專利名稱：用于補償輸出誤差的氣體濃度測量設備的制作方法
技術領域：
本發明的技術領域一般涉及可被用于測量機動車引擎排放的廢氣中的預選成分(例如氧氣)的濃度的氣體濃度測量設備，并且特別涉及用于為補償輸出誤差而校正氣體傳感器的輸出的氣體濃度測量設備，其中所述輸出誤差由設備的個體變化而引起。
背景技術：
限制電流空氣燃料(A/F)混和比傳感器(也被稱為A/F傳感器或者Lambda傳感器)是為人所知的，其用于測量包含在機動車輛引擎所排放的廢氣中的氧氣(O2)的濃度，以確定供應給引擎的混合物的空氣燃料比。一個典型的A/F傳感器包括由固體電解質主體以及一對附加在固體電解質主體上的電極構成的傳感器元件。通過以下方式來實現對氧氣濃度的測量通過電極將電壓施加到固體電解質主體，以產生穿過傳感器元件的電流，該電流是氧氣濃度的函數，并且采樣電流以確定A/F混和比。
近些年來，在廣大范圍中都存在測量供應給引擎的混合物的A/F混和比的要求。例如，需要測量處于從充足到極度貧乏的比率范圍中的A/F混和比，所述極度貧乏的比率與大氣中氧氣的濃度相等。為了提高在按化學計量(stoichiometry)配比附近的A/F混和比反饋控制的正確性，還需要提高測量按化學計量配比附近的A/F混合比的分辨率。例如，日本專利No.3487159(U.S.P No.5,980,710)披露了一種A/F混合比測量系統，用于在處于兩個濃度范圍中的不同分辨率，以兩個不同的放大因子放大A/F傳感器的輸出，以確定供應給引擎的混合物的A/F混合比，其中所述兩個范圍分別是11至等同于大氣的寬范圍和12至22的窄范圍。
通常，A/F傳感器或者傳感器控制電路，在電路特性方面具有個體變化，這將導致測量A/F混合比的正確性的降低。此外，A/F混合比測量系統，如同上述公開中披露的系統，用于以不同的放大因子放大傳感器輸出，以確定在寬范圍和窄范圍內的A/F混合比，這種A/F混合比測量系統會遇到下述問題，由于電阻和/或運算放大器的個體變化，將使寬范圍和窄范圍間的測量誤差不同，因此在校正A/F混合比時，將增大誤差，這將導致對供應給引擎的混合物的A/F混合比的控制的準確性降低。
發明內容
因此，本發明的一個主要目標是消除現有技術的缺陷。
本發明的另一個目標是提供一種氣體濃度測量設備，所述氣體濃度測量設備用于發現不同測量范圍內的氣體濃度信號的誤差，并且為了提高設備中的測量的準確性，補償該誤差。
根據本發明的一個方面，提供了一種氣體濃度測量設備，所述設備可以被用來確定供應給汽車引擎的混合物的空氣燃料混合比，用于對引擎的燃燒控制。所述氣體濃度測量設備用于采樣氣體濃度傳感器的輸出，所述氣體濃度傳感器包括由固體電解質主體構成的傳感器元件，所述固體電解質主體產生作為特定氣體成分濃度的函數的電流，所述氣體濃度測量設備包括(a)第一信號輸出電路，用于輸出作為由傳感器元件產生的電流的函數的第一傳感器信號，該信號用于確定在第一氣體濃度范圍中的特定氣體成分的濃度；(b)第二信號輸出電路，用于輸出作為電流的函數的第二傳感器信號，該信號用于確定在第二氣體濃度范圍中的特定氣體成分的濃度，所述第二氣體濃度范圍不同于所述第一氣體濃度范圍；以及(c)氣體濃度確定電路，該電路對第一和第二傳感器信號進行采樣，以確定在第一和第二氣體濃度范圍中的特定氣體成分的濃度。氣體濃度確定電路分析第一傳感器信號的值，以確定第一輸出特性誤差，該誤差是實際輸出特性和第一信號輸出電路的確定的參考輸出特性之間的差別，當氣體成分處于第二氣體濃度范圍內時，采樣第一傳感器信號和第二傳感器信號的值，使用由第一傳感器信號的采樣值指明的氣體成分濃度和第一輸出特性誤差來計算氣體成分的實際濃度，確定緊接著氣體成分實際濃度的計算而采樣的第二傳感器信號的值與第二信號輸出電路的確定的參考輸出特性的相應值之間的差別，作為第二信號輸出電路的第二輸出特性誤差。
在本發明的優選模式中，氣體濃度確定電路在氣體成分的兩個不同的濃度，采樣第一傳感器信號的值，并且確定兩個輸出誤差，這兩個輸出誤差是第一傳感器信號的采樣值與第一信號輸出電路的確定的參考輸出特性的對應值之間的差值。氣體濃度確定電路使用已確定的兩個輸出誤差計算在第二氣體濃度范圍內的氣體成分實際濃度。
氣體濃度確定電路對第一傳感器信號的兩個輸出誤差執行插值運算，以確定在第二氣體濃度范圍內的特定氣體成分的實際濃度。
氣體成分可以是氧氣。在該情況下，第一氣體濃度范圍在0％的氧氣濃度與等同于空氣的濃度(即，與大氣中氧氣濃度相等的濃度)之間。氣體濃度確定電路在0％氧氣濃度和等同于空氣的濃度中采樣第一傳感器信號的值，以確定兩個輸出誤差。
氣體濃度測量設備還包括傳感器控制電路和開關電路。傳感器控制電路包括第一和第二信號輸出電路，并且傳感器控制電路將電壓施加到傳感器元件，以產生穿過傳感器元件的電流的流動。傳感器控制電路在第一模式中運行以采樣第一和第二傳感器信號，所述第一和第二傳感器信號用于確定在第一和第二氣體濃度范圍中的氧氣濃度，并且在第二模式中運行，以產生參考傳感器信號，該參考傳感器信號是第一傳感器信號的值并且指明了0％的氧氣濃度。當要求時，開關在傳感器控制電路的第一和第二模式之間切換。
氣體濃度確定電路在0％的氧氣濃度采樣第二傳感器信號的值，并且確定一個輸出誤差，該誤差是第二傳感器信號的采樣值與第二信號輸出電路的確定的參考輸出特性的對應值之間的差值，并確定一個輸出誤差，該誤差是緊接著氧氣實際濃度的計算而采樣的第二傳感器信號的值與第二信號輸出電路的確定的參考輸出特性的對應值之間的差值。該設備還包括校正電路，用于校正第二信號輸出的采樣值，以便補償第二傳感器信號的輸出誤差。
氣體濃度確定電路用于在兩個處于第二氣體濃度范圍內的氣體成分濃度采樣第一傳感器信號的值，以使用第一輸出特性誤差來確定所述氣體成分的兩個實際濃度。氣體濃度確定電路確定兩個輸出誤差，它們是第一傳感器信號的采樣值與第一信號輸出電路的確定的參考輸出特性的對應值之間的差值，氣體濃度確定電路還使用所述兩個輸出誤差計算第二輸出特性誤差。校正電路用于校正第二信號輸出的采樣值，以便補償第二輸出特性誤差。
第一信號輸出電路用于以第一放大因子來放大其中的輸入，以輸出第一傳感器信號，所述輸入是由傳感器元件產生的電流的函數。第二信號輸出電路用于以不同于第一放大因子的第二放大因子來放大其輸入，以輸出第二傳感器信號，所述輸入是由傳感器元件產生的電流的函數。
第一放大因子小于第二放大因子。
