專利名稱：傳感器控制設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)固體聚合物電解質(zhì)(SPE)所制成的傳感器元 件的操作進(jìn)行控制的傳感器控制設(shè)備，其中該傳感器元件能夠在寬的 范圍內(nèi)測(cè)量目標(biāo)氣體中含有的特定成分的氣體濃度。
背景技術(shù)：
將這種對(duì)固體聚合物電解質(zhì)(SPE)所制成的傳感器元件的操作 進(jìn)行控制的傳感器控制設(shè)備具體實(shí)現(xiàn)為空燃比(A/F比)檢測(cè)設(shè)備或 用作空燃比(A/F比)檢測(cè)設(shè)備，其能夠檢測(cè)安裝在例如機(jī)動(dòng)車輛上 的內(nèi)燃機(jī)發(fā)出的廢氣(或燃燒氣體)中的氧氣濃度。該A/F比是燃燒 期間存在的空氣與燃料的質(zhì)量比。該傳感器控制設(shè)備將檢測(cè)結(jié)果傳送 給引擎ECU (電控制單元)所構(gòu)成的A/F比控制系統(tǒng)。該ECU執(zhí)行 用于在化學(xué)計(jì)量值(理論A/F比)周圍實(shí)施A/F比反饋的化學(xué)計(jì)量燃 燒控制，或者執(zhí)行用于在預(yù)定的稀薄(lean)區(qū)域中實(shí)施ATF比反饋 的稀薄燃燒控制。近來(lái)，又有一些需求，例如汽車排放物控制和車載診斷(或 OBD)。汽車排放物控制涵蓋了采用的用于降低汽車產(chǎn)生的導(dǎo)致空氣 污染的排放物的所有技術(shù)。OBD是構(gòu)造在車輛和卡車內(nèi)的基于計(jì)算 機(jī)的系統(tǒng)。將OBD系統(tǒng)設(shè)計(jì)為監(jiān)測(cè)引擎的用于控制排放物的一些主 要部件的性能。這些新近的需求需要增強(qiáng)控制化學(xué)計(jì)量燃燒的性能并且還需要將A/F比檢測(cè)范圍向除了稀薄區(qū)域以外的大氣狀態(tài)擴(kuò)展。例 如，對(duì)于OBD，存在檢測(cè)傳感器惡化的必要性，例如當(dāng)燃料供給在 通常操作中停止的阻塞狀態(tài)(clogged state)。此外，重要的是增強(qiáng)燃 料燃燒以及改進(jìn)廢氣的排放控制。因此，在引擎的高負(fù)載運(yùn)行中，對(duì) 燃料富裕條件進(jìn)行反饋控制十分重要。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)提出了多種改進(jìn)的技術(shù)。例如，日本專利特 許公開No.JP 2004-205488己經(jīng)批露了一種配備有不同放大系數(shù)的多 個(gè)放大器的傳感器控制設(shè)備。在該傳感器控制設(shè)備中，根據(jù)多個(gè)放大 器的輸出，生成A/F比檢測(cè)信號(hào)。上面的技術(shù)想要在寬的A/F比檢測(cè) 范圍內(nèi)檢測(cè)A/F比，并且增大了在期望的空燃檢測(cè)范圍內(nèi)的A/F比的 檢測(cè)精度。上面描述的相關(guān)技術(shù)能夠在期望的空燃檢測(cè)范圍內(nèi)以高的 精度檢測(cè)A/F比。然而，這種相關(guān)技術(shù)含有缺陷，即需要并入多個(gè)放大電路(由運(yùn) 算放大器構(gòu)成)，并由此需要具有大的電路尺寸和多個(gè)端子，通過(guò)所 述多個(gè)端子輸入和輸出信號(hào)。這樣，這種相關(guān)技術(shù)仍然需要改進(jìn)以及 消除上面的缺陷。存在另一種相關(guān)技術(shù)，其除了切換作為A/F比檢測(cè)范圍的寬范圍 和窄范圍之外，還能夠設(shè)置化學(xué)計(jì)量值附近的化學(xué)計(jì)量窄范圍和燃料 稀薄區(qū)域中的稀薄窄范圍。例如，日本專利特許公開No.JP 2006-275628已經(jīng)批露了一種傳感器控制設(shè)備，在該傳感器控制設(shè)備 中，差分放大電路輸入了流經(jīng)傳感器元件的元件電流信號(hào)并對(duì)輸入的 一個(gè)元件電流信號(hào)放大特定的放大系數(shù)。在JP2006-275628所批露的 傳感器控制設(shè)備中，將偏移電壓提供給差分放大器的一個(gè)輸入端子， 并且通過(guò)切換所述偏移電壓將化學(xué)計(jì)量值附近的化學(xué)計(jì)量窄范圍和 稀薄區(qū)域中的稀薄窄區(qū)域設(shè)置為A/F比檢測(cè)范圍。圖14是示出了上述JP 2006-275628所批露的相關(guān)技術(shù)的傳感器 控制電路的部分結(jié)構(gòu)的圖。圖14示出了 JP 2006-275628所批露的與 圖2相對(duì)應(yīng)的電路圖。特別地，為了簡(jiǎn)潔，圖14省略了能夠改變信 號(hào)放大系數(shù)的結(jié)構(gòu)。在圖14中，附圖標(biāo)記101表示作為電流檢測(cè)電阻的分路電阻，利用該分路電阻檢測(cè)流經(jīng)元件的電流。分路電阻101的兩端分別連接 到緩沖器102和103。電阻112的一個(gè)端子連接到緩沖器102。電阻 112的另一個(gè)端子連接到運(yùn)算放大器111的反向輸入端子(負(fù)(-)輸 入端子)，該運(yùn)算放大器111形成了差分放大電路110。電阻113連接 在差分放大器111的負(fù)(-)輸入端子和輸出端子之間。電阻114的 一個(gè)端子連接到緩沖器103。電阻114的另一個(gè)端子連接到運(yùn)算放大 器111的非反向輸入端子(正(+ )端子)。開關(guān)116通過(guò)電阻115連 接到運(yùn)算放大器111的正(+)輸入端子。開關(guān)116選擇一個(gè)觸點(diǎn)連 接到分壓電阻117和118所確定的電壓V11的節(jié)點(diǎn)和連接到分壓電阻 119和120所確定的電壓V12 (不等于電壓Vll)的節(jié)點(diǎn)。電源的電 壓電勢(shì)由四個(gè)電阻117到120進(jìn)行分壓。
在具有圖14所示的上述結(jié)構(gòu)的傳感器控制電路中，開關(guān)116可 以切換差分放大電路110的偏移電壓，以切換到化學(xué)計(jì)量值附近的化 學(xué)計(jì)量窄范圍和稀薄區(qū)域中的稀薄窄范圍。
然而，在JP 2006-275628所批露的傳感器控制設(shè)備中，運(yùn)算放大 器111的非反向輸入端子(正(+ )輸入端子)處的電阻值由開關(guān)116 的切換操作改變，并且這導(dǎo)致了運(yùn)算放大器111的放大系數(shù)等的波 動(dòng)。更確切地說(shuō)，當(dāng)進(jìn)行如下考慮時(shí)，即連接到運(yùn)算放大器111的反 向輸入端子(負(fù)(-)端子)的電阻112和113的值由Rll和R12表 示，連接到運(yùn)算放大器111的非反向輸入端子(正(+ )端子)的電 阻114和115的值由R13和R14表示，并且分壓電阻117和118所 確定的電阻值由R15表示，分壓電阻119和120所確定的電阻值由 R16表示。在這種情況下，差分放大電路110能夠以期望的放大系數(shù) (=R12/R11)進(jìn)行信號(hào)放大，除非滿足下列條件
(1) R11=R13;以及
(2) R12=R14+R15，或(3) R12=R14+R16。
然而，當(dāng)R15不等于R16 (R15t^R16)時(shí)，(2)和(3)之一不
