学位论文：氮氧传感器陶瓷芯片检测系统的研制.pdf

硕士学位论文氮氧传感器陶瓷芯片 检测系统的研制 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年 月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保 密口，在 年解密后适用本授权书。本论文属于不保密口。（请在以上方框内打V）学位论文作者签名：日期：年 月日指导教师签名：日期：年 月 日华中科技大学硕士学位论文摘要随着汽车行业的迅猛发展和人们对环保的日益重视，各国相继制定并实施了越 来越严格的汽车尾气放标准，这些对整个汽车尾气放控制系统中起着至关重要作用 的氮氧传感器提出了更高的要求。为了保证生产过程中氮氧传感器的质量，推动氮 氧传感器的发展，就必须研制性能更可靠的测试系统。目前，国内对氮氧传感器测 试系统的研制基本上还是空白。本文设计并研制了一套氮氧传感器陶瓷芯片检测系统，用来检测陶瓷芯片的加 热性能和电极材料浓差电势的灵敏度。该系统可匹配不同电阻值的陶瓷芯片，可以 实现可调的加热温度，并迅速、可靠的测量电极材料浓差电势。系统分为三大部分:机械结构部分、电路硬件部分和软件编程部分。本文围绕上述三大部分进行了以下 几个方面的研究和设计工作。本文首先分析了氮氧传感器的工作原理，同时加热控制策略的原理进行分析，从中选定硬件反馈作为加热测试方案，并在此基础上提出了氮氧传感器陶瓷芯片检 测系统的总体规划与技术方案。然后详细介绍了系统的三大组成部分：机械结构部 分，它主要给芯片提供空气、氮气可快速变换的气氛条件；电路硬件部分是本系统 的控制核心，主要由电源电路、主控电路、通信电路、加热控制电路、电磁阀驱动 控制电路、电极信号采集电路组成；软件编程部分主要保障单片机和外围功能的正 常运行、与上位机通信接收指令并完成相应的操作。再针对检测系统的应用，进行 了芯片测试实验和ESC、ETC台架实验，并对实验数据进行分析。最后对整个系统 进行了总结和展望。关键词：氮氧传感器；陶瓷芯片；检测；加热控制；浓差电势I华中科技大学硕士学位论文AbstractWith the rapid developmen t of the automotive in dustry an d peoples in creasin g emphasis on en viron men tal protection,coun tries have formulated an d implemen ted more an d more strin gen t vehicle ex haust emission s stan dards.These put forward higher requiremen ts for the NOx sen sor which plays a vital role in the en tire automobile ex haust after treatmen t system.In order to promote the developmen t of the NOx sen sor an d guaran tee the quality of it,it is n ecessary to develop more reliable test system.At presen t,these are very little research reports on the NOx sen sor test system in domestic article.This article design ed an d developed a detection system of the NOx sen sor ceramic chip which used to detect the resistan ce heatin g capability an d the sen sitivity of electrode material poten tial.The system can match differen t ceramic chip,achieve a adjustable heatin g temperature,an d rapidly an d reliably determin e the