根據本發明的第二方面，提供了氣體濃度測量設備，用于采樣氣體濃度傳感器的輸出，所述氣體濃度傳感器包括由固體電解質主體構成的傳感器元件，所述固體電解質主體產生作為內燃機廢氣的氧氣濃度的函數的電流。氣體濃度測量設備包括(a)第一信號輸出電路，用于輸出作為電流的函數的第一傳感器信號，該信號用于確定在寬濃度范圍中的氧氣濃度，所述寬濃度范圍包括等同于0％氧氣濃度的按化學計量配比氧氣濃度，以及等同于空氣的濃度，該濃度相當于大氣的氧氣濃度；(b)第二信號輸出電路，用于輸出作為電流的函數的第二傳感器信號，該信號用于確定在窄濃度范圍內的氧氣濃度，所述窄濃度范圍包括按化學計量配比氧氣濃度，并且不包括等同于空氣的濃度；以及(c)氣體濃度確定電路，該電路對第一和第二傳感器信號進行采樣，以確定在第一和第二氣體濃度范圍內的氧氣濃度。氣體濃度確定電路在按化學計量配比氧氣濃度和等同于空氣的濃度采樣第一傳感器信號的值，氣體濃度確定電路確定兩個輸出誤差，它們是第一傳感器信號的采樣值與第一信號輸出電路的確定的參考輸出特性的對應值之間的差值，所述兩個輸出誤差作為第一信號輸出電路的第一輸出特性誤差；當氧氣濃度處于第二氣體濃度范圍中時，氣體濃度確定電路采樣第一傳感器信號和第二傳感器信號的值；氣體濃度確定電路使用由第一傳感器信號的采樣值指明的氧氣濃度和第一信號輸出電路的第一輸出特性誤差來計算氧氣的實際濃度；氣體濃度確定電路確定在緊接著氧氣的實際濃度的計算而采樣的第二傳感器信號的值與第二信號輸出電路的確定的參考輸出特性的對應值之間的差值，將該確定的差值作為第二信號輸出電路的第二輸出特性誤差。
在本發明的優選模式中，氣體濃度測量設備還包括傳感器控制電路和開關電路。傳感器控制電路包括第一和第二信號輸出電路，并且將電壓施加到傳感器元件上以產生穿過傳感器元件的電流的流動。傳感器控制電路在第一模式中運行以采樣第一和第二傳感器信號，所述第一和第二傳感器信號用于確定在第一和第二氣體濃度范圍內的氧氣濃度，并且該控制電路在第二模式中運行，以產生參考傳感器信號，該參考傳感器信號是第一傳感器信號的值并且指明了0％的氧氣濃度。當要求時，開關電路在傳感器控制電路的第一和第二模式之間進行切換。
氣體濃度確定電路在0％的氧氣濃度采樣第二傳感器信號的值，并且確定一個輸出誤差，該誤差是第二傳感器信號的采樣值與第二信號輸出電路的確定的參考輸出特性的對應值之間的差值，并確定一個輸出誤差，該誤差是緊接著實際氧氣濃度的計算而采樣的第二傳感器信號的值與第二信號輸出電路的確定參考輸出特性的對應值之間的差值。該設備還包括校正電路，用于校正第二信號輸出的采樣值，以便補償第二傳感器信號的輸出誤差。
氣體濃度確定電路用于在兩個處于第二氣體濃度范圍內的氧氣濃度中采樣第一傳感器信號的值，以使用第一輸出特性誤差來確定兩個實際氧氣濃度。氣體濃度確定電路確定兩個輸出誤差，它們是第一傳感器信號的采樣值與第一信號輸出電路的確定參考輸出特性的對應值之間的差別，氣體濃度確定電路還使用兩個輸出誤差計算第二輸出特性誤差。校正電路用于校正第二信號輸出的采樣值，以便補償第二輸出特性誤差。
第一信號輸出電路用于以第一放大因子來放大其中的輸入，以輸出第一傳感器信號，所述輸入是由傳感器元件產生的電流的函數。第二信號輸出電路用于以不同于第一放大因子的第二放大因子來放大其中的輸入，以輸出第二傳感器信號，所述輸入是由傳感器元件產生的電流的函數。
第一放大因子小于第二放大因子。
通過下面給出的詳細描述和本發明優選實施例的附圖，本發明將被更充分地理解，然而，所述描述及附圖不是用來將本發明限制到具體實施例的，而是用于說明和理解的目的。
在附圖中圖1是示出根據本發明第一實施例的氣體濃度測量設備的電結構的電路圖；圖2是示出用于如圖1中所說明的氣體濃度測量設備的傳感器元件的橫截面圖；圖3示出了應用的電壓到輸出的電流映射的例子，所述映射用于確定將被應用到圖2中說明的傳感器元件上的目標電壓；圖4(a)是說明了運算放大器的輸出的偏移誤差和增益誤差的圖示，所述偏移誤差用于確定在寬測量范圍內的空氣燃料混合比；圖4(b)是說明了運算放大器的輸出的偏移誤差和增益誤差的圖示，所述偏移誤差用于確定在窄測量范圍內的空氣燃料混合比；圖5是表示實際輸出特性與運算放大器的參考輸出特性之間相互關系的圖示，所述偏移誤差用于確定處于寬和窄測量范圍內的空氣燃料混合比；圖6是將在圖1所示的氣體濃度測量設備中被執行的程序的流程圖，運行該程序以確定運算放大器的輸出的偏移誤差，所述偏移誤差用于確定處于寬和窄測量范圍內的空氣燃料混合比；圖7是用于確定運算放大器的輸出的增益誤差的程序的流程圖，所述增益誤差用于確定處于寬測量范圍內的空氣燃料混合比；圖8是用于當引擎的尾氣具有任意濃度的氧氣時，確定運算放大器的輸出的誤差的程序的流程圖，所述誤差用于確定處于窄測量范圍中的空氣燃料混合比；圖9是示出根據本發明第二實施例的氣體濃度測量設備的傳感器元件的橫截面圖；圖10是示出連接到圖9的傳感器元件上的傳感器控制電路的電路圖；
圖11是示出圖10的傳感器控制電路的修改的電路圖；以及圖12是示出可被用于每個實施例的氣體濃度測量設備的傳感器元件的修改形式的橫截面圖。
發明詳述參考附圖，其中，在多個視圖中，相同的附圖標記表示相同的部分，尤其對于圖1，示出了氣體濃度測量設備，用于測量包含在汽車引擎廢氣中的氧氣(O2)的濃度，該濃度對應于供應給引擎的混合物的空氣燃料混合比(AFR)。測量的濃度用于由引擎電路控制單元(ECU)實現的空氣燃料混合比控制系統。空氣燃料混合比控制系統執行按化學計量配比燃燒控制，以在反饋控制和貧燃(lean burn)控制之下，在按化學計量配比空氣燃料混合比附近調節混合物的空氣燃料混合比，以在反饋控制之下將空氣燃料混合比控制在特定的貧燃范圍內。
氣體濃度測量設備包括微型計算機20，傳感器控制電路30，以及氧氣傳感器(在以下被稱為空氣燃料(A/F)傳感器)，所述空氣燃料傳感器產生作為被引入氣室的廢氣的氧氣濃度的函數的電流信號，所述氣室在A/F傳感器中形成。
如圖2所說明，A/F傳感器包括具有分層結構的疊置傳感器元件10。傳感器元件10具有的長度垂直于圖2的繪圖表面延伸，并且在實際中，傳感器元件10被置于傳感器外罩和保護罩之中。A/F傳感器被安裝在引擎的排氣管中。例如，被轉讓給本發明相同受讓人的EPO 987 546 A2，詳細講解了這種類型的氣體傳感器的結構和運行控制，其公開包括在此作為參考。
傳感器元件10由固體電解質層11、擴散阻力層(diffusionresistance)12、屏蔽層13以及絕緣層14構成，如圖所示，這些層被垂直層疊或者堆積。傳感器元件10被保護層(未示出)包圍。固體電解質層11由長方形的部分穩定氧化鋯板構成，并且具有上和下電極15和16，所述電極被附加在相對的表面。電極15和16由例如鉑(Pt)構成。擴散阻力層12由允許廢氣流向電極5的孔板構成。屏蔽層13由限制廢氣通過的密板構成。使用由陶瓷(例如氧化鋁或氧化鋯)構成的平板分別形成層12和層13，它們具有彼此不同的平均氣孔率或者氣體滲透性。
絕緣層14由例如氧化鋁或氧化鋯的陶瓷構成，并且在其中形成了通風道17，電極16被暴露在通風道。絕緣層14具有嵌入其中的加熱器18。加熱器18由加熱金屬絲構成，由安裝在車輛中的蓄電池向加熱金屬絲供電，以產生熱量，將整個傳感器元件10加熱到期望的激活溫度。在下面的討論中，電極15也被稱為擴散阻力層側電極，電極16也被稱為大氣側電極。大氣側電極16被連接到電源的正(+)極，而擴散阻力層側電極15被連接到電源的負(-)極。
