你型氧化鋯傳感器在40 μA可逆恒流源作用下，產(chǎn)生的能斯特電壓波形如圖6所示。圖中ipc表示Pump端和Common端之間的電流，工作時首先加入從Pump端到Common端40 μA的電流，當(dāng)STM32F103RCT6采集到的電壓達(dá)到閾值V5時電流反轉(zhuǎn)，即40 μA電流由Common端流向Pump端。當(dāng)采集到的電壓達(dá)到閾值V1時，恒流源方向再次反轉(zhuǎn)，如此往復(fù)。

圖6 能斯特電壓Fig.6 Nernst voltage

為準(zhǔn)確測量氧濃度值，需要一個定時器來測量t1，t2，t4，t5， 其 中 t1表 示 40 μA 電流 從 Pump 端 到Common端時，采集電壓由V2逐漸升高到V3時的時間，t2表示V3升高到V4時的時間，t4指電流反轉(zhuǎn)后，即40 μA電流由Common端流向Pump端時，采集電壓由V4降低到V3時的時間，t5為采集電壓降至 V2 時的時間。因此，要想測得 t1，t2，t4和t5，需要知道閾值 V1，V2，V3，V4，V5，O2S-FR-T3 型迷你傳感器推薦的能斯特電壓如表1所示，表中12位ADC門限值是氧化鋯傳感器的閾值根據(jù)式（7）和式（11）轉(zhuǎn)換而來。

表1 閾值電壓表Tab.1 Threshold voltage

由于40 μA泵電流方向切換時，空間電荷層對泵周期Tp的測量有一定影響，因此要想準(zhǔn)確測量泵周期Tp比較難于實現(xiàn)。因此數(shù)據(jù)處理時，并不是測量波谷到波谷或者波峰到波峰的泵周期，而是通過測量除電流反轉(zhuǎn)時間之外的時間來計算改進(jìn)型的周期 td=（t1-t2）+（t5-t4）。 考慮到實測時 td有一定的波動，因此數(shù)據(jù)處理時通過移動平均濾波以減小波動和獲得穩(wěn)定的td輸出，進(jìn)而根據(jù)換算關(guān)系求出對應(yīng)的氧分壓：

式中：O2為待測氧分壓；td（Ave）為校準(zhǔn)環(huán)境下改進(jìn)型周期的平均值；O2（Ave）為校準(zhǔn)環(huán)境下的氧分壓；td為待測環(huán)境下改進(jìn)型周期的平均值。

4 實驗結(jié)果

將標(biāo)準(zhǔn)濃度為20.7%的氧氣通入氧氣反應(yīng)室中，對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，測量結(jié)果標(biāo)定為20.7%。校準(zhǔn)后分別通入濃度為 17.9%，18.4%，19.5%，21.6%的氧氣，測量結(jié)果如表2所示。從測量結(jié)果可以看出，氧化鋯傳感器具有較高的測量精度，可滿足工業(yè)需求。

表2 實驗測量數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental measurement data

5 結(jié)語

經(jīng)過長期的驗證實驗，基于氧化鋯傳感器的氧測量系統(tǒng)操作簡便、測量精度高、靈敏性好、高溫穩(wěn)定性能優(yōu)越，可廣泛應(yīng)用于汽車尾氣、煙道含氧測量等領(lǐng)域，特別是對于電力、石化等行業(yè)，具有十分重要的參考意義。

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