基于氧化锆传感器的氧测量系统设计与实现

黄启勇，兰 江，石俊杰，谭旭晖

（中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，宜昌 443003）

氧化锆传感器是检测氧气浓度的重要方法，该方法测量精度高、灵敏性好、高温稳定性能优越，是工业过程控制、农业肥料堆制、医疗科学研究中一款重要的测量仪器。文献[1-4]阐述了氧化锆传感器的发展；文献[5-7]对氧化锆传感器的应用进行了大量研究。本设计采用ST公司的STM32F103RCT6作为控制核心，选用SST公司的迷你型氧化锆传感器O2S-FR-T3为检测器件，具有精度高、响应快、量程宽、结构简单、稳定可靠等优点。

1 方案设计

1.1 测量原理

当温度超过650℃时，氧化锆发生部分电解，产生移动的氧离子，在氧化锆电极片上通一恒定电流源，则电极阳极释放大量氧离子，释放的氧离子含量与被传送的电荷量成正比，即电化学泵吸：

式中：N为被释放的氧离子摩尔数；i为恒定电流；t为时间；z为氧离子化合价；F为法拉第常数，F=96485 C/mol。

当氧离子释放时，氧化锆两端产生浓度差，进而产生能斯特电压：

式中：kB为波尔兹曼常数，kB=1.38×10-23J/K；T 为工作温度；e0为基本电荷，e0=1.602×10-19C；c1、c2为氧化锆两端氧离子浓度。O2S-FR-T3迷你型氧化锆传感器利用以上原理制成，如图1所示[4]。

图1 氧化锆传感器Fig.1 ZrO2sensor

1.2 系统方案

本文研究的氧测量系统如图2所示，系统主要包括气路部分和电路部分。

图2 系统结构Fig.2 Block diagram of the system

2 硬件设计

2.1 加热电路

本设计采用MPS公司生产的MP2303稳压电源，其具有输入电压范围宽、输出电压可调、纹波小、最大输出电流可达3 A等优异性能，其外围电路如图3所示。

图3 加热电路Fig.3 Heat circuit

由欧姆定律可知 Vout，VFB，R2和 R3的关系为

式中，VFB=0.8 V。

2.2 恒流源驱动控制电路

如图1所示，氧化锆传感器的2个氧化锆方片通过铂电极隔开，中间为一密闭传感器室，氧化铝圆片的目的是为过滤并防止颗粒进入传感器进而影响测量结果。氧化锆传感器共有3个铂电极，分别为 Pump、Common、Sense， 其中 Pump 极和 Common极之间通一恒定可逆直流源，电流大小为40 μA，以产生电化学泵吸效应。在恒流源作用下，氧离子从氧化锆方片一端移动到另一端，这就改变了氧化锆方片两端的氧离子浓度，一个完整的电化学泵吸周期即为抽空传感器室并在恒定直流源反向时再次充满传感器室所需要的时间，因此电化学泵吸周期与氧气浓度成对应比例关系。

本系统设计了基于HCPL0638和OP2177的可逆恒流源，如图4所示。当STM_SP1为低电平，而STM_SP2为高电平时，电流由Common极流向Pump极；当STM_SP1为高电平，而STM_SP2为低电平时，电流由Pump极流向Common极，电流大小为 3.3 V/82.5 kΩ=40 μA。

2.3 信号调理电路

图5所示为系统的信号调理电路部分原理图，包括第一级放大、第二级放大及低通滤波电路。O2S-FR-T3迷你型氧化锆传感器推荐的能斯特电压上限为 90 mV，下限为 40 mV，而 STM32F103RCT6的AD转换模块能采集的最大电压为3.3 V，因此需要进行放大以提高测量精度。图中第一级为高共模抑制比放大电路，其中U5采用双通道运算放大器OP2177，构成平衡对称差动放大输入级，U6采用单通道运算放大器OP07构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制U5A和U5B的共模信号。