廢氣流入引擎的排氣管，傳感器元件10暴露于所述排氣管中，廢氣進入并穿過擴散阻力層12的側面并且到達擴散阻力層側電極15。當廢氣處于燃料貧乏狀態(氧氣較多)時，通過在電極15和16之間施加電壓，將包含在廢氣中的氧氣分子分解或者電離，以便經由固體電解質層11和電極16將它們排放到通風道17。這將引起正電流從大氣側電極16流向擴散阻力層側電極15。或者，當廢氣處于燃料充足狀態(氧氣較少)時，通過電極16將包含在通風道17中的空氣中的氧氣分子電離，以便經由固體電解質層11和電極15將它們排放到排氣管，并且與廢氣中的未燃燒成分(例如HC或CO)進行催化反應。這將引起負電流從擴散阻力層側電極15流向大氣側電極16。在該技術中的A/F傳感器的操作是為人所熟知的，因此在此省略對其的詳細說明。
圖3示出了A/F傳感器的典型的電壓到電流的關系(即，V-I特性)。與橫坐標軸(即，V軸)平行延伸的V-I曲線的直線部分指明了限制電流的范圍，在該范圍中，傳感器元件10產生作為燃料混合比(即，充足或貧乏)的函數的電流Ip(即，限制電流)。具體地，隨著空氣燃料混合比轉變到貧乏側，由傳感器元件10產生的電流Ip增大，而隨著空氣燃料混合比轉變到充足側，所述電流Ip減小。以下，電流Ip也將被稱為傳感器元件電流。
電壓低于限制電流范圍的V-I曲線的部分表示阻力依賴范圍。V-I曲線的第一段的傾斜度依賴于傳感器元件10的dc內部阻抗Ri。dc內部阻抗Ri隨著傳感器元件10的溫度的變化而變化。具體地，它隨著傳感器元件10的溫度的下降而增大，因此，在阻抗依賴范圍中的V-I曲線的第一段的傾斜度是減小的。或者，當傳感器元件10的溫度上升時，它將導致dc內部阻抗Ri下降，因此V-I曲線的第一段的傾斜度是增大的。直線RG指明將被施加到傳感器元件10上(即，電極15和16上)的目標電壓Vp。
返回參照圖1，如上所述的氣體濃度測量設備包括傳感器控制電路30和微型計算機20，并且所述氣體濃度測量設備控制A/F傳感器的運行，以確定供應給引擎的混合物的空氣燃料混合比，并且計算傳感器元件10的阻抗Zac(以下，也將被稱為傳感器元件阻抗)。
微型計算機20由公知的構成CPU的算術邏輯單元、存儲器、A/D轉換器、以及I/O端口構成，并且經由A/D轉換器采樣由傳感器控制電路產生的模擬傳感器信號，以確定A/F混合比和傳感器元件阻抗Zac。由微型計算機20確定的A/F混合比被輸出到引擎ECU(未示出)，用于空氣燃料混合比反饋控制。
傳感器控制電路30通過正極(+)和負極(-)與傳感器元件10連接。正極通向傳感器元件10的大氣側電極16，而負極通向擴散阻力層側電極15。傳感器控制電路30還包括運算放大器31和34、電流測量電阻32、參考電壓源33、開關35、以及電壓施加控制電路36。傳感器元件10的正極還通過電流測量電阻32和運算放大器31與參考電壓源33相連。負極還通過運算放大器34和開關35與電壓施加控制電路36相連。在電流測量電阻32的末端與傳感器元件10的正極的接合點A出現的電壓保持在與參考電壓源33的電壓相同的電平(即，例如2.2V的參考電壓Vf)。傳感器元件電流Ip流過電流測量電阻32。出現在接合點B的電壓隨傳感器元件電流Ip的變化而改變。當引擎的廢氣處于燃料貧乏狀態時，即，廢氣由貧乏混合物的燃燒而產生，并且開關35處于斷開狀態或者被閉合，那么傳感器元件電流Ip穿過傳感器元件10從正極流向負極，所以在接合點B的電壓升高。相反，當廢氣處于燃料充足狀態時，那么傳感器元件電流Ip穿過傳感器元件10從負極流向正極，所以在接合點B的電壓下降。
電壓施加控制電路36監視接合點B的電壓，并且確定將被施加到傳感器元件10，作為被監視電壓的函數的目標電壓Vp，例如，通過使用圖3中說明的目標應用電壓直線RG來查找目標電壓Vp。然后，電壓施加控制電路36控制運算放大器34和開關35，以使接合點D的電壓與目標電壓Vp一致。如果僅需測量按化學計量配比附近的A/F混合比(即，傳感器元件電流Ip)，那么電壓施加控制電路36可以把將被應用到傳感器元件10的電壓保持在不變的電平。
傳感器控制電路30還包括運算放大器37、38、以及39。參考電壓源33連接運算放大器37。運算放大器38和39都作為具有特定放大因子的差分放大器來工作，運送放大器37的輸出和接合點B的電壓被輸入到運算放大器38和39。具體地，運算放大器38和39放大參考電壓Vf與接合點B的電壓之間的差值，并且將其分別作為A/F輸出電壓AFO1和AFO2輸出到微型計算機20。運算放大器38具有5倍的放大因子(5)，而運算放大器39具有15倍的放大因子(15)。
微型計算機20分析從運算放大器38輸入的A/F輸出電壓AFO1，并確定在全AFR測量范圍中的混合物的A/F混合比(例如，A/F＝11至空的空氣燃料比(即，極其貧乏的A/F混合比))。微型計算機20還分析從運算放大器39輸入的A/F輸出電壓AFO2，并確定在包括按化學計量配比A/F混合比的窄AFR測量范圍內的混合物A/F混合比(例如，A/F＝11至12)。在下面的討論中，輸出電壓AFO1和AFO2也將分別被稱為AFR寬范圍測量信號和按化學計量配比空氣燃料混合比(AFR)測量信號。
運算放大器38和39中的每一個都可以相互替代地被設計為用以接收在接合點A和B出現的電壓，以便放大參考電壓Vf與接合點B的電壓之間的差值。然而，這種配置的缺點在于，運算放大器38和39的反饋電流流過電流測量電阻32，這會導致在確定A/F混合比時出現誤差。為了消除這一缺點，每個運算放大器38和39被設計為用以接收運算放大器37的輸出和接合點B的電壓，以使運算放大器37作為反饋電流吸收器來運行，以便維持確定A/F混合比時的可靠性。
微型計算機20經由A/D端口采樣A/F輸出電壓AFO1和AFO2，并且確定供給引擎的混合物的A/F混合比的瞬時值，該瞬時值用于空氣燃料混合比反饋控制。
微型計算機20還掃描被瞬時施加到傳感器元件10的ac形式的電壓，以使用流過傳感器元件10的電流Ip的變化結果來確定傳感器元件阻抗Zac(即，傳感器元件10的內部阻抗)。具體地，當進入稍后將要描述的阻抗測量模式時，微型計算機20向電壓施加控制電路36輸出阻抗測量指令信號。然后，電壓施加控制電路36將電壓施加到傳感器元件10并且以特定的電平(例如，0.2V)順序地將電壓(即，在接合點D的電壓)改變為正的和負的。這引起了流過傳感器元件10的傳感器元件電流Ip的改變，因此導致在接合點B產生的電壓的變化。微型計算機20監視接合點B的電壓的變化，通過用電流測量電阻器32的電阻值除監視到的變化來計算電流的改變ΔI，并且通過用電流變化ΔI除應用到傳感器元件10上的電壓的變化ΔV，以確定傳感器元件阻抗Zac(＝ΔV/ΔI)。或者可以通過向傳感器元件10供電，對其以ac的形式掃描，并監視由傳感器元件10提供的電流或電壓的變化結果，來確定傳感器元件阻抗Zac。在2003年6月17日出版的被轉讓給與本申請相同受讓人的US6,578,563 B2，講解了如何確定傳感器元件阻抗Zac，將其公開包括在此作為參考。