能滿足。這種現(xiàn)象的缺陷是開關(guān)16的操作改變了信號(hào)放大系數(shù)和氣 體濃度檢測(cè)范圍，這與預(yù)期相反。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種傳感器控制設(shè)備，其能夠設(shè)置和 選擇多個(gè)不同的氣體濃度檢測(cè)范圍之一，并且在所選擇的每個(gè)氣體濃 度檢測(cè)范圍下以高的精度檢測(cè)目標(biāo)檢測(cè)氣體的氣體濃度。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了 一種對(duì)固體聚合物電解質(zhì)所制 成的傳感器元件的操作進(jìn)行控制的傳感器控制設(shè)備，其中該傳感器元 件能夠在寬的檢測(cè)范圍內(nèi)檢測(cè)目標(biāo)氣體中含有的特定氣體成分的濃 度。所述傳感器控制設(shè)備具有電流檢測(cè)電阻、放大電路、偏移設(shè)置電 路以及偏移切換模塊。通過(guò)所述電流檢測(cè)電阻，檢測(cè)在所述傳感器元 件中流動(dòng)的電流，并且生成元件電流信號(hào)。所述放大電路通過(guò)其正、 負(fù)輸入端子之一輸入所述元件電流信號(hào)，并對(duì)該元件電流信號(hào)進(jìn)行放 大。所述偏移設(shè)置電路設(shè)置一個(gè)偏移(或偏移值)。所述偏移設(shè)置電 路連接到所述放大電路的反饋線路(或反饋布線)中的一個(gè)或多個(gè)反 饋電阻和輸入電阻兩者之間的中間節(jié)點(diǎn)。所述偏移切換模塊根據(jù)從所 述傳感器元件連續(xù)提供的關(guān)于所述目標(biāo)氣體中的所述特定氣體成分 的濃度的元件電流信號(hào)來(lái)切換所述偏移設(shè)置電路所確定的偏移。作為本發(fā)明的主要特點(diǎn)，所述傳感器控制設(shè)備具有能夠?qū)νㄟ^(guò)其 正、負(fù)輸入信號(hào)端子中的至少一個(gè)所接收的元件電流信號(hào)進(jìn)行放大的 放大電路。所述傳感器控制設(shè)備可以設(shè)置一個(gè)偏移(或偏移值)或?qū)?一個(gè)偏移增加到所述放大電路所輸出的輸出信號(hào)上，這是因?yàn)樗銎?移設(shè)置電路連接到所述放大電路的反饋線路中的反饋電阻和輸入電 阻兩者之間的中間節(jié)點(diǎn)。也就是說(shuō)，所述放大電路和所述偏移設(shè)置電 路形成了加法電路。從所述放大電路到微機(jī)(在圖1中由附圖標(biāo)記20表示)的輸出信號(hào)是通過(guò)將與流經(jīng)所述傳感器元件的電流相對(duì)應(yīng) 的元件電流信號(hào)與所述偏移進(jìn)行相加而得到的信號(hào)。具有單個(gè)放大電 路(不是象現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)中那樣具有多個(gè)放大電路)的結(jié)構(gòu)可以選擇 和設(shè)置最優(yōu)的氣體濃度檢測(cè)范圍。在該結(jié)構(gòu)中，因?yàn)轭A(yù)先知道所述偏 移設(shè)置電路所提供的、并將加到所述放大電路的輸出電流上的電流值 (偏移)，因此可以精確地檢測(cè)目標(biāo)氣體的氣體濃度。返回現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)，具有圖14所示的差分放大電路的常規(guī)傳感器控制設(shè)備可能使信號(hào)放大系數(shù)和氣體濃度檢測(cè)范圍波動(dòng)，這與預(yù)期
相反。這種波動(dòng)在下列狀態(tài)下發(fā)生在差分放大電路(參見(jiàn)圖14)中， 即，反饋電阻值由于切換偏移電壓而變得與接地電阻值不同(在圖 14中，不滿足R12二R14+R15或R12^R14+R16)。
相反，根據(jù)本發(fā)明的傳感器控制設(shè)備，因?yàn)樗銎圃O(shè)置電路連 接到放大電路的反饋線路中的一個(gè)或多個(gè)反饋電阻和輸入電阻兩者 之間的中間節(jié)點(diǎn)上，因此可以避免由于切換偏移(對(duì)應(yīng)于偏移電壓) 引起的反饋電阻值和接地電壓值的任何波動(dòng)。
根據(jù)上面詳細(xì)描述的本發(fā)明，可以設(shè)置不同的氣體濃度檢測(cè)范圍 之一并且在每個(gè)檢測(cè)范圍內(nèi)進(jìn)行最優(yōu)的氣體濃度檢測(cè)。此外，所述放 大電路優(yōu)選是反向型或非反向型放大電路(參見(jiàn)圖1，圖9和圖13)， 用于通過(guò)其正、負(fù)輸入信號(hào)端子中的一個(gè)來(lái)輸入電流檢測(cè)電阻所檢測(cè) 的元件電流信號(hào)，并且對(duì)該元件電流信號(hào)進(jìn)行放大。更進(jìn)一步地，所 述放大電路優(yōu)選是差分放大電路(參見(jiàn)圖12)，用于通過(guò)其正、負(fù)輸 入信號(hào)端子來(lái)輸入所述電流檢測(cè)電阻的兩端上的電壓信號(hào)，并且對(duì)該 電壓信號(hào)的差進(jìn)行放大。
在根據(jù)本發(fā)明的傳感器控制設(shè)備中的放大電路的兩種情況下，都 可以實(shí)現(xiàn)或保持下列條件，即在所述偏移切換模塊的偏移設(shè)置切換操 作之前和之后，反饋電阻值都等于放大電路的接地電阻值。
在根據(jù)本發(fā)明另一方面的傳感器控制設(shè)備中，所述偏移切換模塊 通過(guò)使所述放大電路的反饋線路中的反饋電阻和輸入電阻之間的中 間節(jié)點(diǎn)與所述偏移設(shè)置電路連接/斷開，來(lái)切換所述偏移設(shè)置電路確 定和傳送的偏移(或偏移值)。在根據(jù)本發(fā)明另一方面的傳感器控制 設(shè)備中，所述偏移設(shè)置電路設(shè)置了多個(gè)偏移(或偏移值)，并且所述 偏移切換模塊選擇性地選擇多個(gè)偏移中的一個(gè)。
在根據(jù)本發(fā)明的傳感器控制設(shè)備的結(jié)構(gòu)中，可以通過(guò)使所述偏移 設(shè)置電路與所述放大電路連接/斷開，或者通過(guò)改變所述偏移設(shè)置電 路的偏移，來(lái)形成基于偏移(或偏移值)的不同氣體濃度檢測(cè)范圍。 從而，可以設(shè)置具有不同的高濃度側(cè)和不同的低濃度側(cè)的最優(yōu)氣體濃 度檢測(cè)范圍。根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，提出了 一種對(duì)固體聚合物電解質(zhì)所制成 的傳感器元件進(jìn)行控制的傳感器控制設(shè)備，其中該傳感器元件能夠在 寬的檢測(cè)范圍下檢測(cè)目標(biāo)氣體中的特定氣體成分的濃度。所述傳感器 控制設(shè)備具有電流檢測(cè)電阻、放大電路、偏移設(shè)置電路以及偏移切換 模塊。所述電流檢測(cè)電阻檢測(cè)在所述傳感器元件中流動(dòng)的電流，并且 生成元件電流信號(hào)。所述放大電路通過(guò)其一個(gè)輸入信號(hào)端子來(lái)輸入所 述元件電流信號(hào)，并對(duì)該元件電流信號(hào)進(jìn)行放大，其中所述放大電路 是反向型放大電路和非反向型放大電路中的一個(gè)。所述偏移設(shè)置電路 設(shè)置一個(gè)偏移，并且所述偏移設(shè)置電路連接到所述放大電路中的用于 接收所述元件電流信號(hào)的輸入信號(hào)端子和另一輸入信號(hào)端子中的一 個(gè)。所述偏移切換模塊根據(jù)關(guān)于所述目標(biāo)氣體中含有的所述特定氣體 成分的濃度的所述元件電流信號(hào)來(lái)切換所述偏移設(shè)置電路所確定的
偏移o
在根據(jù)本發(fā)明的具有能夠放大元件電流信號(hào)的反向或非反向型 放大電路的傳感器控制設(shè)備中，通過(guò)將所述放大電路的一個(gè)輸入信號(hào) 端子連接到所述偏移設(shè)置電路，可以將偏移加到所述放大電路的輸出 信號(hào)上。也就是說(shuō)，所述放大電路和所述偏移設(shè)置電路形成加法電路。 所述放大電路的輸出信號(hào)變成了通過(guò)將所述偏移設(shè)置電路所提供的 偏移加到與在傳感器元件中流動(dòng)的電流的幅值相對(duì)應(yīng)的元件電流信 號(hào)而獲得的信號(hào)?；蛘?，所述放大電路的輸出信號(hào)是通過(guò)將所述偏移 設(shè)置電路提供的偏移值加到被輸入到所述放大電路的另一輸入信號(hào) 端子的參考信號(hào)而獲得的，并且所述另一輸入信號(hào)端子不同于用于接 收所述元件電流信號(hào)的輸入信號(hào)端子。
具有單個(gè)放大電路的傳感器控制設(shè)備的結(jié)構(gòu)可以設(shè)置不同的氣 體濃度檢測(cè)范圍。在該結(jié)構(gòu)中，因?yàn)轭A(yù)先知道所述偏移設(shè)置電路將提 供給所述放大電路的電流值(即，偏移值)，因此尤其可以通過(guò)將所 述電流值加到所述放大電路的輸出信號(hào)來(lái)檢測(cè)目標(biāo)氣體的氣體濃度。
相反，在使用差分放大電路而不是反向或非反向型放大電路的現(xiàn)