degree of sen sitivity of the electrode material.The system is divided in to three parts:the mechan ical structure part,the hardware part an d the software part.This paper does some research an d design work s aroun d above-men tion ed parts as follows:At first this paper an alyzes the work prin ciples of NOx sen sor an d heatin g con trol strategy.An d the hardware feedback was selected as the test method for this project.Then the techn ical solution s an d total scheme of the detection system were put forward.Secon dly,details the three major compon en ts of the system:the mechan ical structure part is arm to provide quick ly air an d n itrogen atmosphere con dition s for chip;the hardware part is the core part of the system,main ly by the power circuit,the main con trol circuit,commun ication circuit,heatin g con trol circuit,the solen oid valve drive con trol circuit,the electrode sign al acquisition circuit;the software part tak e charge of commun icatin g with the host computer,receivin g in struction an d completin g the appropriate action of the n ormal operation of the main protection MCU an d peripheral fun ction s.Thirdly,test ex perimen ts for the application of the system an d ESC,ETC test were completed an d the ex perimen tal data is an alyzed.F in ally,at the en d of the paper,the en tire system is summarized.Key words:NOx sen sor;ceramic chip;detection;heatin g con trol;con cen tration poten tialii华中科技大学硕士学位论文目录摘要.IAbstract.II1绪论1.1 引言.(1)1.2 氮氧传感器的概述.(3)1.3 国内外研究现状.(4)1.4 课题的提出.(5)1.5 本课题的研究内容.(6)2氮氧传感器陶瓷芯片检测系统的原理及规划2.1 氮氧传感器工作原理.(8)2.2 系统的测量原理与方法.(11)2.3 系统的功能规划.(13)3系统的机械结构设计3.1 结构的原理验证.(17)3.2 配气发生及控制结构的设计.(17)3.3 芯片定位夹具结构的设计.(19)4系统的硬件设计4.1 电源电路设计.(22)4.2 主控电路设计.(23)4.3 通信电路设计.(24)in华中科技大学硕士学位论文4.4 加热控制电路设计.(25)4.5 电磁阀驱动控制电路设计.(26)4.6 电极信号采集电路设计.(27)5系统的软件设计5.1 通信协议设计.(29)5.2 单片机底层驱动程序设计.(30)5.3 指令界面程序设计.(34)6系统测试的数据分析6.1 系统测试数据分析.