学位论文:氮氧传感器陶瓷芯片检测系统的研制.pdf
《学位论文:氮氧传感器陶瓷芯片检测系统的研制.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《学位论文:氮氧传感器陶瓷芯片检测系统的研制.pdf(56页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、 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
2、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
3、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
4、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 ta
5、l 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 developme
6、n 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 chi
7、p 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 syst
8、em 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 t
9、he 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 at
10、mosphere 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
11、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
12、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
13、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
14、.(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
15、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,
16、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、
17、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
18、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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、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
24、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
25、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,Bo
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 学位 论文 传感器 陶瓷 芯片 检测 系统 研制
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【曲****】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【曲****】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。