有相關(guān)技術(shù)的傳感器控制設(shè)備中(作為比較例，參見(jiàn)圖14)，雖然通 過(guò)將所述偏移設(shè)置電路連接到所述放大電路的一個(gè)輸入信號(hào)端子來(lái)進(jìn)行所述偏移設(shè)置操作，但是現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)的傳感器控制設(shè)備(例如，參見(jiàn)圖14)可能使信號(hào)放大系數(shù)和氣體濃度檢測(cè)范圍發(fā)生波動(dòng)或變 化，這與預(yù)期相反。在本發(fā)明的傳感器控制設(shè)備中使用反向型或非反向型放大電路 可以避免這種現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)的缺陷。根據(jù)上面描述的本發(fā)明，可以設(shè)置不同的氣體濃度檢測(cè)范圍之一 并且在每個(gè)檢測(cè)范圍下進(jìn)行最優(yōu)的氣體濃度檢測(cè)。在根據(jù)本發(fā)明另一方面的傳感器控制設(shè)備中，所述偏移切換模塊 優(yōu)選通過(guò)使所述放大模塊的一個(gè)輸入信號(hào)端子與所述偏移設(shè)置電路 連接/斷開來(lái)切換或者選擇所述偏移設(shè)置電路確定的偏移。在根據(jù)本 發(fā)明另一方面的傳感器控制設(shè)備中，所述偏移設(shè)置電路優(yōu)選設(shè)置或者 選擇多個(gè)偏移值，并且所述偏移切換模塊選擇性地選擇多個(gè)偏移值中 的一個(gè)。根據(jù)上面描述的本發(fā)明的傳感器控制設(shè)備的每個(gè)結(jié)構(gòu)，通過(guò) 將所述偏移設(shè)置電路與所述放大電路連接/斷開，可以設(shè)置對(duì)應(yīng)于目 標(biāo)氣體的不同氣體濃度檢測(cè)范圍的不同偏移值。這能夠容易地設(shè)置具 有不同的高濃度側(cè)和不同的低濃度側(cè)的不同檢測(cè)范圍。根據(jù)本發(fā)明的傳感器控制設(shè)備可以用作其中使用了傳感器元件 的空燃(A/F)檢測(cè)設(shè)備，其能夠基于所述傳感器元件檢測(cè)到的元件 電流信號(hào)來(lái)檢測(cè)內(nèi)燃機(jī)所發(fā)出的廢氣的空燃(A7F)比。在根據(jù)本發(fā) 明的傳感器控制設(shè)備中，可以定義下列檢測(cè)范圍。用于化學(xué)計(jì)量燃燒控制的化學(xué)計(jì)量檢測(cè)范圍(化學(xué)計(jì)量調(diào)節(jié) (zoom)范圍RG2)，其是傳感器元件可檢測(cè)的整個(gè)A/F比檢測(cè)范圍 的一部分；以及用于稀薄燃燒控制的稀薄檢測(cè)范圍(稀薄調(diào)節(jié)范圍RG3)，其是 傳感器元件可檢測(cè)的整個(gè)A/F比檢測(cè)范圍的一部分。在上面描述的傳感器控制設(shè)備的結(jié)構(gòu)中，所述偏移切換模塊根據(jù) A/F比控制來(lái)判斷所述A/F比檢測(cè)是在化學(xué)計(jì)量檢測(cè)范圍下進(jìn)行還是 在稀薄檢測(cè)范圍下進(jìn)行。所述偏移切換模塊根據(jù)判斷結(jié)果切換所述偏 移?；瘜W(xué)計(jì)量檢測(cè)范圍和稀薄檢測(cè)范圍中的每一個(gè)都是整個(gè)檢測(cè)范圍的一部分并且具有針對(duì)不同A/F比的檢測(cè)范圍。通過(guò)切換上面所述 的偏移，可以在每個(gè)檢測(cè)范圍下檢測(cè)最優(yōu)A/F比。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明 的傳感器控制設(shè)備可以有效地進(jìn)行化學(xué)計(jì)量燃燒控制和稀薄燃燒控 制。
在根據(jù)本發(fā)明另一方面的傳感器控制設(shè)備中，A/F比檢測(cè)范圍包 括用于富裕(rich)燃燒控制的富裕檢測(cè)范圍(如，富裕調(diào)節(jié)范圍RG4)，
其作為整個(gè)A/F比檢測(cè)范圍的一部分。偏移切換模塊選擇化學(xué)計(jì)量檢 測(cè)范圍、稀薄檢測(cè)范圍以及富裕檢測(cè)范圍中的一個(gè)，以便于使用所選 的一個(gè)來(lái)檢測(cè)A/F比，并且基于判斷結(jié)果來(lái)切換所述偏移。
上面的結(jié)構(gòu)使傳感器控制設(shè)備除了能夠執(zhí)行化學(xué)計(jì)量燃燒控制 和稀薄燃燒控制之外，還能夠執(zhí)行富裕燃燒控制。當(dāng)選擇富裕檢測(cè)范 圍并將其用作A/F比檢測(cè)范圍時(shí)，優(yōu)選將通過(guò)對(duì)用于稀薄檢測(cè)范圍的 偏移進(jìn)行反向而獲得的反向偏移加到放大電路的輸出上。也就是說(shuō)， 當(dāng)使用稀薄檢測(cè)范圍作為A/F比檢測(cè)范圍時(shí)，偏移設(shè)置電路將與偏移 相對(duì)應(yīng)的電流值提供給放大電路。相反，當(dāng)使用富裕檢測(cè)范圍作為 A7F比檢測(cè)范圍時(shí)，放大電路將與偏移相對(duì)應(yīng)的電流值提供給偏移設(shè) 置電路。
在根據(jù)本發(fā)明另一方面的傳感器控制設(shè)備中，化學(xué)計(jì)量檢測(cè)范 圍、稀薄檢測(cè)范圍以及富裕檢測(cè)范圍中的每一個(gè)優(yōu)選都包括化學(xué)計(jì)量 值。從而，每個(gè)檢測(cè)范圍都包括元件電流等于O (化學(xué)計(jì)量檢測(cè)狀態(tài) 下的0毫安)的狀態(tài)。因此，可以基于在將傳感器元件置于化學(xué)計(jì)量 檢測(cè)狀態(tài)下時(shí)的放大器電路的輸出信號(hào)的變化來(lái)判斷電路特性誤差。
特別優(yōu)選的是，所述傳感器控制設(shè)備具有電路特性檢測(cè)模塊，該 電路特性檢測(cè)模塊被配置為基于當(dāng)在傳感器元件中流動(dòng)的電流被強(qiáng) 制切斷時(shí)的放大電路的輸出信號(hào)來(lái)檢測(cè)電路特性誤差。例如，斷開到 傳感器元件的電壓供應(yīng)線路，從而中斷電壓的供應(yīng)并且停止元件電流 的流動(dòng)。這種情況使得所述傳感器控制設(shè)備和傳感器元件被強(qiáng)制設(shè)置 在化學(xué)計(jì)量檢測(cè)狀態(tài)，并且基于放大電路的輸出電壓的變化來(lái)判斷放 大電路是否存在電路特性誤差。
根據(jù)本發(fā)明另一方面的傳感器控制設(shè)備還具有用于放大的多個(gè)電阻和放大系數(shù)切換模塊。用于放大的多個(gè)電阻確定所述放大電路的 放大系數(shù)。所述放大系數(shù)切換模塊切換用于放大的電阻，以便于將用 于放大的電阻中的一個(gè)用作輸入電阻，而將用于放大的剩余電阻用作 反饋電阻。具有上述結(jié)構(gòu)的傳感器控制設(shè)備可以通過(guò)對(duì)所述放大電路的放 大系數(shù)(或增益)進(jìn)行可變?cè)O(shè)置來(lái)調(diào)節(jié)氣體濃度檢測(cè)分辨率。這可以 增加或者提高目標(biāo)氣體的氣體濃度的檢測(cè)精度。所述放大電路的放大 系數(shù)可以通過(guò)在用于放大的電阻中選擇用作輸入電阻和反饋電阻的 電阻來(lái)改變。當(dāng)與具有不同放大系數(shù)的多個(gè)放大電路的常規(guī)傳感器控 制設(shè)備相比時(shí)，這使得所述傳感器控制設(shè)備能夠具有簡(jiǎn)單的電路結(jié) 構(gòu)。如上所述，本發(fā)明能夠利用簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)提供在期望的氣體濃 度范圍內(nèi)具有改進(jìn)或優(yōu)良的檢測(cè)精度的傳感器控制設(shè)備。考慮上述結(jié)構(gòu)的組合，所述傳感器控制設(shè)備除了可以在不同的偏 移設(shè)置狀態(tài)下設(shè)置氣體濃度檢測(cè)范圍之外，還可以設(shè)置具有不同范圍 的氣體濃度檢測(cè)范圍。此外，優(yōu)選的是在放大電路中的運(yùn)算放大器的信號(hào)輸入線上具有 開關(guān)元件，并且根據(jù)所述開關(guān)元件的操作來(lái)切換用于放大的電阻。也 就是說(shuō)，因?yàn)檫\(yùn)算放大器的信號(hào)輸入線路通常具有高阻抗。即使開關(guān) 元件具有電阻分量，但是當(dāng)傳感器控制設(shè)備具有能夠利用設(shè)置在高阻 抗的信號(hào)輸入線路上的開關(guān)元件來(lái)改變放大系數(shù)的結(jié)構(gòu)時(shí)，可以忽略 存在電阻分量的影響。因此，放大電路可以以高的精度來(lái)放大信號(hào)。在根據(jù)本發(fā)明另一方面的傳感器控制設(shè)備中，預(yù)先將用于檢測(cè)目 標(biāo)氣體的氣體濃度的寬檢測(cè)范圍劃分成不同的檢測(cè)范圍。放大系數(shù)切 換模塊切換用于放大的電阻，使得當(dāng)在不同檢測(cè)范圍中的窄檢測(cè)范圍 內(nèi)檢測(cè)目標(biāo)氣體中含有的特定氣體成分的氣體濃度時(shí)，增大所述放大 電路的放大系數(shù)。放大系數(shù)切換模塊還切換用于放大的電阻，使得當(dāng) 在不同檢測(cè)范圍中的寬檢測(cè)范圍內(nèi)檢測(cè)目標(biāo)氣體中含有的特定氣體 成分的氣體濃度時(shí)，減小所述放大電路的放大系數(shù)。在該結(jié)構(gòu)中，使 用比較窄的檢測(cè)范圍的傳感器控制設(shè)備可以以第一或最高的執(zhí)行優(yōu) 選權(quán)來(lái)進(jìn)行高精度的氣體濃度檢測(cè)。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)傳感器控制設(shè)備用作A/F比檢測(cè)設(shè)備并且目標(biāo)檢 測(cè)氣體是內(nèi)燃機(jī)所發(fā)出的廢氣時(shí)，優(yōu)選在下列條件下進(jìn)行偏移切換和 放大系數(shù)切換。