(37)6.2 台架试验数据分析.(41)7结论7.1 结论.(44)7.2 创新与展望.(44)致谢.(45)参考文献.(46)附 录 攻读硕士学位期间发表论文.(50)IV华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1 引言中国加入WTO后国际经济地位不断提升，汽车产业在中国也显示出良好的发 展势头。过去的十年，中国汽车产销量从234万辆激增到1800多万辆。连续三年 蝉联世界第一汽车生产大国和消费国。年均增幅超过24%。创造了世界发展史上的 奇迹。中国汽车销量占全球汽车销量的比重，也从2001年的4.27%,增长到现在的 25%左右。中国汽车经济学家、业内人士从宏观经济和汽车产业的角度，表达了未 来相当长时期内汽车产业增长的乐观预期。相对于汽油机，柴油车具有良好的经济性、动力性和可靠性，以及较高的热效 率和较低的CO、HC排放，因而逐渐被广泛应用。目前，所有的重型卡车和大部 分轻型卡车都采用柴油机，轿车柴油机化也是未来汽车行业的发展趋势。近几年来，欧洲轿车使用柴油机的数量上升了 40%,而整个柴油轿车已经达到了在用轿车总量 的50%。随着汽车产业的迅猛发展，各种新问题迎面而来，如能源、环境等。这些问题 在很大程度上制约了汽车的发展，更偏离了可持续发展的目标，成为世界性的难题。目前，汽车尾气污染是最突出的问题之一，它危害人体的健康，对人类生存环境造 成了严重影响。发动机排放的尾气中主要的有害成分包括：一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)、硫化合物(SOx、H2S)铅化合物以及颗粒物(PM)等6。其中 NOx、PM由于排放量较大，成为汽车污染中的主要成分。NOx在水系中的沉降会 造成富营养化；二氧化氮(NO?)可以降低肺功能，使呼吸道对室内尘埃过敏，通 过破坏其自然净化功能，增加滤过性毒菌的易感性，降低人体对感染的抵抗力。NO?和SOx是形成酸雨的主要成分，严重污染河流，湖泊等水系，威胁动植物的生存安 全，破坏生态平衡。PM为未燃烧的碳颗粒，它成分很复杂，并具有较强的吸附能 力，可以吸附各种金属粉尘、强致癌物苯并花和病原微生物等。人类已经充分认识到了机动车尾气对环境污染的严重性，从上世纪后半段，美 国、欧洲和日本都制定了相关日趋严格的汽车排放标准体系网，我国实行的国家标准 等效于欧洲汽车排放标准。汽车排放的欧洲法规(指令)标准1992年前已实施若干阶 段，欧洲从1992年起开始实施欧I,1996年起开始实施欧H,2000年起开始实施欧HI,华中科技大学硕士学位论文2005年起开始实施欧IV。欧盟在2005年1月1日推行了欧W排放标准后，又制定了更 加严格的欧V和欧VI排放标准。欧V标准于2009年9月1日开始实行（SUV蓬货车、小 型皮卡和四轮驱动车推迟到2012年9月13日），根据这一标准，柴油轿车每公里氮氧化 物的排放量不应超过180mg,比目前标准规定的排放量减少28%,颗粒排放量比目前 标准规定的减少80%。欧VI标准将于2014年9月实施，柴油车每公里氮氧化物的排放 量不应超过80mg,比目前标准规定减少68%,仅比汽油车（70 mgk m）略高也按照我目重型柴油车排放法规的实施时间表，2010年1月1日，我国已停止对国皿 重型柴油车的核准申报。2011年7月1日起，未达到目IV排放标准的重型柴油车将不 得在全国范围内销售和注册，实际执行推迟到了2013年。欧洲和中国的具体排放水 平如图1-1,图1-2口所示。由于我国排放法规借鉴欧洲标准，该系列标准将成为我国 未来排放法规的蓝本。图1-1：欧洲重型柴油车排放法则要求的污染物排放限值一一项目.欧ini ttivL.联 v.1RVI实能时间2000-10-2006-102005-10-2009-102008-102012-102012-12始排放限值CO/9 (kW-h)-2.11.51.51.5NO#g (kW h)-5.03.52.00.4HC/g (kW h)0.660.460.460.13PM/g (kW h)-10.10.020.020.01烟度/m）0.80.50.15TBD（即待定）图1-2：中国重型柴油车排放法则要求的污染物排放限值日益严格的控制柴油车尾气排放是目前的重要课题，也是将来的方针趋势5。