以預選的規則的時間間隔，執行對傳感器元件阻抗Zac的確定。具體地，如上所述的微型計算機20，在特定的周期內，向電壓施加控制電路36輸出阻抗測量指令信號。微型計算機20還控制供應給加熱器18的電量，以便將傳感器元件阻抗Zac保持在特定的目標值，從而傳感器元件10被保持在選定的溫度，以維持期望的激活狀態，在該狀態，傳感器元件10正確產生作為A/F混合比的函數的輸出。
通常，A/F傳感器和傳感器控制電路30各自具有單獨的變化或者單元到單元的特性變化，它們會導致A/F傳感器的輸出的正確性下降。圖4(a)說明了運算放大器38的輸出特性，所述特性使用在從按化學計量配比A/F混合比到空氣燃料空混合比(即，就氧氣的濃度而言為0％至20.9％)的全AFR測量范圍中的氧氣濃度的變化，來表示在AFR寬范圍測量信號AFO1(即，運算放大器38的輸出)中的變化。圖4(b)說明了運算放大器39的輸出特性，所述特性使用在從化學計量配比A/F混合比到22的A/F混合比(即，就氧氣的濃度而言為0％至6.9％)的窄AFR測量范圍中的氧氣濃度的變化，來表示在化學計量AFR測量信號AFO2(即，運算放大器39的輸出)中的變化。在圖4(a)中，實線指明由一組AFR寬范圍測量信號AFO1的參考值定義的參考輸出特性，所述參考值將由運算放大器38產生，并且指明在廢氣中的氧氣的恰當濃度。虛線指明由一組AFR寬范圍測量信號AFO1的實際所達到的值定義的實際輸出特性。已經注意到，在AFR寬范圍測量信號AFO1的參考值和實際達到的值之間的差值是由兩種誤差而產生偏移誤差和增益誤差。偏移誤差是AFR寬范圍測量信號AFO1關于零值(0)的變動，當引擎的廢氣處于某種大氣中時出現所述變動，在所述大氣中，供應給引擎的混合物的A/F混合比是按化學計量配比。增益誤差是虛線偏離實線的傾斜度的變動，即，在AFR寬范圍測量信號AFO1的實際達到值和參考值之間的變化率的差值。對于圖4(b)中的按化學計量配比AFR測量信號AFO2也是相同的。
AFR寬范圍測量信號AFO1和按化學計量配比AFR測量信號AFO2是由運算放大器38和39產生的，它們在運行中是獨立的，并且因而被認為具有不同量級的輸出誤差。消除這些誤差需要對運算放大器38和39的單獨輸出特性進行分析。在引擎廢氣中的氧氣的任何濃度，都可以通過在至少兩個不同的氧氣濃度中測量各個信號AFO1和AFO2的實際達到值與參考值之間的差值，并通過在所測量的差值上的差值運算，計算放大器38和39中的對應放大器的實際輸出特性，來發現各個信號AFO1和AFO2的誤差。在關于圖4(a)中的運算放大器38的輸出特性的情況中，在任何氧氣濃度的信號AFO1的誤差都可以通過當廢氣是按化學計量配比時，并且當廢氣在氧氣濃度上與大氣相同時通過測量其誤差而發現。這兩種情況可以通過將傳感器控制電路30的開關35關掉或斷開并且切斷對引擎的燃料供應來建立。具體地，傳感器控制電路30可以被置于一個操作模式中，該操作模式等同于當傳感器元件10通過關閉開關35來測量引擎的按化學計量配比廢氣，并且可以被置于另一個操作模式，該操作模式等同于當傳感器元件10通過切斷對引擎的燃料供應而測量廢氣，該廢氣在氧氣濃度方面等同于大氣。這兩種傳感器控制電路30的操作模式也將在以下被稱為有效按化學計量配比AFR測量模式和大氣排氣測量模式。
在關于圖4(b)中的運算放大器39的輸出特性的情況中，當傳感器控制電路30被置于有效按化學計量配比AFR測量模式中時，能夠測量信號AFO2的誤差，但是，插值運算所需要的另一個誤差是難以測量的。這是因為按化學計量配比AFR測量信號AFO2的測量范圍就A/F混和比而言是12至22，并且無法將傳感器控制電路30置于等同于當傳感器元件10測量廢氣中氧氣的已知濃度時的條件，即，當傳感器元件10測量等同于大氣的氧氣濃度時。
為了消除以上問題，如同將在稍后被詳細描述的那樣，當廢氣處于窄A/F測量范圍時，微型計算機20被設計為用以采樣并分析AFR寬范圍測量信號AFO1，以發現運算放大器38的輸出特性誤差，即運算放大器38的實際輸出特性和參考輸出特性之間的差值，當廢氣具有任何氧氣濃度時，搜索信號AFO1的參考值以計算準確的氧氣濃度，根據準確的氧氣濃度的計算，采樣化學計量AFR測量信號AFO2，并且基于信號AFO2的采樣值和信號AFO2的對應的一個參考值，來確定運算放大器39的輸出特性誤差(即，偏移和增益誤差的和)。
具體地，如果運算放大器38具有參考輸出特性，如同圖4(a)中實線所表示的，當傳感器控制電路30被置于有效化學計量AFR測量模式中時，AFR寬范圍測量信號AFO1具有值a1(例如，2.2V)，并且當傳感器控制電路30被置于大氣排氣測量模式中時具有值b1(例如，4.1V)。或者，如果運算放大器38具有實際輸出特性，如同圖4(a)中虛線所表示的，當傳感器控制電路30被置于有效化學計量AFR測量模式中時，AFR寬范圍測量信號AFO1具有值a2，并且當傳感器控制電路30被置于大氣排氣測量模式中時具有值b2。因而，在有效化學計量AFR測量模式和大氣排氣測量模式中的信號AFO1的誤差將分別為α1和α2。當廢氣中的氧氣的濃度為P％時，參考輸出特性提供信號AFO1＝c1，而實際輸出特性提供信號AFO1＝c2。
為了便于理解，圖5示出在如虛線所表示的實際輸出特性和如實線所表示的參考輸出特性之間的關系，在圖5中，由輸出誤差α1將實際輸出特性轉變到負極(-)側，以在傳感器控制電路30被置于有效大氣AFR測量模式中時，與參考輸出特性一致。根據已說明的關系，在參考輸出特性上的信號AFO1的任何值都通過以下公式給出c1=c2+c2-a2b2-a2×(α1+α2)-α1----(1)]]>
因而，當廢氣具有任何氧氣濃度(即，P％)時，可以使用等式(1)來計算正確的氧氣濃度。這使得當廢氣中氧氣濃度是P％時，化學計量AFR測量信號AFO2的增益誤差β2能夠被確定。當傳感器控制電路30被置于有效化學計量AFR測量模式中時，計算作為信號AFO2的實際值與參考輸出特性上的值之間的差值的信號AFO2的誤差β1。如此確定的化學計量AFR測量信號AFO2的偏移和增益誤差β1和β2可以被用于確定運算放大器39的輸出特性誤差，所述輸出特性誤差用于補償化學計量AFR測量信號AFO2的偏移和增益誤差β1和β2。
如上所述，通過在引擎運行期間，臨時斷開傳感器控制電路30的開關35，以將傳感器控制電路30置于有效化學計量AFR測量模式中，并通過采樣信號AFO1和AFO2的瞬時值，來發現信號AFO1和AFO2的偏移誤差α1和β1。
圖6是邏輯步驟序列或程序的流程圖，所述程序將被微型計算機20執行，以確定AFR寬范圍測量信號AFO1和化學計量AFR測量信號AFO2的化學計量輸出誤差(即，偏移誤差)，其中AFO1和AFO2由運算放大器38和39產生。