傳感器控制設(shè)備在A/F比檢測(cè)范圍中檢測(cè)廢氣的A/F比。所述 A/F比檢測(cè)范圍包括整個(gè)A/F比檢測(cè)范圍(如，整個(gè)檢測(cè)范圍RG1)、 化學(xué)計(jì)量檢測(cè)范圍(如，化學(xué)計(jì)量調(diào)節(jié)范圍RG2)、以及稀薄檢測(cè)范 圍(如，稀薄調(diào)節(jié)范圍RG3)。傳感器元件可以在整個(gè)A/F比檢測(cè)范 圍中進(jìn)行檢測(cè)?；瘜W(xué)計(jì)量檢測(cè)范圍是整個(gè)A/F比檢測(cè)范圍的一部分， 并且其用于化學(xué)計(jì)量燃燒控制。稀薄檢測(cè)范圍是整個(gè)A/F比檢測(cè)范圍 的一部分，并且其用于稀薄燃燒控制。
此外，傳感器控制設(shè)備控制下列條件(1)到(3)。 (1)當(dāng)傳感 器元件在整個(gè)A/F比檢測(cè)范圍下檢測(cè)廢氣的A/F比時(shí)，偏移切換模塊 不給放大電路任何偏移。放大系數(shù)切換模塊選擇用于^C大的電阻，使 得所述放大系數(shù)減小。(2)當(dāng)傳感器元件在化學(xué)計(jì)量檢測(cè)范圍下檢測(cè) 廢氣的A/F比時(shí)，偏移切換模塊不給放大電路任何偏移，并且放大系 數(shù)切換模塊選擇用于放大的電阻，使得所述放大系數(shù)增大。(3)當(dāng)傳 感器元件在稀薄檢測(cè)范圍下檢測(cè)廢氣的A/F比時(shí)，偏移切換模塊向放 大電路提供偏移，并且放大系數(shù)切換模塊選擇用于放大的電阻，使得 所述放大系數(shù)增大。
根據(jù)傳感器控制設(shè)備的結(jié)構(gòu)，可以容易地將A/F比檢測(cè)范圍切換 或者改變到整個(gè)檢測(cè)范圍、化學(xué)計(jì)量檢測(cè)范圍和稀薄檢測(cè)范圍三者中 的一個(gè)。結(jié)果，可以有效地執(zhí)行化學(xué)計(jì)量燃燒控制和稀薄燃燒控制。 除了該特征之外，還可以通過(guò)檢測(cè)外界大氣來(lái)執(zhí)行傳感器異常診斷 等。
在根據(jù)本發(fā)明另一方面的傳感器控制設(shè)備中，可以進(jìn)一步定義用 于富裕燃燒控制的富裕檢測(cè)范圍(如，富裕調(diào)節(jié)范圍RG4)，其是整 個(gè)A/F比檢測(cè)范圍的一部分。當(dāng)傳感器元件在富裕檢測(cè)范圍下檢測(cè)廢 氣的A/F比時(shí)，優(yōu)選的是所述偏移切換模塊將反向的偏移提供給放大 電路，其中所述反向的偏移是通過(guò)對(duì)用于稀薄檢測(cè)范圍的偏移進(jìn)行反 向而獲得的。放大系數(shù)切換模塊增大放大系數(shù)。因此，在進(jìn)行化學(xué)計(jì)量燃燒控制和稀薄燃燒控制之外，還可以進(jìn)行富裕燃燒控制。
在根據(jù)本發(fā)明另 一方面的傳感器控制設(shè)備中，所述放大電路包括 其輸出級(jí)上的恒流源和下拉電阻中的一個(gè)。在該結(jié)構(gòu)中，可以利用簡(jiǎn) 單的結(jié)構(gòu)將放大電路的輸出電壓范圍向下限側(cè)擴(kuò)展。也就是說(shuō)，可以 使用具有小尺寸芯片面積的放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)放大電路所提供的輸出電 壓范圍的擴(kuò)展。這可以減小傳感器控制設(shè)備的尺寸。


參照附圖并通過(guò)實(shí)例來(lái)描述本發(fā)明的優(yōu)選、非限制性實(shí)施例，在 附圖中-
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的配備有傳感器元件的傳感
器控制設(shè)備的電路結(jié)構(gòu)；
圖2是圖1所示的傳感器元件中的A/F傳感器的截面圖3示出了圖2所示的A/F傳感器的電壓-電流特性(Vp-IL特
性)；
圖4示出了在各種范圍RG1 、 RG2和RG3內(nèi)的A/F比和傳感器 輸出電壓之間的關(guān)系；
圖5示出了 A/F傳感器和流經(jīng)A/F傳感器的元件電流IL之間的 關(guān)系；
圖6是示出了配備有根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的傳感器控制設(shè)備 的A/F比檢測(cè)系統(tǒng)所執(zhí)行的范圍切換過(guò)程的流程圖7是示出了當(dāng)引擎起動(dòng)時(shí)A/F比控制系統(tǒng)執(zhí)行一次的起動(dòng)過(guò)程 的流程圖8示出了 A/F比和傳感器元件的輸出電壓兩者之間的關(guān)系；
圖9示出了配備有根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的傳感器控制設(shè)備的 傳感器控制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)；
圖10A示出了形成根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的傳感器控制設(shè)備中 的反向放大電路的具有另一種結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器的等效電路圖IOB示出了其中下拉電阻連接到圖IOA所示的運(yùn)算放大器的 輸出端子的另一電路圖；圖11A是一截面圖，其示出了用于根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的傳 感器控制設(shè)備的具有雙電池結(jié)構(gòu)的A/F傳感器元件；圖11B是一截面圖，其示出了用于根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的傳感 器控制設(shè)備的具有另一種結(jié)構(gòu)的A/F傳感器元件；圖12示出了用于圖IIA所示的傳感器元件的根據(jù)本發(fā)明第三實(shí) 施例的傳感器控制設(shè)備的結(jié)構(gòu)；圖13示出了用于圖IIA所示的傳感器元件的根據(jù)本發(fā)明第三實(shí) 施例的傳感器控制設(shè)備的另一結(jié)構(gòu)；以及圖14是示出了常規(guī)傳感器控制設(shè)備的電路圖。
具體實(shí)施方式
下文，將參考附圖描述本發(fā)明的各種實(shí)施例。在下面各種實(shí)施例 的描述中，幾幅圖中相似的附圖標(biāo)記或數(shù)字表示相似或等效部件。第一實(shí)施例將參考附圖來(lái)描述根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的傳感器控制設(shè)備。 根據(jù)第一實(shí)施例的傳感器控制設(shè)備30用作空燃(A/F)比檢測(cè)設(shè) 備，并且還適用于配備有電控制單元(ECU)的A/F比控制系統(tǒng)，該 電控制單元用于對(duì)安裝在機(jī)動(dòng)車輛上的內(nèi)燃機(jī)(下文簡(jiǎn)稱為"引擎") 的操作進(jìn)行控制。所述A/F比檢測(cè)設(shè)備能夠檢測(cè)作為引擎發(fā)出的目標(biāo) 氣體的廢氣(或燃燒氣體)中的氧氣濃度。A/F比控制系統(tǒng)中的用于 引擎控制的ECU接收關(guān)于從配備有傳感器元件10的引擎控制設(shè)備 30傳送的A/F比的檢測(cè)結(jié)果。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的A/F比控制系統(tǒng)中的傳感器 控制設(shè)備30的電路結(jié)構(gòu)。所述A/F比控制系統(tǒng)按照需要可以執(zhí)行化 學(xué)計(jì)量燃燒控制，以用于進(jìn)行化學(xué)計(jì)量值附近的A/F比的反饋控制， 也可以執(zhí)行稀薄燃燒控制，以用于進(jìn)行稀薄區(qū)域中的A/F比的反饋控 制。配備有根據(jù)本發(fā)明的傳感器控制設(shè)備的A/F比控制系統(tǒng)能夠在 從燃料富裕區(qū)(例如，A/F11)到大氣狀態(tài)的寬范圍內(nèi)檢測(cè)A/F比，以便于控制各種狀況，例如與近期或未來(lái)的汽車排放物控制和車載診