氮氧传感器作为后处理系统的关键部件，主用用来测量尾气中氮氧化物的浓度，为 SCR催化剂（NH3选择还原性NOx,从而减少NOx的排放量）的喷射量提供依据。氮氧传感器的质量直接决定了尾气中NOx的排出量。因此，对氮氧传感器质量检 测系统的研究是很有实际意义的。2华中科技大学硕士学位论文1.2 氮氧传感器的概述当前针对PM及NOx排放控制的柴油机排放后处理技术有两种方法：一种是通过 废气再循环（EGR）技术降低发动机缸内燃烧的NOx排放，然后用柴油机颗粒捕集 器（DPF）控制PM；另一种是通过燃油高压喷射技术降低发动机缸内燃烧的PM排放,然后用选择催化还原技术（SCR,喷射车用尿素液，以中合NOx）控制NOx。SCR技 术因为具有更高的燃油经济性和良好的耐硫性能，被认为是最有优势的技术路线，在欧洲已经得到了广泛的应用I，而SCR技术中必然会用到氮氧传感器。氮氧传感器由传感器探头和电控单元组成，二者之间通过一个线束连接，如图 1-3，可测量尾气中氮氧化物（NO和NO2等氮氧化物的混合物）的浓度、氧气的浓 度。它可用于柴油发动机的SCR系统中实现NOx的闭环控制，或汽油和柴油发动机的 车载诊断（OBD）中。图1-3：NOx传感器的装配系统传感器的探头是将氧敏陶瓷材料制成的陶瓷芯片装配在金属外壳中。实际应用 时，探头被安装在汽车的尾气管道中，安装位置如图1-4用所示，陶瓷芯片会将尾气 中的浓度值以电压的形式反馈到电控单元中。电控单元控制传感器探头的加热温度,并经过一系列信号调理，最后确定泵中NOx浓度、02浓度。电控单元通过CAN总线 通讯，将测量气体的数值实时发送给汽车总控制中心（ECU）,为SCR喷射量提供 依据，以减少NOx的排放。由于NOx传感器必须在发动机控制工作环境中工作，所以传感器必须具有以下 性能：（1）由于发动机燃料燃烧及其尾气排放管温度较高，要求传感器能够在较高 的温度下工作；（2）要求传感器材料经受得住-20900C左右的经常性的温度突变3华中科技大学硕士学位论文的冲击；（3）对尾气中的氧化氮分压变化能做出极为快速的响应和恢复，且重复性、稳定性要好”叫Secondary Air ValveLSU Wide Band Lambda Sensor图1-4：NOx传感器在汽车后处理中的位置F ig 1-4.New advan ced en gin e system an d position s of differen t sen sors.1.3 国内外研究现状1.3.1 国外研究现状国外氮氧传感器起步较早，早期测氮氧的传感器如：电阻式传感器使用氧化物 半导体6-2。或金属酰菁类，电位和电流传感器使用固体电解质卬-31；和电容式 传感器使用氧化物国1。然而，这些传感器工作温度相对较低，敏感度也比较低，因 此不能应用于高温、浓度范围宽的车用尾气测量系统。后来经过不断的努力，适合 车用的氮氧传感器上市。目前市场上成熟的氮氧传感器有德国Siemen s公司,日本NGK火花塞公司两家。1999年，日本NGK火花塞公司生产的第一代NOx传感器用于汽油LNT的NOx尾气处理 系统。此后，随着尾气排放法规和（OBD）车载诊断系统要求越来越严格，使得人 们对可用于柴油发动机尾气处理系统的可快速启动的高精确度NOx传感器期望也增 强。为了满足这个市场需求，2010年，日本NGK火花塞公司和福特汽车公司合作研制 出了第二代NOx传感器网。相对于第一代NOx传感器，第二代NOx传感器主要提高了 NOx的测量精度和稳定性。德国Siemen s公司在电控单元这一块很成熟，氮氧传感器 的电控单元部分由Siemen s自身研发生产，传感器探头部分则在日本NGK火花塞公司 采购。Siemen s的传感器以其稳定性好、精度高的特点，在市场上处于垄断地位，出 4华中科技大学硕士学位论文口价格十分昂贵。国内的汽车公司也多采购Siemen s的氮氧传感器作为后处理系统研 发、试验的部件。Siemen s和NGK氮氧传感器的陶瓷芯片都是由氧化错氧敏材料制成，而这些也是 构成氧传感器探头的材料。氮氧传感器的原理是基于氧传感器原理之上的。占领全 球氧传感器最大市场的生产公司德国Bosch,正处于氮氧传感器的研发试验或小批量 生产阶段。未来氮氧传感器市场前景光明，Bosch也正加紧研发的步伐，但尚未有成 熟产品上市。目前，国际上氮氧传感器生产商有德国Siemen s公司、日本NGK火花塞公司。它 们的氮氧传感器性能较稳定，从产品成熟度上来看，日本NGK火花塞公司的探头检 测配备系统应该是较为完善。