在進入程序后，過程進行到步驟101，在該步驟中，確定時間是否已經到達了計算化學計量輸出誤差(即，偏移誤差α1和β1)時，即，是否應使傳感器控制電路30進入有效化學計量AFR測量模式以確定信號AFO1和AFO2的偏移誤差α1和β1。例如，確定時間已經進入時間段(例如，10分鐘，幾十分鐘或幾小時)的流逝。或者可以確定時間已經進入當A/F輸出電壓AFO1和AFO2沒有被用于空氣燃料混合比反饋控制時，例如，在引擎的燃料被切斷的模式期間，在A/F傳感器變得激活之前，或者當控制主繼電器以在車輛的打火開關被關閉之后，將微型計算機20保持為打開特定的短時間段。
如果得到的回答是“否”，那么程序終止。或者，如果得到的回答是“是”，那么程序進行到步驟102，在該步驟，關閉開關信號被輸出到開關35，以將其斷開預選的時間段(例如，5毫秒)。
程序進行到步驟103，其中，A/F輸出電壓AFO1和AFO2的瞬時值被采樣。程序進入步驟104，在該步驟中，確定A/F輸出電壓AFO1的偏移誤差α1(即，化學計量輸出誤差)。具體地，在步騾103被采樣的A/F輸出電壓AFO1的值與化學計量參考值之間的差值被計算，所述差值作為偏移誤差α1。化學計量參考值是A/F輸出電壓AFO1的值，當廢氣具有化學計量A/F混合比時將正確獲得所述AFO1，并且在本實施例中將其設定為2.2V。
程序進入步驟105，在該步驟中，在步驟103中被采樣的A/F輸出電壓AFO1的值，以及在步驟104中計算的偏移誤差α1，都被存儲在安裝與微型計算機20中的存儲器中。
程序進入步驟106，在該步驟中，確定A/F輸出電壓AFO2的偏移誤差β1(即，化學計量輸出誤差)。具體地，在步驟103中被采樣的A/F輸出電壓AFO2的值與化學計量參考值(即2.2V)之間的差值被計算，該差值被作為偏移誤差β1。程序進入步驟107，在該步驟中，在步驟103中被采樣的A/F輸出電壓AFO2的值，以及在步驟106中計算的偏移誤差β1，都被存儲在安裝于微型計算機20中的存儲器中。
圖7是程序的流程圖，將由微型計算機20執行所述程序以確定A/F輸出電壓AFO1的大氣狀態輸出誤差(即，增益誤差α2)，所述輸出電壓AFO1由運算放大器38產生。增益誤差α2通常由在運算放大器31，34，37和/或38的增益的調整中的誤差所引起。
首先，在步驟201，確定是否引擎正在經歷燃料切斷。這個確定用于確定是否滿足了一個條件，所述條件允許采樣增益誤差α2，該誤差當廢氣處于大氣狀態中時產生。如果得到“是”的回答，則意味著滿足了增益誤差α2采樣許可條件，然后程序進入步驟202，在該步驟中，采樣A/F輸出電壓AFO1的瞬時值。程序進入步驟203，在該步驟中，通過在步驟202中采樣的A/F輸出電壓AFO1中減去大氣狀態參考值來確定增益誤差α2。大氣狀態參考值是A/F輸出電壓AFO1的值，當廢氣處于大氣狀態時，將正確獲得所述AFO1，并且在本實施例中將其設定為4.1V。
程序進入步驟204，在該步驟中，在步驟202中采樣的A/F輸出電壓AFO1的值，以及在步驟204中計算的增益誤差α2，都被存儲在安裝于微型計算機20中的存儲器中。然后，終止程序。
圖8是一個程序的流程圖，所述程序將由微型計算機20執行以確定化學計量AFR測量信號AFO2的增益誤差β2。
首先，在步驟301，采樣信號AFO1和AFO2的值。
程序進入步驟302，在該步驟中，確定使用信號AFO1的采樣值而得到的，在廢氣中的氧氣的當前濃度是否處于就A/F混合比而言為12至22的化學計量范圍(即，窄AFR測量范圍)中。如果回答是“否”，那么程序終止。或者，如果得到“是”的回答，那么程序進入步驟303，在該步驟中，使用如上所述的等式(1)來估計運算放大器38的參考輸出特性上的信號AFO1的值，在步驟302中得到的，AFO1對應于氧氣濃度。具體地，在步驟301中采樣的信號AFO1的值(即，圖4(a)中的c2)，在化學計量AFR測量模式中采樣并且在圖6的步驟105中被存儲的信號AFO1的值(即，圖4(a)中的a2)，在圖6的步驟105中導出并被存儲的偏移誤差α1，在圖7的步驟204中在大氣排氣測量模式中被導出并被存儲的信號AFO1的值(即，圖4(a)中的b2)，以及在圖7的步驟204中被導出并被存儲的增益誤差α2等等，都被用于根據等式(1)來確定參考輸出特性上的信號AFO1的值(即，4(a)中的c1)。
在步驟303之后，程序進入步驟304，在該步驟中，基于在步驟303中發現的信號AFO1的值，確定在廢氣中的氧氣的正確或實際的濃度。程序進入步驟305，在該步驟中，在步驟301中被采樣的信號AFO2的值與對應于氧氣濃度的參考輸出特性上的信號AFO2的值之間的差值被計算，其中該值在步驟303中確定，所述差值被作為信號AFO2的增益誤差β2，AFO2由運算放大器39產生。程序進入步驟306，在該步驟中，在步驟301中采樣的信號AFO2的值，以及在步驟305中確定的增益誤差β2，都被存儲在微型計算機20的存儲器中。然后程序終止。
在偏移誤差β1在有效化學計量AFR測量模式中被導出之后，并且通過使用由運算放大器38產生的A/F輸出電壓AFO1計算廢氣中氧氣的實際濃度，從而導出增益誤差β2，微型計算機20將通過把誤差β1和β2相加而導出的值插值到運算放大器39的參考輸出特性，以發現運算放大器39的實際輸出特性。插值可以通過已知的方式使用等式(1)來實現，并且在此省略對其的詳細說明。微型計算機20比較運算放大器的實際輸出特性和參考輸出特性，以確定運算放大器39的輸出特性誤差。這使得當傳感器元件10正在測量廢氣中的氧氣濃度時，可以確定化學計量AFR測量信號AFO2的誤差。
當需要確定供應給引擎的混合物的空氣燃料混合比時，微型計算機20進入AFR測量模式并且采樣從運算放大器39輸出的化學計量AFR測量信號AFO2的瞬時值。微型計算機20基于運算放大器39的輸出特性誤差確定信號AFO2的采樣值的誤差(即，偏移和增益誤差α1和α2的和)并且校正信號AFO2的采樣值，以便補償其中的誤差和使用在窄AFR測量范圍(例如，A/F＝12至22)中的信號AFO2的校正值來確定氧氣濃度(即，A/F混合比)。
微型計算機20還計算運算放大器38的實際輸出特性，使用插值算法，基于運算放大器38的參考輸出特性、偏移誤差α1、增益誤差α2，如同在圖6和圖7中那樣得到的，以確定AFR寬范圍測量信號AFO1的誤差，如同當傳感器元件10測量廢氣中的氧氣濃度時，從運算放大器輸出的那樣。一進入AFR測量模式，微型計算機20就采樣從運算放大器38輸出的信號AFO1的瞬時值，校正該值以便補償在采樣值和參考輸出特性之間的誤差，并且使用在全AFR測量范圍(例如，A/F＝11至空的空氣燃料比(即，極度貧乏的A/F混合比))中的信號AFO1的校正值來確定氧氣濃度(即，A/F混合比)。