斷(或OBD)、引擎運(yùn)行在富裕燃料燃燒時(shí)的富裕燃料燃燒控制、置 于廢氣管中的NOx存儲(chǔ)還原催化劑(NSR)的NOx排放控制以及硫 中毒消除控制等相對(duì)應(yīng)的寬范圍的A/F比控制。
首先，參照?qǐng)D2對(duì)包括在根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的傳感器控制設(shè) 備中的A/F傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。
A/F傳感器具有迭片或者多層結(jié)構(gòu)的傳感器元件10。圖2是A/F 傳感器10的截面圖。
實(shí)際的傳感器元件10具有沿圖2的垂直方向的縱向形狀。外殼 或者元件罩其中容納了整個(gè)傳感器元件10。傳感器元件10主要包括 迭片的固體聚合物電解質(zhì)層11、擴(kuò)散電阻層12、屏蔽層13和絕緣層 14，如圖2所示。
傳感器元件IO覆蓋有保護(hù)層(圖2中省略)。矩形板狀的固體聚 合物電解質(zhì)層11是由部分穩(wěn)定狀態(tài)的氧化鋯(zirconiadioxideZr02) 所制成的薄片。電極15和16形成了一對(duì)電極，并且形成在固體聚合 物電解質(zhì)層11的兩個(gè)端面上。這些電極15和16通過(guò)固體聚合物電 解質(zhì)層ll而相互面對(duì)。
擴(kuò)散電阻層12由多孔的薄片構(gòu)成，安裝在機(jī)動(dòng)車輛上的引擎所 發(fā)出的廢氣通過(guò)該擴(kuò)散電阻層12被引入到電極15。屏蔽層13由致 密層構(gòu)成，以便于抑制廢氣的滲入。盡管每個(gè)層12和13都由氧化鋁、 尖晶石和氧化鋯通過(guò)薄片成型所制成，但是每個(gè)層12和13都具有不 同的透氣性，這是通過(guò)不同的平均孔寸和氣孔率所獲得的。
絕緣層14由高導(dǎo)熱性的陶瓷制成，例如氧化鋁。在絕緣層14的 面對(duì)電極16的部分上，形成了外界大氣輸送管。還將多個(gè)加熱器18 嵌入在絕緣層14中。這些加熱器18由加熱元件制成，該加熱元件能 夠在從電池電源(未示出)接收到電能時(shí)產(chǎn)生熱能。嵌入在絕緣層 14中的加熱器18的熱能對(duì)整個(gè)傳感器元件10加熱。
在具有上述結(jié)構(gòu)的傳感器元件10中，廢氣是通過(guò)傳感器元件IO 中的擴(kuò)散電阻層12的側(cè)部引入的，并且廢氣到達(dá)了電極15。當(dāng)傳感 器元件10引入燃料稀薄的廢氣時(shí)，該廢氣中含有的氧氣在電極15處分解，并且將該廢氣排出到電極16處的大氣輸送管17。當(dāng)傳感器元 件10引入富裕廢氣時(shí)，氧氣在大氣輸送管17中的電極16處分解， 并且該廢氣通過(guò)電極15排放到廢氣側(cè)。圖3示出了圖2所示的A/F傳感器10的電壓-電流特性(Vp-IL 特性)。在圖3中，直線部分是限制電流區(qū)(圖3中由LC表示)，該 直線部分近似平行于電壓(Vp (V))軸(水平軸)，限制電流區(qū)指定 了傳感器元件10的元件電流IL (限制電流)的幅值。該元件電流IL (mA)的增大和減少對(duì)應(yīng)于A/F比的增大和減少(也就是說(shuō)，對(duì)應(yīng) 于稀薄狀態(tài)和富裕狀態(tài)的程度)。當(dāng)A/F比越向著稀薄狀態(tài)偏移時(shí)， 元件電流IL就會(huì)越來(lái)越減少。圖3中的附圖標(biāo)記LX1指明了施加電 壓直線(或者施加電壓特性)，利用該施加電壓直線可以確定將要施 加給傳感器元件10的施加電壓Vp的幅值。在圖3中，施加電壓直 線LX1的傾斜度近似與電阻控制區(qū)(這是從限制電流區(qū)LC觀察到的 位于低壓側(cè)的傾斜區(qū)S1)的傾斜度相當(dāng)。接著，現(xiàn)在將參照?qǐng)D1對(duì)作為本發(fā)明主要部分的傳感器控制系統(tǒng) 的電結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。如圖1所示，傳感器控制系統(tǒng)15主要由引擎ECU 25、微機(jī)20 和傳感器控制設(shè)備30組成。圖1所示的傳感器控制系統(tǒng)對(duì)在A/F傳 感器(具有傳感器元件10)中流動(dòng)的元件電流進(jìn)行測(cè)量，然后基于 所測(cè)得的元件電流來(lái)計(jì)算A/F值。微機(jī)20主要由CPU (中央處理單元)、各種類型的存儲(chǔ)器、A/D (模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換器等組成，微機(jī)20是眾所周知的并且容易在市場(chǎng) 上買到。特別地，該A/F轉(zhuǎn)換器具有例如IO位分辨率的能力，并且 它的操作電壓在0到5V的范圍內(nèi)。微機(jī)20—直計(jì)算A/F值，并且 連續(xù)地將計(jì)算結(jié)果傳送給引擎ECU 25。當(dāng)供給引擎的燃料量在引擎的高負(fù)載期間增加時(shí)，引擎ECU 25 執(zhí)行諸如化學(xué)計(jì)量反饋控制、稀薄反饋控制、富裕反饋控制等各種功 能，并且在燃料量降低的大氣狀態(tài)下執(zhí)行車載診斷(OBD)，以檢測(cè) 傳感器異常狀態(tài)。引擎ECU 25基于從具有傳感器元件10的A/F傳 感器獲得的A/F值來(lái)執(zhí)行這些功能。在化學(xué)計(jì)量反饋控制的具體例子中，將目標(biāo)空燃(A/F)比設(shè)置 為化學(xué)計(jì)量值(A/F = 14.7)，并且引擎ECU25控制噴嘴的燃料噴射 量，使得A/F傳感器所檢測(cè)的實(shí)際A/F比等于目標(biāo)A/F比(其稱為 "精確化學(xué)計(jì)量控制")。在稀薄反饋控制的具體例子中，設(shè)置目標(biāo)稀薄A/F比(例如A/F =30.0)，并且引擎ECU25控制噴嘴的燃料噴射量，使得A/F傳感器 所檢測(cè)的實(shí)際A/F比等于目標(biāo)稀薄A/F比(其稱為"精確稀薄燃燒控 制")。此外，在富裕反饋控制的具體例子中，當(dāng)車輛具有高負(fù)載時(shí)，例 如車輛加速時(shí)和車輛在上坡上行駛時(shí)，設(shè)置目標(biāo)富裕A/F比(例如 A/F=10.0)，并且引擎ECU 25控制噴嘴的燃料噴射量，使得A/F傳 感器所檢測(cè)的實(shí)際A/F比等于目標(biāo)富裕A/F比。還有，在傳感器異常診斷控制的具體例子中，在停止向引擎提供 燃料時(shí)，弓1擎ECU25基于A/F傳感器的輸出值(元件電流值)是否 變?yōu)閷?duì)應(yīng)于廢氣管中的氣體狀態(tài)變成大氣(也就是說(shuō)，已知大氣)時(shí) 的大氣狀態(tài)的值來(lái)判斷A/F傳感器是否出現(xiàn)惡化，其中廢氣管中的氣 體狀態(tài)變成大氣是通過(guò)切斷到引擎的燃料供應(yīng)所引起的?；瘜W(xué)計(jì)量反饋控制和稀薄反饋控制需要在化學(xué)計(jì)量值附近的區(qū) 域和所需稀薄控制區(qū)中檢測(cè)精確的A/F比。相反，富裕反饋控制和傳 感器異常診斷需要在從富裕區(qū)到超稀薄區(qū)(大氣狀態(tài))的大范圍內(nèi)檢 測(cè)A/F比。包括有根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的傳感器控制設(shè)備的A/F比控制 系統(tǒng)準(zhǔn)備了下列三種類型的A/F比檢測(cè)范圍RG1、 RG2和RG3，并 且根據(jù)所要執(zhí)行的A/F比控制類型來(lái)選擇最佳的A/F比檢測(cè)范圍。整個(gè)范圍RG1是從富裕區(qū)到超稀薄區(qū)(大氣)的范圍?；瘜W(xué)計(jì) 量調(diào)節(jié)范圍RG2是化學(xué)計(jì)量值附近的區(qū)域。