NGK未来研究方向将从功能实现转向如何提高小浓度 NOx测量精度、稳定性和小型化。1.3.2 国内研究现状国内对电控柴油机后处理技术领域的研发比较晚，在北京奥委会明确奥运期间 的用车需达标国IV排放标准要求后，国内科研企业和柴油机生产厂商才逐渐开始进 入柴油机后处理技术实际开发进程。但即便这样，国内的重点还是放在SCR系统 基集成上。由于氮氧传感器技术含量很高，国内在此方面的研究开发很少。目前国 内的氧传感器主要依赖进口，没有成熟的产品上市，德国Siemen s占据了中国的绝大 部分市场。一些大学科研机构，如清华大学、北京交通大学、华中科技大学、上海 交通大学、武汉理工大学、武汉科技大学等展开了相关的研究，分别在氧传感器、SCR后处理系统，氮氧传感器生产工艺及相关材料的研究中取得了一定的成果。但 要达到德国Siemen s这样成熟的水平，还有很多工作要做。1.4 课题的提出随着人们对环保的日益重视，各国相继制定并实施了越来越严格的汽车尾气放 标准，这些对整个汽车尾气放控制系统中起着至关重要的氮氧传感器提出了更高的 产量和质量上的要求。我国在2013年将正式实施国四排放标准，氮氧传感器必会呈 现刚性需求。为了保证氮氧传感器生产过程中陶瓷芯片的质量，就必须研制性能更可靠的测 试系统。目前，国内对氮氧传感器测试系统的研制基本上还是空白网。因此，本课题 研制的氮氧传感器陶瓷芯片检测系统，对提高我国氮氧传感器批量生产的质量具有 5华中科技大学硕士学位论文积极意义。本课题基于NOx传感器的工作原理，设计并研制了一套测试系统，用来检测陶 瓷芯片的加热性能和电极材料浓差电势灵敏度。该系统可匹配不同电阻值的陶瓷芯 片，能实现可调的加热温度，并迅速、可靠判断电极材料灵敏度。用于氮氧传感器 小批量生产过程中，质量控制的测试。系统由机械结构、硬件和软件等部分组成，其技术指标如下：(1)温度控制电压范围：012V；(2)温度控制电流范围：01A；(3)温度控制精度：1；(4)温度在变化环境中响应时间：VlOms；(5)气体类型：空气、氮气；(6)电极材料电势测量精度：Imv；(7)平均每片陶瓷芯片测量时间:2NO+02(2-1)2NOAN2+O2(2-2)传感器探头陶瓷芯片采用氧化错敏氧材料，基本原理是氧浓差原电池，理论上 服从能斯特方程。8华中科技大学硕士学位论文2.1.1 氮氧传感器的泵氧原理氧化结氮氧传感器的基本原理是能斯特原理（1889）,Walther Nern st流电元素的 物理行为。当氧化错层两边的氧含量不同时它便是一个典型的氧浓差电池。在此电 池中，空气是参比气，它与待测气体分别位于内外电极。两电极间产生一个与氧浓 差有关的电势E,该电势信号符合能斯特方程（2-3）图：RT PoE=ln()4F Pa(2-3)式中：R理想气体常数，R=8.314J/（mol-K）；T绝对温度（K）；F法拉第常数，F=96500 C-mol；E氧浓差电势（mV）；Po参比气体氧分压（空气中标准氧含量21%）；Pa被测气体氧分压（）。氮氧传感器的敏感元件是由氧化错电解质制成的陶瓷传感器。它通过测氧含量 来间接测量氮氧化合物含量，但空气中本身混有一定量的氧气，因此要准确测氮氧 化合物就必须先将空气中氧气排除掉。为了剔除空气中的氧，氮氧传感器中一般设 立两个腔室分开泵氧。氮氧传感器泵氧的原理图如图2-3所示。主氧衮向外（富氧气氛）向内（还原气氛）廿U辅助氧泵：向外（进一步泵氧）NOx产生的氧泵：向外（表nOx）尾气02 较少量ZrO2|ZrO2ZO2极少量2NON2+O22NOJ2NOH2参考电压第二监室图2-3：氮氧传感器泵氧原理图汽车尾气通过传感器监测，经由扩散障碍进入第一腔室，在外加电势的作用下,9华中科技大学硕士学位论文腔室内的富氧气氛或还原气氛最终成为中性，测量差电流可以得到空气中氧气的浓 度。第一腔室内的氧气控制在很低但固定的浓度水平(在ppm级别，ppm为百万分之 一)，尾气通过了第一个腔室后含有ppm级别的Ch和NOx,接着进入第二腔室。第一 腔室中剩余的游离态。2完全被第二腔室这个辅助泵泵走，平衡状态2NO N2+O2 被打破，随。2浓度的不断减少而不断向右移动，N0也就不断减少。测量第二腔室中 降低的氧的电流值即代表尾气中NOx的浓度。