本實施例的微型計算機20被設計為用于發現從運算放大器38和39輸出的誤差，校正其中的瞬時輸出，以消除誤差，并且確定在窄AFR測量范圍和全AFR測量范圍中的供應到引擎的混合物的A/F混合比，從而提高空氣燃料混合比反饋控制的準確性并且改進引擎的廢氣排放。
圖9示出了根據本發明第二實施例的傳感器元件60，其在結構上不同于在圖2中說明的結構，并且可以如同在第一實施例中使用的那樣，代替傳感器元件10被制造進A/F傳感器。
傳感器元件60包括兩個固體電解質層61和62的疊置。固體電解質層61具有附著到其相對的表面的電極63和64。類似的，固體電解質層62具有附著在其相對的表面的電極65和66。電極63、64和65中的每個在圖中被視為如同由右側和左側的分離部分構成，但是，在實際中，它是由具有在圖中的橫斷方向延伸的連接部分(未示出)的單獨平板形成的。
固體電解質層61和電極63及64構成了泵單元71。固體電解質層62和電極65及66構成了監控單元72。電極63至66被連接到如圖1所說明的通向微型計算機20的傳感器控制電路80。
傳感器元件60還包括進氣口67，通過進氣口67，機動車引擎的廢氣進入，還包括多孔擴散層68，空氣輸送管69，及加熱器70。這種傳感器元件的結構和操作在例如，US6,295,862B1中被公開，所述US6,295,862B1被轉讓給與本申請相同的受讓人，將其公開包括在此作為參考。監控單元72通常也被稱為電動力單元或者氧氣濃度傳感器單元。
監控單元72產生電動力，該電動力具有兩個不連續值(例如，0V和0.9V)中的一個值，有選擇性地作為是否廢氣在按化學計量配比點的充足側和貧乏側的函數，所述按化學計量配比點對應于供應給引擎的混合物的化學計量空氣燃料混合比。當廢氣在貧乏側時，監控單元72產生低電動力。相反，當廢氣在充足側時，監控單元72產生高電動力。傳感器控制電路80控制施加到泵單元71的電壓，以便將由監控單元72產生的電動力保持在0.45V，其對應于按化學計量配比點。
圖10示出了如在圖9中說明的傳感器控制電路80的內部結構。
終端VM是在泵單元71和監控單元72之間被共享的共用終端。共用終端VM被連接到參考電壓源81，其產生例如2.5V的參考電壓。泵單元71也在電極63被連接到終端IP。監控單元72也在電極66被連接到終端UN。終端IP和UN連同單元71和72、運算放大器82和電流測量電阻83一同形成了閉合電路。運算放大器82的同向輸入(即，+極)被連接到參考電壓源84，該電壓源產生3.0V的參考電壓。
當廢氣為貧乏時，電流Ip以從接合點B到接合點A的方向流過電流測量電阻83。相反的，當廢氣為充足時，電流Ip以從接合點A到接合點B的方向流過電流測量電阻83。傳感器控制電路80還包括反饋電路(未示出)，所述反饋電路控制供應給泵單元71的電壓，以使監控單元72的輸出電壓與目標電壓一致。這種反饋控制可以是本領域所知任何一種，并且在此省略對其的詳細說明。
傳感器控制電路80還包括運算放大器85和86，以及開關87、88和89。運算放大器85被連接到接合點A和B與電流測量電阻83跨接，并且將全AFR測量范圍中的A/F輸出電壓AFO1輸出到如同在圖1中說明的微型計算機20。類似的，運算放大器86被連接到接合點A和B并與電流測量電阻83跨接，并且將窄AFR測量范圍中的A/F輸出電壓AFO2輸出到如同在圖1中說明的微型計算機20。與第一實施例一樣，運算放大器85的放大因子小于運算放大器86的放大因子。
開關87被連接到運算放大器82的加減輸入。開關88被連接到共用終端VM。開關89被連接到監控單元終端UN。開關87為常態斷開類型并且在操作中被開關信號1所控制。開關88和89的每個都為常態關閉類型，并且在操作中被開關信號2所控制。
在AFR測量模式中，傳感器控制電路80打開開關87，同時關閉開關88和89以產生作為供應到引擎的混合物的瞬時空氣燃料混合比的函數的A/F輸出電壓AFO1和AFO2。在有效化學計量AFR測量模式中，傳感器控制電路80關閉開關87，同時斷開開關88和89，并且采樣A/F輸出電壓AFO1和AFO2的瞬時電壓，以利用與第一實施例中所描述的方式相同的方式來確定偏移誤差α1和β1。傳感器控制電路80還以如第一實施例所描述的同樣方式計算增益誤差α2和β2。其它配置與第一實施例中的相同，并且在此省略對其的詳細說明。
在傳感器控制電路80中，在位于電流測量電阻83相對位置的接合點A和B產生的電壓，一同隨著流過電流測量電阻83的電流的變化而變化。然而，使用如圖11中所說明的結構，電流測量電阻83的其中一端可以被維持在常量。
傳感器控制電路90包括運算放大器93，通過該運算放大器93，將與參考電壓Vf1相同的電壓(例如3v)施加到傳感器元件60的泵單元71和監控單元72的共用端。這將導致在接合點B出現的電壓被保持在例如3V。傳感器控制電路90具有包括監控單元72、反饋電路91、以及電流測量電阻在內的閉環。在反饋電路91中提供的參考電壓Vf2為例如2.55V。
傳感器控制電路90的操作將被描述為一個例子，在該例子中，引擎的廢氣為充足的。
當廢氣為充足時，監控單元72產生電動力，因此，在接合點C1出現的電壓升高到例如3.45V，從而引起在反饋電路91中的接合點C2產生的電勢下降。這引起接合點A的電勢上升。具體地，當廢氣為充足時，傳感器元件電流Ip從接合點A流過電流測量電阻92到達接合點B。相反的，當廢氣為貧乏時，傳感器元件電流Ip從接合點B流過電流測量電阻92到達接合點A。
傳感器控制電路90還包括運算放大器94和95，它們的放大因子是彼此不同的。運算放大器94被連接到電流測量電阻92的接合點A和B，并且輸出在全AFR測量范圍內的A/F輸出電壓AFO1到如圖1所說明的微型計算機20。類似地，運算放大器95被連接到電流測量電阻92的接合點A和B，并且輸出在窄AFR測量范圍內的A/F輸出電壓AFO2到如圖1所說明的微型計算機20。
反饋電路91包括運算放大器96和開關97。開關97連接到運算放大器96的加減輸入。開關98被置于反饋電路91和監控單元72之間。開關97具有常態斷開類型，并且在操作中被開關信號1所控制。開關98具有常態閉合類型并且在操作中被開關信號2所控制。
在AFR測量模式中，傳感器控制電路90斷開開關97，同時閉合開關98，以產生作為供應到引擎的混合物的瞬時空氣燃料混合比的函數的A/F輸出電壓AFO1和AFO2。在有效化學計量AFR測量模式中，傳感器控制電路90閉合開關97，同時打開開關98，并且采樣A/F輸出電壓AFO1和AFO2的瞬時值，以利用與第一實施例中所描述的方式相同的方式來確定偏移誤差α1和β1。傳感器控制電路90還以如第一實施例所描述的同樣方式計算增益誤差α2和β2。其它配置與第一實施例中的相同，并且在此省略對其的詳細說明。
圖12示出傳感器元件100，其可以被建造進A/F傳感器，如同在各個上述實施例中使用的那樣。