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

图5 信号调理电路Fig.5 Circuit of signal condition

由图 5 可知，流过 R15，R17，R19的电流 iR为

由式（5）可知，输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压有关，而其共模输出、失调及

这里选取R13=R21=10 k，R14=R22=20 k，故由式（5）和式（6）可求出第一级放大输出理论上为

经第一级放大后，能斯特电压上限达到2.7 V，下限达到1.2 V。但实际中，由于电阻精度的问题，R13，R14，R21，R22均存在偏差， 导致无法达到绝对匹配，进而引起共模抑制比降低。本设计在U6的两输入端接入R16，R20和可调电阻R18，如图中椭圆虚线所示，构成共模补偿电路，应用中通过调节R18补偿电阻的不对称性，以获得更高的共模抑制比。为进一步提高AD转换精度，增大AD输入范围，本系统设计了第二级放大电路，第二级放大电路为同相输入高共模抑制比差动放大电路，由图可知：漂移均在R17两端相互抵消，为消除U5A和U5B的偏置电流影响，取R15=R19=36 k，同时取R17=5.1 k。由图 5 可知，在不考虑 R16，R18，R20时，第一级放大的输出级电压uo为

式中，uo′为经过RC滤波后的uo，滤波电阻电容分别为 750 R 和 1 μF。 选取 R25=R27=R29=R30=10 k，R26=100 k，R28=10 k，则有

式中，ui3=1.09 V，故经过两级放大后，能斯特电压上限放大为3.22 V，下限放大为0.22 V，因此，充分利用了STM32F103RCT6的AD输入范围，增大了AD转换精度。

3 系统软件设计

O2S-FR-T3迷你型氧化锆传感器在40 μA可逆恒流源作用下，产生的能斯特电压波形如图6所示。图中ipc表示Pump端和Common端之间的电流，工作时首先加入从Pump端到Common端40 μA的电流，当STM32F103RCT6采集到的电压达到阈值V5时电流反转，即40 μA电流由Common端流向Pump端。当采集到的电压达到阈值V1时，恒流源方向再次反转，如此往复。

图6 能斯特电压Fig.6 Nernst voltage

为准确测量氧浓度值，需要一个定时器来测量t1，t2，t4，t5， 其 中 t1表 示 40 μA 电流 从 Pump 端 到Common端时，采集电压由V2逐渐升高到V3时的时间，t2表示V3升高到V4时的时间，t4指电流反转后，即40 μA电流由Common端流向Pump端时，采集电压由V4降低到V3时的时间，t5为采集电压降至 V2 时的时间。因此，要想测得 t1，t2，t4和t5，需要知道阈值 V1，V2，V3，V4，V5，O2S-FR-T3 型迷你传感器推荐的能斯特电压如表1所示，表中12位ADC门限值是氧化锆传感器的阈值根据式（7）和式（11）转换而来。

表1 阈值电压表Tab.1 Threshold voltage

由于40 μA泵电流方向切换时，空间电荷层对泵周期Tp的测量有一定影响，因此要想准确测量泵周期Tp比较难于实现。因此数据处理时，并不是测量波谷到波谷或者波峰到波峰的泵周期，而是通过测量除电流反转时间之外的时间来计算改进型的周期 td=（t1-t2）+（t5-t4）。 考虑到实测时 td有一定的波动，因此数据处理时通过移动平均滤波以减小波动和获得稳定的td输出，进而根据换算关系求出对应的氧分压：

式中：O2为待测氧分压；td（Ave）为校准环境下改进型周期的平均值；O2（Ave）为校准环境下的氧分压；td为待测环境下改进型周期的平均值。

4 实验结果

将标准浓度为20.7%的氧气通入氧气反应室中，对仪器进行校准，测量结果标定为20.7%。校准后分别通入浓度为 17.9%，18.4%，19.5%，21.6%的氧气，测量结果如表2所示。从测量结果可以看出，氧化锆传感器具有较高的测量精度，可满足工业需求。

表2 实验测量数据Tab.2 Experimental measurement data

5 结语

经过长期的验证实验，基于氧化锆传感器的氧测量系统操作简便、测量精度高、灵敏性好、高温稳定性能优越，可广泛应用于汽车尾气、烟道含氧测量等领域，特别是对于电力、石化等行业，具有十分重要的参考意义。

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