2.1.2 氮氧传感器加热的工作原理氮氧传感器所用的氧化错是一种对温度很敏感的材料，它可以耐温1000多,能很好适应汽车尾气排放管中的高温(200400)o氧化错在600-700C时，氧浓 差电势最符合能斯特方程，也最稳定。因此，氮氧传感器必须要加热到氧化错材料 的最佳温度。氮氧传感器中采用PT100伯电极进行加热。PT100是伯热电阻，简称为：PT100 伯电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0C时阻值 为100欧姆，在100C时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当PT100在0 摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀 速增涨的361o伯电极的电阻随加热呈线性变化如式2-4,Ro、Rt分别为温度为0和T时，伯 电阻的阻值。Rt=Ro(1+0.00385 T)(2-4)2.1.3 氮氧传感器陶瓷芯片工作原理氮氧传感器探头的核心是陶瓷芯片，泵氧腔室和加热伯电极都封装在芯片中。陶瓷芯片的外形图如图2-4(a)、(b)所示，其截面图如图2-5所示。图2-4(a)：氮氧传感器陶瓷芯片外形图正面 图2-4(b)：氮氧传感器陶瓷芯片外形图反面陶瓷芯片由六层氧化钻陶瓷片经一系列的工艺加工而成。如图2-5,第五层和第 六层陶瓷间的为伯电阻，引出两个电极为加热电极正和加热电极负，在外加电压和 电路控制的作用下，将整个芯片加热并稳定到最佳温度(600-700C间某个精确值)。第四层陶瓷中封装一定体积的空气(氧气浓度为21%),在第四层的空气腔中引出 10华中科技大学硕士学位论文一个电极作为参考电极。第一层陶瓷的表面引出公共电极，公共电极和参考电极间 电压为参考电压Vef,当公共电极在空气氛围中，丫.尸0V第二层陶瓷中设有两个腔 室，主泵第一腔室的表面积比第二腔室大，做成外宽内窄形状。尾气进入第一腔室,在公共电极和一级泵电极间，外加电势参考Vo,将尾气中的氧泵出，测量此时的氧 电流IP0,即得到尾气中氧含量。在第二腔室的前端引出一个电极即二级泵电极，在外加控制电路的作用下将口控制在一个合适的范围内，以确保第一腔室中的氧 在ppm级别。第二腔室的后端引出一个电极即测量电极，测量IP2,即得到尾气中 的氮氧含量。第二层陶瓷下表面引出的电极是钳位电极，目的是防止电极电势过高。2.2 系统的测量原理与方法本课题检测系统的两个主要目标：（1）测量陶瓷芯片加热性能；（2）测量电极 材料浓差电势灵敏度。2.2.1 加热性能测量原理氧化错材料受实际工作温度的影响很大，而汽车尾气环境是时刻存在变压冲击 11华中科技大学硕士学位论文的，要想稳定的测量浓差电势，就必须稳定氧化错工作温度值。给芯片提供变电压 比较容易，但要实现尾气环境在变化的气氛中稳定温度比较困难，实验论证了两种 方案。方案一：软件稳定温度将实时测量的温度值送到单片机中，通过软件的判断语句将温度稳定在某一个 需要的值。温度采集和判断语句执行等均需要时间，温度的响应时间为毫秒级别。不断调节，直到稳定温度的时间为秒级别。方案二：硬件稳定温度根据式2-4,可以通过计算Rt,精确的得到此时伯电极的工作温度T。如图2-6,将伯电极等效成一个可变的电阻Rt,VH、VW、VL 一起表示可编程的电位器，运 放在这里作为正向比较器。VW设定一个值，左右两边的电阻比例一定，当气氛温 度升高时，若加热电压不变，实际工作温度变高，Rt变大，运放正极的输入值比负 极VW小，运放输出无穷小，经三极管放大，Pt+变小，加热电压变小，直到和VW 的设定值一致时，Pt+稳定。反之，当气氛温度降低时，加热电压变大，直到温度稳 定。电压随气氛温度的变换依靠的是硬件的反馈，速度非常快，可以到微秒级别。不断调节，直到稳定温度的时间为毫秒级别。这样我们实现了传感器的工作温度不 随气氛温度的变化而变化。当通过指令改变VW的值，我们可以得到不同的温度值,合理的选择VH、VW、VL的阻值，可以得到需要的温度值。比较响应时间和温度可调性两方面，最终此测试系统选择了方案二作为加热测 试的方案。12华中科技大学硕士学位论文2.2.2 电极浓差电势灵敏度测量定义浓差电势灵敏度测试主要是检查陶瓷芯片中泵氧腔室以及电极能否正常工作。系统将引出的八个电极中的六个电极（除去加热两个电极），经滤波，电压稳定后 进行采集。