傳感器元件100包括三個固體電解質層101、102和103。固體電解質層101具有附著在其中相對的表面的電極104和105。類似的，固體電解質層102具有附著在其中相對的表面的電極106和107。固體電解質層101和電極104和105形成泵單元111。固體電解質層102和電極106和107形成監控單元112。固體電解質層103形成限定氧氣參考室108的墻。傳感器元件100與傳感器元件10一樣具有疊置結構。傳感器元件100還包括孔散射層109和氣室110，機動車引擎的廢氣進入所述氣室110。像在圖9中被說明的監控單元72一樣，監控單元112如同電動機單元或氧氣濃度傳感器單元那樣運行。
傳感器元件10被連接到傳感器控制電路120。傳感器控制電路120可以具有與圖10或11中所說明的電路基本上一樣的結構，并且在此省略其中的詳細說明。
如同在上述各個實施例中被應用的那樣的A/F傳感器，也可以被設計為具有兩個單元或三個單元的結構。傳感器元件10、60或者100可以是本領域已知的杯形類型。A/F傳感器也可以通過典型的O2傳感器來實現，所述O2傳感器被用于在附著在傳感器元件上的電極之間產生電動力，作為包含在機動車引擎的廢氣中的氧氣的濃度的函數。
如同在上述各個實施例中所描述的那樣，氣體濃度測量設備可以與包括由固體電解質體構成的第一和第二單元的復合氣體濃度測量傳感器一同使用。第一單元如同泵單元一樣工作，以將氧氣分子抽出或抽進在傳感器體上形成的第一氣室，并且輸出被抽出的氧氣分子的濃度的信號指示。第二單元如同傳感器單元一樣工作，以產生預選氣體成分的濃度的信號指示，所述預選氣體成分從第一氣室流入第二氣室。例如，混合氣體濃度測量傳感器可以被用于測量包含在機動車引擎的廢氣中的NOx物的濃度。此外，混和氣體濃度測量傳感器可以被設計為具有第三單元，充當監控單元或第二泵單元，以產生作為殘留在第二氣室中的氧氣分子濃度的函數的電動力。
或者，有效化學計量AFR測量模式可以在傳感器控制電路30、80、90或者120中，以下述方式實現。
例如，圖1中將運算放大器34的輸出連接到傳感器元件10的傳感器控制電路30的開關35被斷開，以阻斷流向傳感器控制電路30的傳感器元件電流Ip。這導致指明廢氣中的氧氣濃度為0％的0毫安的參考傳感器元件電流被創立。傳感器控制電路從傳感器元件10接收作為0毫安輸出的函數的A/F輸出電壓AFO1和AFO2。換言之，傳感器控制電路30斷開傳感器元件10的電路，以將其自己放入等同于當測量0％的廢氣中的氧氣濃度時的環境。在開關35的“開”狀態和“關”狀態之間的切換可以使用例如晶體管這樣的開關元件來實現。
或者，有效化學計量AFR測量模式可以通過以下方式來實現將例如圖1中的電流測量電阻32連接到傳感器元件10的“加”和“減”端之一，在另一端安裝一個開關，并且斷開開關，以使得穿過傳感器元件10的電路形成開路。
有效化學計量AFR測量模式也可以通過以下方式來實現，例如把通向傳感器元件10的“加”和“減”端的傳感器控制電路30的接合端子置于相同的電勢，因此可以將0V施加到傳感器元件10。這導致0毫安的電流流過傳感器元件10。
或者，微型計算機20可以被設計為用于使用AFR寬范圍測量信號AFO1來計算在就空氣燃料混合比而言的12至22的窄AFR測量范圍中的兩個氧氣的實際濃度，在氧氣實際濃度發現化學計量AFR測量信號AFO2的兩個誤差，以通過以上所述的插值確定在運算放大器39的實際輸出特性和參考輸出特性之間的誤差，并且校正化學計量AFR測量信號AFO2的被采樣的瞬時值，以便補償這種誤差。這適合難以將傳感器控制電路30放入有效化學計量AFR測量模式中的情況。
或者，氣體濃度測量設備可以被設計為用于測量機動車引擎的廢氣中的HC或CO的濃度。可通過以下方式來實現對HC或CO的濃度的測量使用泵單元將過量的氧氣(O2)抽出第一氣室，并使用傳感器單元來分解進入第二氣室的氣體中的HC和CO，以產生指明HC或CO濃度的電信號。
盡管用優選實施例公開了本發明以便于更好地理解，但是應該知道，在不脫離本發明原則的情況下，可以以各種方法實現本發明。因而，本發明應該理解為包括所有可行的實施例及示出實施例的變化形式，這些變化形式不脫離在附加權利要求中闡述的本發明的原理。
權利要求
1.一種用于采樣氣體濃度傳感器的輸出的氣體濃度測量設備，所述氣體濃度傳感器包括由固體電解質體構成的傳感器元件，所述固體電解質體產生電流，作為特定氣體成分的濃度的函數，所述氣體濃度測量設備包括第一信號輸出電路，用于輸出作為由所述傳感器元件產生的電流的函數的第一傳感器信號，所述第一傳感器信號用于確定在第一氣體濃度范圍中的所述特定氣體成分的濃度；第二信號輸出電路，用于輸出作為所述電流的函數的第二傳感器信號，所述第二傳感器信號用于確定在第二氣體濃度范圍中的所述特定氣體成分的濃度，所述第二氣體濃度范圍不同于所述第一氣體濃度范圍；以及氣體濃度確定電路，用于采樣所述第一和第二傳感器信號，以確定在所述第一和第二氣體濃度范圍中的所述特定氣體成分的濃度，所述氣體濃度確定電路分析所述第一傳感器信號的值以確定第一輸出特性誤差，該誤差是實際輸出特性與所述第一信號輸出電路的確定的參考輸出特性之間的差值，當所述氣體成分在所述第二氣體濃度范圍中時，所述氣體濃度確定電路采樣所述第一傳感器信號和所述第二傳感器信號的值，所述氣體濃度確定電路使用由所述第一傳感器信號的所述采樣值指明的所述氣體成分的濃度和所述第一輸出特性誤差來計算所述氣體成分的實際濃度，所述氣體濃度確定電路確定緊接著所述氣體成分的所述實際濃度的計算而被采樣的所述第二傳感器信號的值與所述第二信號輸出電路的確定的參考輸出特性的對應值之間的差值，所述差值作為所述第二信號輸出電路的第二輸出特性誤差。
2.如權利要求1所述的氣體濃度測量設備，其中，所述氣體濃度確定電路在所述氣體成分的兩個不同濃度采樣所述第一傳感器信號的值，并確定兩個輸出誤差，所述兩個輸出誤差是所述第一傳感器信號的所述采樣值與所述第一信號輸出電路的確定的參考輸出特性的對應值之間的差值，所述氣體濃度確定電路使用所述確定的兩個誤差計算在所述第二氣體濃度范圍中的所述氣體成分的實際濃度。
3.如權利要求2所述的氣體濃度測量設備，其中，所述氣體濃度確定電路對所述第一傳感器信號的所述兩個輸出誤差執行插值運算，以確定在所述第二氣體濃度范圍中的所述特定氣體成分的實際濃度。
4.如權利要求2所述的氣體濃度測量設備，其中，所述氣體成分是氧氣，所述第一氣體濃度范圍在0％的氧氣濃度和等同于空氣的濃度，即與大氣中的氧氣濃度相等的氧氣濃度之間，并且其中，所述氣體濃度確定電路在0％的氧氣濃度和等同于空氣的濃度采樣所述第一傳感器信號的值，以確定所述兩個輸出誤差。