稀薄調(diào)節(jié)范圍RG3是預(yù) 定的稀薄檢測(cè)范圍。整個(gè)范圍RG1對(duì)應(yīng)于可由傳感器元件10檢測(cè)到的整個(gè)范圍?；?學(xué)計(jì)量調(diào)節(jié)范圍RG2是整個(gè)范圍RG1 (整個(gè)A/F比范圍)的一部分， 并且對(duì)應(yīng)于化學(xué)計(jì)量燃燒控制中采用的化學(xué)計(jì)量檢測(cè)范圍。稀薄調(diào)節(jié)范圍RG3是整個(gè)范圍RG1 (整個(gè)A/F比范圍)的一部分，并且對(duì)應(yīng) 于稀薄燃燒控制中采用的稀薄檢測(cè)范圍。圖4示出了三種A/F比檢測(cè)范圍RG1到RG3中的A/F比與傳感 器輸出電壓之間的關(guān)系。根據(jù)微機(jī)20中的A/D轉(zhuǎn)換器的A/D處理范 圍來(lái)定義A/F輸出電壓的范圍。如圖4清楚所示，A/F輸出電壓在大 約0V到5V的范圍內(nèi)。如圖4所示，整個(gè)范圍RG1設(shè)置在A/F比從10到大氣的范圍內(nèi)。 化學(xué)計(jì)量調(diào)節(jié)范圍RG2設(shè)置在A/F比從13到20的范圍內(nèi)。稀薄調(diào) 節(jié)范圍RG3設(shè)置在A/F比從14到35的范圍內(nèi)。將這些范圍RG1到 RG3中的每一個(gè)設(shè)置為覆蓋化學(xué)計(jì)量值的檢測(cè)范圍。使用整個(gè)范圍 RG1的A/F比檢測(cè)能夠在整個(gè)范圍內(nèi)檢測(cè)A/F比，其中將所述整個(gè) 范圍定義為A/F比控制系統(tǒng)的操作范圍?；瘜W(xué)計(jì)量調(diào)節(jié)范圍RG2和稀薄調(diào)節(jié)范圍RG3中的A/F比檢測(cè)可 以在有限的電壓范圍(微機(jī)20中的A/D操作電壓內(nèi))內(nèi)增強(qiáng)A/F比 的檢測(cè)分辨率。圖5示出了 A/F輸出電壓和流過(guò)A/F傳感器10的元件電流IL (mA)之間的關(guān)系。如圖5所示，元件電流IL在化學(xué)計(jì)量值(A/F 比=14.7)處為OmA。當(dāng)將稀薄區(qū)與富裕區(qū)相比較時(shí)，它們對(duì)元件電流IL具有不同的 A/F靈敏度。前者(稀薄范圍)具有高的A/F靈敏度。這依賴于傳感 器元件10的靈敏度特性。在這種情況下，即使元件電流范圍(圖5 中IL沿水平軸的寬度)在化學(xué)計(jì)量調(diào)節(jié)范圍RG2和稀薄調(diào)節(jié)范圍 RG3中是相同的，也能夠確認(rèn)它們具有不同的實(shí)際A/F比檢測(cè)范圍 (如圖5中A/F輸出電壓沿垂直軸的寬度)。配備有第一實(shí)施例的傳感器控制設(shè)備的A/F比控制系統(tǒng)在化學(xué) 計(jì)量調(diào)節(jié)范圍RG2和稀薄調(diào)節(jié)范圍RG3兩者的元件電流范圍(換言 之，A/F輸出電壓的范圍)相同而實(shí)際空燃檢測(cè)范圍不同的情況下執(zhí) 行A/F比控制。配備有傳感器控制設(shè)備的A/F比控制系統(tǒng)并不同時(shí)執(zhí)行化學(xué)計(jì) 量反饋控制、稀薄反饋控制和傳感器異常診斷，也就是說(shuō)，A/F比控制系統(tǒng)選擇性地執(zhí)行每種控制。因此，沒(méi)有必要同時(shí)在化學(xué)計(jì)量調(diào)節(jié)范圍RG2和稀薄調(diào)節(jié)范圍RG3中執(zhí)行A/F比檢測(cè)。配備有傳感器控 制設(shè)備的A/F比控制系統(tǒng)選擇性地從這些范圍RG1、 RG2和RG3中 選擇最佳的A/F比檢測(cè)范圍，并在所選的范圍內(nèi)執(zhí)行A/F比檢測(cè)(A/F 值的計(jì)算)?；氐綀D1，在第一實(shí)施例的傳感器控制設(shè)備30中，傳感器元件 10的負(fù)(-)端子通過(guò)運(yùn)算放大器31和電流檢測(cè)電阻32 (作為測(cè)量 電流的電阻)連接到參考電壓電源33上，而傳感器元件10的正(+) 端子通過(guò)運(yùn)算放大器34連接到施加電壓控制電路35上。運(yùn)算放大器 34的輸出端子連接到開關(guān)36。開關(guān)36用作電流中斷模塊，其用于中 斷在傳感器元件10中流動(dòng)的電流的供應(yīng)。開關(guān)36在正常狀態(tài)下閉合， 而在接收到從微機(jī)20傳送的打開指令信號(hào)時(shí)打開。在這種情況下，作為電流檢測(cè)電阻32的一端的節(jié)點(diǎn)A的電壓電 勢(shì)被保持為參考電壓Vf。元件電流IL在該電流檢測(cè)電阻32中流動(dòng)。 節(jié)點(diǎn)B處的電壓電勢(shì)根據(jù)元件電流IL的幅值而變化。例如，當(dāng)廢氣 稀薄時(shí)，節(jié)點(diǎn)B處的電壓電勢(shì)下降，這是因?yàn)殡娏鲝膫鞲衅髟?0 的正(+)端子流到負(fù)(-)端子。相反，當(dāng)廢氣富裕時(shí)，節(jié)點(diǎn)B處的 電壓電勢(shì)增大，這是因?yàn)殡娏鲝膫鞲衅髟?0的負(fù)(-)端子流到正 (+ )端子。施加電壓控制電路35監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)B處的電壓電勢(shì)，并且根據(jù)在節(jié) 點(diǎn)B處檢測(cè)到的電壓來(lái)確定將要施加給傳感器元件10的施加電壓。(例如，施加電壓控制電路35根據(jù)圖3所示的施加電壓直線LX1來(lái) 確定將要施加的電壓幅值。)施加電壓控制電路35通過(guò)運(yùn)算放大器34控制節(jié)點(diǎn)C處的電壓。 當(dāng)在化學(xué)計(jì)量值附近執(zhí)行A/F檢測(cè)時(shí)，可以固定將要施加給傳感器元 件10的施加電壓。反向放大電路38連接到位于電流檢測(cè)電阻32兩端的節(jié)點(diǎn)A和 B。作為反向放大電路38的輸出的A/F輸出電壓被輸入到微機(jī)20的 A/D輸入端子。微機(jī)20接收A/F輸出電壓并基于接收到的A/F輸出 電壓來(lái)計(jì)算A/F值。反向放大電路38主要包括運(yùn)算放大器39、三個(gè)串聯(lián)連接的用于放大的電阻41、 42和43、以及例如由MOS晶體管 構(gòu)成的開關(guān)元件44。在第一實(shí)施例中，用于放大的電阻41、 42和43 分別具有電阻值R1、 R2和R3。將電流檢測(cè)電阻32所檢測(cè)的元件電流信號(hào)輸入到運(yùn)算放大器39 的負(fù)(-)輸入端子，其中所述運(yùn)算放大器39形成了反向放大電路38。幵關(guān)元件44設(shè)置在信號(hào)輸入線路上，該信號(hào)輸入線路連接到運(yùn) 算放大器39的負(fù)(-)輸入端子(或者反向輸入端子)。將利用開關(guān) 元件44選擇性連接的觸點(diǎn)"a"和"b"連接到用于放大的電阻42的 兩端，其中所述電阻42位于三個(gè)電阻41、 42和43的中間位置。運(yùn) 算放大器39的負(fù)輸入端子通過(guò)開關(guān)元件44連接到觸點(diǎn)a。當(dāng)接收到由微機(jī)20生成并傳送的增益切換信號(hào)時(shí)，開關(guān)元件44 執(zhí)行切換操作，以將運(yùn)算放大器39的負(fù)輸入端子連接到觸點(diǎn)b。在運(yùn)算放大器39的負(fù)輸入端子連接到觸點(diǎn)a的情況下(參見(jiàn)圖 1)，用于放大的電阻41變成了反向放大電路38的輸入電阻，而用于 放大的電阻42和43變成了反向放大電路38的反饋電阻。在這種情 況下，反向放大電路38的放大系數(shù)GA可以由下列等式(1)表示。GA=(R2+R3)/R1 (1)在運(yùn)算放大器39的負(fù)輸入端子連接到開關(guān)元件44的觸點(diǎn)b的情 況下，用于放大的電阻41和42變成了反向放大電路38的輸入電阻， 而用于放大的電阻43變成了反向放大電路38的反饋電阻。在這種情 況下，反向放大電路38的放卞系數(shù)GB可以由下列等式(2)表示。GB=R3/(R1+R2) (2)上面放大系數(shù)GA和GB的比較結(jié)果具有關(guān)系GA>GB。也就是 說(shuō)，當(dāng)連接到運(yùn)算放大器39的負(fù)輸入端子的開關(guān)元件44選擇了觸點(diǎn) a時(shí)，可以認(rèn)為具有相對(duì)高的放大系數(shù)。