若是每个电极相对于参考电极的电压，在空气氛围和氮气氛围下（氧浓 差为21%）,对应的浓差电势变化大于lOOmv（根据实际测量经验而规定的数据），即认为电极浓差电势的灵敏度达到要求。为了保证测量的准确性，进行多测量几次 求平均值处理。2.3 系统的功能规划本系统主要由三大部分组成：机械结构部分、硬件部分和软件部分。其系统框 图如图2-7所示。实际应用中将这些系统用RS-485连成网络系统，实现对多个芯 片的同时测量。图2-7：氮氧传感器芯片检测系统框图2.3.1 系统机械结构部分规划系统的机械结构部分是给芯片提供空气、氮气可快速变换的气氛条件，主要由 配气发生及控制结构和芯片定位夹具结构组成。系统用RS-485连成网络系统的结 构部分规划图如图2-8所示。13华中科技大学硕士学位论文控制盒控制盒 *图2-8：网络系统机械结构部分规划图配气发生及控制结构由空气、氮气，气体管道，减压阀压力表，电磁阀，小腔 室组成。电磁阀配合控制盒中软硬件实现指令控制开关。为了提高测量速度，采用 了 RS-485总线结构，对多套配器设备同事进行控制和测试。芯片定位夹具结构目的是保证芯片引出的八个电极与信号采集线的可靠性接 触。由于芯片的尺寸很小，如图2-4,八个电极（0.5mm左右）以及极间的间距（0.5mm 左右）更小，并需一定的耐温值（200左右），因此定位夹具装置是本机械结构设 计中的难点。2.3.2 系统硬件部分规划系统硬件部分是本系统的一个核心，主要由电源电路、89C51主控电路、RS-485 通信电路、加热控制电路、电磁阀驱动控制电路、电极信号采集电路组成。系统硬 件主要实现2-8中控制盒的功能，其原理框图如图2-9所示。14华中科技大学硕士学位论文图2-9：系统硬件部分原理框图MCU选用功能较强的89c51,通信方式采用RS-485总线。RS-485通信在工业 上应用广泛、可靠性好，并能很好的保证多芯片同时测量的实现，其原理图如图 2-10所示。电源需要标准的5V、-5V,1路12位DA数模输出芯片，8路12位AD 数据采集芯片。温度加热控制采用H型电桥，配合数字电位器，实现温度实时的 稳定和可调。电磁阀驱动控制则在PNP和NPN双三极管的共同控制下完成。温度 测量和电势测量均经滤波、取平均值后再采集。芯片1 芯片2芯片3芯片4芯片5芯片6图2-10：系统RS-485通信示意图2.3.3 系统软件部分规划系统软件部分主要由单片机底层驱动程序和指令界面程序组成。底层驱动程序 主要是配合硬件写入到89c51里面的程序，包括主程序和调用子程序。主要子程序 有：RS-455串口通信、AD转换、DA输出、看门狗、定时中断、加热控制、电磁 阀控制、数据读写等。部分子程序需认真参考所选芯片的datasheet来进行。指令界 面程序是上位机的程序，由每个芯片配有的相应调节参数的界面和同时在测量的所 有芯片的数据显示界面组成。芯片参数调节界面包括加热控制、气氛控制、芯片测 15华中科技大学硕士学位论文量进程显示三个模块。加热控制包括温度调节参数设定、加热开始按钮、加热结束 按钮。气氛控制包括空气气氛开和关按钮、氮气气氛开和关按钮。芯片测量进程显 示将芯片当前的测量进程和测量数据显示出来。芯片数据显示界面包括20个芯片 同时测量芯片的数据显示，加热未完成的芯片暂时不显示数据，待加热完成后才显 示，并且不通过的芯片以红色和报警显示。测量通过数据统计包括本次检测通过芯 片统计和累计通过芯片统计。16华中科技大学硕士学位论文3系统的机械结构设计系统的机械结构部分是在保证芯片的八个电极与信号采集线可靠接触的前提 下，给芯片提供空气、氮气可快速变换的气氛条件。主要由配气发生及控制结构和 芯片定位夹具结构组成。3.1 结构的原理验证在该简易结构中，由空气瓶、氮气瓶、管道、减压阀门、玻璃转子流量计、芯 片夹头、与芯片匹配的腔室组成。实验时，首先将芯片安装在带有外螺纹的接头上(此接头必须保证芯片的八个电极与外接线接触完好，这部分将在3.3节中详细介 绍)，并将接头螺纹旋入有内螺纹的气体管道中，然后给芯片外加9V直流电压，加 热到可以看到芯片伯电阻处发红，再打开空气瓶的阀门，通过玻璃转子流量计控制 气流，测量此时参考电极对其它电极的电压，最后关闭空气阀门，打开氮气瓶的阀 门，通过玻璃转子流量计控制气流，测量此时参考电极对其它电极的电压。调整外 加电压，可以检验芯片的加热性能，而对比两次不同气体下的测量电压可以得到电 极浓差电势的灵敏度。经简易的结构搭建，此方法基本可以满足测试要求，实际的机械结构设计中将 进一步提高自动化的程度。