5.如權利要求4所述的氣體濃度測量設備，還包括傳感器控制電路和開關電路，所述傳感器控制電路包括所述第一和第二信號輸出電路，并且向所述傳感器元件施加電壓，以產生穿過所述傳感器元件的電流的流動，所述傳感器控制電路在第一模式下運行以采樣所述第一和第二傳感器信號，所述第一和第二傳感器信號用于確定在所述第一和第二氣體濃度范圍中的所述氧氣濃度，并且所述傳感器控制電路在第二模式下運行以產生參考傳感器信號，該信號是所述第一傳感器信號的值并且指明0％的氧氣濃度，當要求時，所述開關用于在所述傳感器控制電路的所述第一和第二模式之間進行切換。
6.如權利要求4所述的氣體濃度測量設備，其中，所述氣體濃度確定電路在所述0％的氧氣濃度采樣所述第二傳感器信號的值并且確定輸出誤差，該誤差是所述第二傳感器信號的所述采樣值與所述第二信號輸出電路的確定的參考輸出特性的對應值之間的差值，以及確定一個輸出誤差，該誤差是緊接著所述氧氣實際濃度的計算而采樣的所述第二傳感器信號的值與所述第二信號輸出電路的確定的參考輸出特性的對應值之間的差值，所述氣體濃度確定電路還包括校正電路，用于校正所述第二信號輸出的采樣值，以便補償所述第二傳感器信號的輸出誤差。
7.如權利要求1所述的氣體濃度測量設備，其中，所述氣體濃度確定電路用于在所述第二氣體濃度范圍內的兩個所述氣體成分濃度采樣所述第一傳感器信號的值，以利用所述第一輸出特性誤差來確定所述氣體成分的兩個實際濃度，所述氣體濃度確定電路確定兩個輸出誤差，它們是所述第一傳感器信號的所述采樣值與所述第一信號輸出電路的確定的參考輸出特性的對應值之間的差值，并且使用所述兩個輸出誤差來計算所述第二輸出特性誤差，還包括校正電路，用于校正所述第二信號輸出的采樣值，以便補償所述第二輸出特性誤差。
8.如權利要求1所述的氣體濃度測量設備，其中，所述第一信號輸出電路用于以第一放大因子放大其中的輸入，以輸出所述第一傳感器信號，所述輸入是由所述傳感器元件產生的所述電流的函數，所述第二信號輸出電路用于以第二放大因子放大其中的輸入以輸出所述第二傳感器信號，所述輸入是由所述傳感器元件產生的所述電流的函數，并且所述第二放大因子不同于所述第一放大因子。
9.如權利要求8所述的氣體濃度測量設備，其中，所述第一放大因子小于所述第二放大因子。
10.一種用于采樣氣體濃度傳感器的輸出的氣體濃度測量設備，所述氣體濃度傳感器包括由固體電解質體構成的傳感器元件，所述固體電解質體所產生的電流作為內燃機排放廢氣的氧氣濃度的函數，所述氣體濃度測量設備包括第一信號輸出電路，用于輸出作為所述電流的函數的第一傳感器信號，所述第一傳感器信號用于確定在寬濃度范圍中的所述氧氣濃度，所述寬濃度范圍包括等于0％氧氣濃度的按化學計量配比氧氣濃度和等同于空氣的濃度，即與大氣的氧氣濃度相等的氧氣濃度；第二信號輸出電路，用于輸出作為所述電流的函數的第二傳感器信號，所述第二傳感器信號用于確定在窄濃度范圍內的氧氣濃度，所述窄濃度范圍包括所述按化學計量配比氧氣濃度并且不包括等同于空氣的氧氣濃度；以及氣體濃度確定電路，用于采樣所述第一和第二傳感器信號以確定在所述第一和第二氣體濃度范圍中的氧氣濃度，所述氣體濃度確定電路在所述按化學計量配比氧氣濃度和所述等同于空氣的濃度采樣所述第一傳感器信號的值，確定兩個輸出誤差，所述輸出誤差是所述第一傳感器信號的采樣值與所述第一信號輸出電路的確定的參考輸出特性的對應值之間的差值，將這兩個輸出誤差作為所述第一信號輸出電路的第一輸出特性誤差，當所述氧氣濃度處于所述第二氣體濃度范圍內時，采樣所述第一傳感器信號和所述第二傳感器信號的值，利用由所述第一傳感器信號的所述采樣值指明的氧氣濃度和所述第一信號輸出電路的所述第一輸出特性誤差計算所述氧氣實際的濃度，并且確定緊接著所述氧氣的實際濃度的計算而采樣的所述第二傳感器信號的值和所述第二信號輸出電路的確定的參考輸出特性的對應值之間的差值，將該差值作為所述第二信號輸出電路的第二輸出特性誤差。
11.如權利要求10所述的氣體濃度測量設備，還包括傳感器控制電路和開關電路，所述傳感器控制電路包括所述第一和第二信號輸出電路，并且向所述傳感器元件施加電壓，以產生穿過所述傳感器元件的電流的流動，所述傳感器控制電路在第一模式下運行以采樣所述第一和第二傳感器信號，所述第一和第二傳感器信號用于確定在所述第一和第二氣體濃度范圍中的所述氧氣濃度，并且所述傳感器控制電路在第二模式下運行以產生參考傳感器信號，該信號是所述第一傳感器信號的值并且指明0％的氧氣濃度，當要求時，所述開關用于在所述傳感器控制電路的所述第一和第二模式之間進行切換。
12.如權利要求11所述的氣體濃度測量設備，其中，所述氣體濃度確定電路在所述0％的氧氣濃度采樣所述第二傳感器信號的值并且確定輸出誤差，該誤差是所述第二傳感器信號的所述采樣值與所述第二信號輸出電路的確定的參考輸出特性的對應值之間的差值，以及確定一個輸出誤差，該誤差是緊接著所述氧氣實際濃度的計算而采樣的所述第二傳感器信號的值與所述第二信號輸出電路的確定的參考輸出特性的對應值之間的差值，所述氣體濃度測量電路還包括校正電路，用于校正所述第二信號輸出的采樣值，以便補償所述第二傳感器信號的輸出誤差。
13.如權利要求10所述的氣體濃度測量設備，其中，所述氣體濃度確定電路用于在所述第二氣體濃度范圍內的兩個氧氣濃度采樣所述第一傳感器信號的值，以利用所述第一輸出特性誤差來確定所述氧氣的兩個實際濃度，所述氣體濃度確定電路確定兩個輸出誤差，所述輸出誤差是所述第一傳感器信號的所述采樣值與所述第一信號輸出電路的確定的參考輸出特性的對應值之間的差值，并且使用所述兩個輸出誤差來計算所述第二輸出特性誤差，還包括校正電路，用于校正所述第二信號輸出的采樣值，以便補償所述第二輸出特性誤差。
14.如權利要求10所述的氣體濃度測量設備，其中，所述第一信號輸出電路用于以第一放大因子放大其中的輸入，以輸出所述第一傳感器信號，該輸入是由所述傳感器元件產生的所述電流的函數，所述第二信號輸出電路用于以第二放大因子放大其中的輸入，以輸出所述第二傳感器信號，該輸入是由所述傳感器元件產生的所述電流的函數，并且所述第二放大因子不同于所述第一放大因子。
15.如權利要求14所述的氣體濃度測量設備，其中，所述第一放大因子小于所述第二放大因子。
全文摘要
提供了一種用于機動車引擎的空氣燃料混合比控制的氣體濃度測量設備，所述氣體濃度測量設備用于使用第一和第二傳感器信號，在處于寬和窄范圍中的不同分辨率，確定氧氣濃度，所述第一和第二傳感器信號被第一和第二運算放大器以不同的放大因子放大。所述設備在不同的氧氣濃度采樣第一傳感器信號的值，以發現第一運算放大器的輸出特性誤差，并且確定實際的氧氣濃度，以使用第一運算放大器的輸出特性誤差和實際氧氣濃度來計算第二運算放大器的輸出特性誤差。這就使得可以校正所述第一和第二傳感器信號的值，以便補償所述第一和第二運算放大器的輸出特性。
文檔編號G01N27/409GK1715900SQ20051007918
公開日2006年1月4日 申請日期2005年6月28日 優先權日2004年6月28日
發明者川瀨友生, 黑川英一 申請人:株式會社電裝
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