相反，當(dāng)連接到運(yùn)算放大器 39的負(fù)輸入端子的開關(guān)元件44選擇了觸點(diǎn)b時(shí)，可以認(rèn)為具有相對(duì) 低的放大系數(shù)。因此，通過(guò)使開關(guān)元件44的觸點(diǎn)a切換到觸點(diǎn)b， 可以使反向放大電路38從高放大系數(shù)切換到低放大系數(shù)。在本發(fā)明 的第一實(shí)施例中，當(dāng)開關(guān)元件44選擇觸點(diǎn)a作為一個(gè)導(dǎo)通節(jié)點(diǎn)時(shí)， 放大系數(shù)GA變?yōu)?X 15"，而當(dāng)開關(guān)元件44選擇觸點(diǎn)b作為另一個(gè)導(dǎo)通節(jié)點(diǎn)時(shí)，放大系數(shù)GB變?yōu)?X5"?？紤]上面描述的A/F比檢測(cè)范圍，當(dāng)A/F比控制系統(tǒng)在諸如化學(xué) 計(jì)量調(diào)節(jié)范圍RG2和稀薄調(diào)節(jié)范圍RG3等相對(duì)窄的檢測(cè)范圍內(nèi)執(zhí)行 A/F比檢測(cè)時(shí)，優(yōu)選增大反向放大電路38的放大系數(shù)，以便于增大 檢測(cè)分辨率。這種控制可以通過(guò)選擇開關(guān)元件44的觸點(diǎn)a來(lái)實(shí)現(xiàn)， 以便于將運(yùn)算放大器39與偏移設(shè)置電路50相連接。相反，當(dāng)A/F比控制系統(tǒng)在諸如整個(gè)范圍RG1等相對(duì)寬的檢測(cè) 范圍內(nèi)執(zhí)行A/F比檢測(cè)時(shí)，優(yōu)選減小反向放大電路38的放大系數(shù)， 以便于擴(kuò)大檢測(cè)范圍。這種控制可以通過(guò)選擇開關(guān)元件44的觸點(diǎn)b 連接到運(yùn)算放大器39來(lái)實(shí)現(xiàn)，以便于將運(yùn)算放大器39與偏移設(shè)置電 路50相連接。在這種情況下，微機(jī)20接收從引擎ECU 25傳送的關(guān)于A/F比 控制的信息，并且基于接收到的信息生成增益切換信號(hào)并輸出給開關(guān) 元件44。因此，可以執(zhí)行反向放大電路38的放大系數(shù)的對(duì)應(yīng)于A/F 比檢測(cè)范圍的切換操作。如圖1所示，偏移設(shè)置電路50連接到用于放大的電阻41和42 之間的中間節(jié)點(diǎn)上。該偏移設(shè)置電路50向作為反向放大電路38的輸 出的A/F輸出電壓施加偏移。A/F比的檢測(cè)范圍由偏移設(shè)置電路50 傳送的偏移來(lái)改變。反向放大電路38和偏移設(shè)置電路50兩者形成了加法電路。反向 放大電路38輸出作為電壓信號(hào)的A/F輸出電壓，這是通過(guò)將偏移信 號(hào)增加到與傳感器元件10的元件電流IL的幅值相對(duì)應(yīng)的元件電流信 號(hào)而獲得的。偏移設(shè)置電路50由開關(guān)元件51、與開關(guān)元件51串聯(lián)連接的電 阻52、以及具有一對(duì)分壓電阻53和54的電源55構(gòu)成。開關(guān)元件51 例如由MOS晶體管構(gòu)成。開關(guān)元件51基于從微機(jī)20傳送的偏移切 換信號(hào)來(lái)執(zhí)行導(dǎo)通/關(guān)斷操作。在具有該結(jié)構(gòu)的偏移設(shè)置電路50中，當(dāng)接收到低電平的偏移切 換信號(hào)時(shí)，開關(guān)元件51進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。該狀態(tài)中斷了反向放大電路 38和偏移設(shè)置電路50之間的連接。因此，反向放大電路38進(jìn)行與偏移設(shè)置電路50的操作無(wú)關(guān)的操作。也就是說(shuō)，這種情況使得A/F 輸出電壓不受偏移設(shè)置電路50的偏移操作的影響。相反，當(dāng)接收到高電平的偏移切換信號(hào)時(shí)，開關(guān)元件51導(dǎo)通。 因此，反向放大電路38通過(guò)開關(guān)元件51連接到偏移設(shè)置電路50。 反向放大電路38在反映從偏移設(shè)置電路50傳送的偏移而獲得的條件 下操作。也就是說(shuō)，電阻52和電源55所確定的偏移電流流入反向放 大電路38中。該偏移是根據(jù)偏移電流獲得的，并且該偏移增加到從 反向放大電路38輸出的A/F輸出電壓上?？紤]上面描述的A/F比檢測(cè)范圍，當(dāng)在化學(xué)計(jì)量調(diào)節(jié)范圍RG2 中執(zhí)行A/F比檢測(cè)時(shí)，開關(guān)元件51關(guān)斷，并且如圖4和圖5中所示， 可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)計(jì)量值周圍的A/F比檢測(cè)范圍?；瘜W(xué)計(jì)量調(diào)節(jié)范圍RG2 中的這種操作與整個(gè)范圍RG1中的操作相同。當(dāng)在稀薄調(diào)節(jié)范圍RG3中執(zhí)行A/F比檢測(cè)時(shí)，開關(guān)元件51關(guān)斷， 并且如圖4和圖5所示，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定稀薄范圍內(nèi)的A/F比檢測(cè)范圍。下面，將參照?qǐng)D6說(shuō)明由A/F比檢測(cè)系統(tǒng)執(zhí)行的針對(duì)A/F比檢測(cè) 范圍的實(shí)際切換過(guò)程。圖6是示出了配備有根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的 傳感器控制設(shè)備的A/F比檢測(cè)系統(tǒng)執(zhí)行的切換A/F比檢測(cè)范圍的起動(dòng) 過(guò)程的流程圖。微機(jī)20以預(yù)定時(shí)間間隔反復(fù)執(zhí)行切換A/F比檢測(cè)范圍的過(guò)程。在圖6中，在步驟S11執(zhí)行起動(dòng)過(guò)程。每當(dāng)引擎起動(dòng)時(shí)，就執(zhí)行 步驟Sll中的起動(dòng)過(guò)程。后面將參照?qǐng)D7詳細(xì)解釋步驟S11。在步驟S11之后，在步驟S12到S14，判斷每種情況下的引擎控 制狀態(tài)。也就是說(shuō)，在步驟S12，判斷引擎ECU25傳送的ECU信號(hào) 是否是指示稀薄燃燒控制的信號(hào)。例如，在機(jī)動(dòng)車輛以恒定速度在快 速路或者高速路上行駛時(shí)的低負(fù)載行駛中，執(zhí)行稀薄燃燒控制。在這 種情況下，在步驟S12選擇"是"，并且操作流進(jìn)行到步驟S15。在步驟S13，判斷ECU信號(hào)是否指示富裕燃燒控制。在步驟S14， 判斷ECU信號(hào)是否指示電流狀態(tài)處于燃料切斷(F/C)控制。當(dāng)步驟 S13中的檢測(cè)結(jié)果表示所述ECU信號(hào)指示富裕燃燒控制(步驟S13: "是")時(shí)，或者當(dāng)步驟S14中的檢測(cè)結(jié)果表示所述ECU信號(hào)指示F/C控制(步驟S14:"是")時(shí)，操作流進(jìn)行到步驟S16。相反，當(dāng) 在所有步驟S12、 S13和S14中選擇"否"時(shí)，微機(jī)20判斷出當(dāng)前 控制是化學(xué)計(jì)量燃燒控制，并且操作流進(jìn)行到步驟S17。在步驟S15，選擇稀薄調(diào)節(jié)范圍RG3作為A/F比檢測(cè)范圍。在 具體的操作中，將用于反向放大電路38的開關(guān)元件44切換到觸點(diǎn)a， 并且導(dǎo)通偏移設(shè)置電路50中的開關(guān)元件51。(如果已經(jīng)獲得了相同 的狀態(tài)，則一直保持所述狀態(tài)。下文中，步驟S16和步驟S17將以相 同的方式執(zhí)行。)。從而，稀薄調(diào)節(jié)范圍RG3被設(shè)置為A/F比檢測(cè)范 圍，在增加偏移的情況下具有相對(duì)高的放大系數(shù)。在步驟S16,將整個(gè)范圍RG1設(shè)置為A/F比檢測(cè)范圍。在具體 的操作中，將用于反向放大電路38的開關(guān)元件44切換到觸點(diǎn)b，并 且關(guān)斷偏移設(shè)置電路50中的開關(guān)元件51 。