3.2 配气发生及控制结构的设计(1)管道17华中科技大学硕士学位论文为了方便管道转接，系统中采用标准尺寸管道。气流有一定的压力并且陶瓷芯 片加热温度高，会有余温扩散到气流管道中，因此管道的材质要采用耐压、耐温且 耐腐蚀的材料。管道选择内部为薄钢，外部为塑料两层材质管道。(2)空气、氮气系统中使用的空气和氮气均为工业标准气。空气也可采用空气压缩机采集到的 空气，但为了创造更稳定的气氛条件，于是采用空气罐。标准空气的氧气含量为 20.6%,氮气为高纯氮，纯度沙9.999%。(3)气瓶减压阀气瓶减压阀的示意图如图3-2所示，是通过调节，将进口压力减至某一需要的 出口压力，并依靠介质本身的能量，使出口压力自动保持稳定的阀门。从流体力学 的观点看，减压阀是一个局部阻力可以变化的节流元件，即通过改变节流面积，使 流速及流体的动能改变，造成不同的压力损失，从而达到减压的目的卬】。(4)电磁阀该电磁阀型号为2W400-40B,电磁阀的线圈固定，可动部件为阀芯，其实物图 如图3-3所示。给电磁阀通电，线圈得电后，会产生电磁力将阀芯吸起来，阀芯带 动隔膜向上运动，此时气流可以通过膜片上的空隙在管道内流通，阀门处于开启状 态；断电后，线圈失电磁力消失，在弹簧的回复力和阀芯自身重力作用下，阀芯回 落，膜片回复原位，另外隔膜由于气压差，会紧紧吸在管道上，将管道完全封闭，阀门处于关闭状态13%当以空气作为介质时，电磁阀的各项参数如下：工作温度：-58018华中科技大学硕士学位论文使用电压：10%AC220V,110V,DC24V图3-3：系统中安装电磁阀的实物图（5）与夹具定位的小腔室与夹具配合成芯片充气的小腔室，腔室体积不能过大，在方便芯片装配的条 件下越小越好，以便气体快速充满。小腔室无需完全密封，让气体得以置换。3.3 芯片定位夹具结构的设计芯片定位夹具结构目的是保证芯片引出的八个电极与信号采集线的可靠性接 触。由于芯片的尺寸很小，如图2-4,电极和极间距都在0.5mm左右，而且芯片电 极端要承受加热端的余热，采集结构需保证耐200C高温，因此定位夹具装置是本 机械结构设计中的难点。本系统中设计了三种方案，其优劣对比如下。方案一：电路板焊接法如图3-4为电路板焊接法的实物图，此方案从锡焊焊接的牢靠性和耐高温中得 到的启示。它由三小块电路板做成，由于集成电路的高速发展，硅片上的堆锡很容 易做到小于0.5mm级别。三块电路板上的孔用于螺钉装配，电路板叠起来做成如图此方案中的定位夹具结构制作简单，成本低，但由于芯片的电极面不是绝对的 平整，每个芯片的厚薄也有差异，且硅片是无弹性材质，因此接触的可靠性还是不 19华中科技大学硕士学位论文能完全保证。电路板需要逐个焊接信号采集线，效率比较低。图3-5：芯片夹具定位结构方案一的组装图方案二：赛钢、铜弹片法如图3-6为赛钢、镒铜弹片法的实物图，此方案由镒钢弹片，有弹性、有200c 耐温的塑料材料赛钢块和镒铜电极组成。镒铜电极可以做到0.5mm的级别，极间电 阻小且容易嵌入到赛钢块中，镒钢弹片有将赛钢块向中间收拢的作用。此结构的信 号采集线在座子的底部，将陶瓷芯片插入即可保证接触。图3-6：芯片夹具定位结构方案二的实物图此方案的效率较方案一大有提高，镒钢弹片和赛钢块都是弹性材质，但它们的 弹力有限，且镒铜电极的平整度不好把握，因此接触的可靠性还是不能完全保证。在芯片插拔多次后此结构会失效，寿命有待提高。方案三：弹性探针法如图3-7为弹性探针法的设计图，此方案受电脑网线插拔水品头的启示，将弹 性较好的探针弯折成如图3-8所示的尺寸，芯片不插入的时候，相对的探针头相接 触，芯片插入后，将探针挤开，探针紧压在陶瓷芯片的电极上。弹性探针法接触的可靠性好，但对材料和工艺的要求高，目前还处在构想阶段,20华中科技大学硕士学位论文需要进一步完善。图3-8：弹性探针弯折设计图以上三种芯片夹具定位结构的设计，前两种已经完成，后一种处于设计阶段。测试系统暂时采用第二种的赛钢、镒铜弹片法。21华中科技大学硕士学位论文4系统的硬件设计硬件部分是本系统的控制核心，主要由电源电路、主控电路、通信电路、加热 控制电路、电磁阀驱动控制电路、电极信号采集电路组成。下面将具体介绍每个电 路模块的原理和功能。4.1 电源电路设计本系统硬件的电源部分主要为整个电路提供：（1）单片机及各功能芯片工作 需要5V的稳定直流电源；（2）运算放大器需要+24V和-5V的直流电源进行双