宽氧传感器的应用

宽氧传感器的应用
一、应用场合：
宽氧传感器应用在汽车发动机控制系统的的排气系统，主要是通过检测发动机排出的尾气经过三元催化反应器前后中氧气的含量的变化，以判断混合气体是否燃烧充分。

现在缸内直喷发动机、柴油机的尾气处理的λ传感器都是采用的宽氧传感器。

二、简介
本方案采用的是bosch公司的LSU4.2宽氧传感器，采集宽氧传感器信号的主控芯片也是bosch公司的CJ125芯片。

目前整个设计的电路板尺寸仅为41*57mm。

这款电路设计包含了控制宽域氧传感器的所有功能，而且不需要额外的器件。

不过这款设计目前还只是实验室环境下的一个模型，还没有通过实际极端工业环境和ECM验证。

三：功能和使用电路
开发这款电路是为了测量废气中的氧含量并对λ值进行标定。

有两种情况：
1. 混合气浓
2. 混合气稀
如果混合气稀，那么废气中便会又氧分子存在。

这意味着混合其中含有多余的氧气。

这种情况适用于柴油发动机和加热系统，因为这些系统在缺氧的情况下工作的不理想。

如果混合气中的氧气不足以使燃料充分燃烧，则这种情况被界定为混合气浓。

在这种情况下废气中还有少量的燃料存在。

在混合气浓的工况下，发动机的动力有明显提升。

而对于存在涡轮增压的系统，混合气加浓用来冷却涡轮增压器、活塞、阀门等易损器件。

宽域氧传感器在汽车工业中的大量应用使得近几年出现了节能减排的态势。

而对于加热系统领域应用的监管也变得很有必要。

1. 电压稳定在11~14V
2. 电流达到4A
3. 避免电流尖峰的干扰，即要求足够平稳
输出（TTL电平信号）”和“启动输入”，还可以通过“标定模式”引脚启动标定模式。

第四脚：原始λ值能够被直接转换为氧含量值。

这个管脚直接与芯片CJ125相连，而且反应速度很快。

但是对这个值进行转换是个复杂的过程。

第八脚：线性λ值表现为一个线性的电压，目前有三个版本：
1.LSU4.2: λ 0.7 – 1.3 (校准后λ=1,00)
LSU4.2 λ1.0 – 2.0 (校准后λ=1,37)
LSU4.9 λ1.0 – 2.0 (校准后λ=1,38)
输出电压为线性值，λ=1.0时输出电压是0V，λ=2时输出电压是4.0V，这样便确立了一条直线，可以根据实际读取到得电压值换算成对应的λ值，此例中：
λ=（V+4）/4 其中V是读取到的线性电压值
第五脚：报错输出脚平时为低电平，当检测到错误发生时会被拉高，如果想知道具体的错误类型，必须通过串口来读取
第六脚：此脚被拉低测量便启动了，可以通过模拟接口或者数字接口来启动测量，此脚内部接有上拉电阻，故常态时为高电平
第七脚：“标定引脚“可以用来转换为标定模式。

此模式下线性的λ值将会被校准到参考值，并且标定的值会通过数字接口输出。

仅当探针没有被加热时才能使用标定模式，如果正常操作中采用标定模式探针将会返回给一个错误值。

每次启动时装置都会自行标定一次，所以正常情况下再开启标定模式是没有必要的。

四、数字接口
采用CJ125芯片，数字接口能够反映出所有的诊断信息和操作情况。

数据的刷新频率为可选的1赫兹或者5赫兹，数据能够被转化为Excel表格的形式。

详细的功能描述参照以下章节。

数字接口共两针，分别为第一和第二引脚的“串口数据发送”和“串口数据接收”
数字接口能够提供和模拟接口一样的丰富功能。

在使用模拟接口的同时最好附加使用数字接口。

5.1 Setting up the interface
为了保证接收数据和发送命令的正确性，必须遵从以下串口设置：
波特率：115200
数据位：8
停止位：1
无奇偶校验位
无应答信号位
5.2 Decoding data pakets
5.2.1 …Lambda“
第一行是泵电流信息，通过泵电流可以精确的计算出当前λ值。

公式省略。

式中，V代表放大倍数，在大气稀薄的环境下，V=17；反之，在氧含量充足的大气环境下，V=8。

5.2.2 …Ref“
REF代表内置参考电压，电压值为1.22V，精确度为正负1%，操作电压可以再4.75至5.25V之间，它为ADC提供基准参考电压。

通过REF值，可以精确的计算出ADC 的基准参考电压。

公式省略。

默认情况下REF=250.
5.2.3 …Bat“
Bat代表数字部分的供电电压，此电压被一个10K欧姆至39K欧姆的分压电阻分压。

如果Bat电压低于440（=10.5V）或者高于670（=16V），测量将被终止，电路将切换到Standby模式来保护自身和探针。

5.2.4 …Status“
在Status寄存器中，列出了所有的常规操作和错误类型，这和CJ寄存器中一样。

0. CJ125内部出错，具体参照CJ部分的说明。

1. 探针温度过高
2. 供电电压过低，小于10.5V
3. 供电电压过高，大于16V
4. 内部通信出错
5. 探针达到加热温度，当前读取的λ值可用。

6. 内部程序出错，需要重启系统
7. 电路处于标定模式中，显示值与实际值不符
5.2.5 …CJ“
诊断寄存器在读取后将被清空。

如果读出有错误发生，加热器将停止工作以保护探针，另外，“报错输出“管脚将被拉为高电平以指示有错误发生。

如果有错误发生，那么流过探针的泵电流以及对能斯特电阻的测量都会停止，所以，如果错误不消失，读取到的λ电压值是错误的。

尤其是使用老一代的探针时，当加热超过操作温度会读取到一大堆的错误信息，现在，如果加热到正常的操作温度，这些问题已经不复存在。

如果在加热过程中报错过多，就需要考虑更换探针了。

5.3 Transmitting commands
下表命令都被支持
N CJ125进入正常的测量模式。

H 探针加热开始，30秒后探针准备就绪。

D 探针加热结束。

F 数据每秒刷新5次。

S 数据每秒刷新一次（标准设置）。

T 数据采用完全模式发送
E 数据采用.CSV模式发送。

这些命令需要被翻译成ASCII码并且需要区分大小写。

每条命令都以回车结束(ASCII码为13)。

6 Calibrating the circuit
发送命令C，CJ125将进入标定模式。

在此模式下，原始λ值管脚输出
的电压代表λ=1时的电压值，约1.5V。

线性λ值管脚输出也被钳位在表定点。

每次上电系统都会自行标定一次，如果测量连续进行24小时以上，必须重新标定一次。

7 Calculating the oxygen content
LSU4.2和CJ125配合使用可以在λ=1附近区域范围内达到最高的精度。

在λ=1.7附近，测量误差约为正负0.05，由于老化效应的影响，这个误差可以达到正负0.15.
在λ=1.009时，测量误差仅为正负0.006，即使工作2000小时以后，误差也在正负0.008范围内。

要计算废气中的氧含量，你必须根据LSU4.2或者LSU4.9绘制一条标定曲线。

氧浓度和流过泵单元的电流成正比。

CJ125通过一个分流电阻来测量这个电流，电阻上的压降被放大后测量。

电压电流关系参照章节5.2.1。

可以利用以下公式计算氧含量（仅适用于BsochLSU4.2）
公式省略。

在混合气浓的工况下LSU4.9有不同的标定值。