從而，整個(gè)范圍RG1被設(shè) 置為A/F比檢測(cè)范圍，在沒(méi)有增加任何偏移的情況下具有相對(duì)低的放 大系數(shù)。在步驟S17，將化學(xué)計(jì)量范圍RG2設(shè)置為A/F比檢測(cè)范圍。在 具體的操作中，將用于反向放大電路38的開關(guān)元件44切換到觸點(diǎn)a， 并且關(guān)斷偏移設(shè)置電路50中的開關(guān)元件51。從而，化學(xué)計(jì)量調(diào)節(jié)范 圍RG2被設(shè)置為A/F比檢測(cè)范圍，在沒(méi)有增加任何偏移的情況下具 有相對(duì)高的放大系數(shù)。上描描述的用于選擇那些范圍RG1、 RG2和RG3中的每一個(gè)的 切換條件并不限于采用上面描述過(guò)的條件(步驟S12到S14)。還可 以采用其它條件。圖7是詳細(xì)示出步驟S11 (參見(jiàn)圖6)中的起動(dòng)過(guò)程的流程圖。 每當(dāng)引擎起動(dòng)時(shí)，傳感器控制系統(tǒng)就執(zhí)行步驟Sll中的起動(dòng)過(guò)程。步驟Sll的起動(dòng)過(guò)程(包括步驟S21到S27)對(duì)傳感器控制設(shè)備 30是否存在特性誤差進(jìn)行判斷，如圖6和圖7所示。在具體的例子中，在沒(méi)有向傳感器元件IO提供電流(元件電流) 的條件(通過(guò)打開圖1中示出的開關(guān)36而獲得)下，切換范圍RG1、 RG2和RG3?；谶@種條件下的A/F輸出電壓來(lái)檢測(cè)每個(gè)范圍RG1 到RG3的特性誤差。更具體而言，診斷特性誤差，即A/F輸出電壓是否變成了對(duì)應(yīng)于元件電流IL=0mA的值。下文中，將詳細(xì)介紹引擎起動(dòng)時(shí)的操作過(guò)程。在圖7的步驟S21中，電流范圍切換到化學(xué)計(jì)量調(diào)節(jié)范圍RG2。 在步驟S21之后的步驟S22中，微機(jī)20讀取在化學(xué)計(jì)量調(diào)節(jié)范圍RG2 下從放大器39輸出的A/F輸出電壓。在步驟S23中，電流范圍切換 到稀薄調(diào)節(jié)范圍RG3。在步驟S23之后的步驟S24中，微機(jī)20讀取 在稀薄調(diào)節(jié)范圍RG3下從放大器39輸出的A/F輸出電壓。在步驟S25中，電流范圍切換到整個(gè)范圍RG1。在步驟S25之 后的步驟S26中，微機(jī)20讀取在整個(gè)范圍RG1下從放大器39輸出 的A/F輸出電壓。最后，在步驟S27中，將在每個(gè)步驟S22、 S24和S26中獲得的 每個(gè)A/F輸出電壓與異常判斷值(該值是對(duì)應(yīng)于元件電流IL=0mA 的值)相比較。微機(jī)20基于由上述過(guò)程獲得的判斷結(jié)果來(lái)判斷傳感 器控制設(shè)備30的特性誤差。因?yàn)榛瘜W(xué)計(jì)量調(diào)節(jié)范圍RG2和整個(gè)范圍RG1不使用任何偏移 值，所以在特性誤差上存在關(guān)聯(lián)。因此， 一個(gè)范圍的特性誤差可以從 另一個(gè)范圍的特性誤差中獲得。相應(yīng)地，可以跳過(guò)或者省略操作中的 步驟S21和S22或者步驟S25和S26。例如，當(dāng)基于化學(xué)計(jì)量調(diào)節(jié)范 圍RG2中的特性誤差獲得整個(gè)范圍RG1的特性誤差時(shí)，可以通過(guò)將 化學(xué)計(jì)量調(diào)節(jié)范圍RG2中的特性誤差乘以這些范圍RG1和RG2中 的放大系數(shù)的比來(lái)獲得整個(gè)范圍RG1中的特性誤差。上述異常診斷 過(guò)程可以在除了引擎起動(dòng)時(shí)間之外的其他時(shí)間執(zhí)行，例如在驅(qū)動(dòng)或者 停止機(jī)動(dòng)車輛的過(guò)程中執(zhí)行。根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的傳感器控制設(shè)備30和A/F比控制系統(tǒng) 具有下列優(yōu)良效果。通過(guò)將偏移設(shè)置電路50與反向放大電路38中的運(yùn)算放大器39 的一個(gè)輸入信號(hào)端子進(jìn)行連接/斷開，可以切換化學(xué)計(jì)量調(diào)節(jié)范圍 RG2和稀薄調(diào)節(jié)范圍RG3。在這種情況下，在增加了偏移的稀薄調(diào) 節(jié)范圍RG3中，由于預(yù)先知道將要增加的來(lái)自偏移設(shè)置電路50且流 入運(yùn)算放大器39中的電流的幅值，所以可以使用將要增加的電流值事先檢測(cè)A/F比。根據(jù)采用了反向放大電路38作為放大元件電流的放大器的結(jié) 構(gòu)，可以避免或者解決信號(hào)放大比或者A/F比檢測(cè)范圍變化或者變動(dòng) 的問(wèn)題，這同在與采用差分放大器的情況(圖14中示出的現(xiàn)有技術(shù)) 相比的預(yù)期相反。另外，圖14所示的采用差分放大器的現(xiàn)有技術(shù)結(jié) 構(gòu)需要增加緩沖器102和103，信號(hào)通過(guò)該緩沖器102和103傳送到 運(yùn)算放大器111的兩端。相反，根據(jù)第一實(shí)施例的傳感器控制設(shè)備的 結(jié)構(gòu)不需要具有任何緩沖器。這可以提供具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的傳感器控制 設(shè)備，例如A/F傳感器控制設(shè)備。此外，根據(jù)第一實(shí)施例，在圖1中的運(yùn)算放大器31和電流檢測(cè) 電阻32之間的中間節(jié)點(diǎn)B處，檢測(cè)在電流檢測(cè)電阻32中流動(dòng)的元 件電流IL。這種結(jié)構(gòu)可以中斷反饋電流的流動(dòng)，其中該反饋電流從 運(yùn)算放大器39的輸出端子經(jīng)過(guò)放大用的電阻41到43流到電流檢測(cè) 電阻32。(也就是說(shuō)，在這種情況下，反饋電流通過(guò)圖l中示出的節(jié) 點(diǎn)B流入運(yùn)算放大器32中。)電流流入電流檢測(cè)電阻32中的情況需 要在運(yùn)算放大器39的信號(hào)輸入線路上增加緩沖器等，以便于對(duì)流過(guò) 傳感器元件10的元件電流的檢測(cè)精度的降低進(jìn)行抑制。然而，具有 根據(jù)第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的A/F比傳感器控制設(shè)備30不需要包括這種 緩沖器。此外，開關(guān)元件44選擇放大用的電阻41、 42和43作為反向放 大電路38的輸入電阻和反饋電阻，并且基于上述選擇，可以設(shè)置反 向放大電路38的放大系數(shù)。從而，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整A/F比的檢測(cè)分 辨率，并相應(yīng)地可以在期望的空燃檢測(cè)范圍內(nèi)提高檢測(cè)精確度。因?yàn)榛陂_關(guān)元件44選擇的輸入電阻和反饋電阻來(lái)改變和設(shè)置 反向放大電路38的放大系數(shù)，所以可以提供與使用多個(gè)運(yùn)算放大器 的現(xiàn)有技術(shù)相比具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的傳感器控制設(shè)備。這可以以低的制造 成本提供小型結(jié)構(gòu)、端子數(shù)量減少的傳感器控制設(shè)備和傳感器控制系 統(tǒng)。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，可以提供具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)且 在期望的A/F檢測(cè)范圍內(nèi)具有提高的檢測(cè)精度的傳感器控制設(shè)備。也就是說(shuō)，將開關(guān)元件44并入到運(yùn)算放大器39的信號(hào)輸入線路 上使反向放大電路38能夠以高的精度放大A/F輸出電壓。也就是說(shuō)， 因?yàn)檫\(yùn)算放大器39的信號(hào)輸入線路一般具有高阻抗，所以即使該開 關(guān)元件44具有電阻分量，也可以忽略開關(guān)元件44存在的電阻分量。 因此，利用反向放大電路38可以提高信號(hào)放大的精度。還有，根據(jù)本發(fā)明，可以基于在化學(xué)計(jì)量調(diào)節(jié)范圍RG2中獲得 的A/F比檢測(cè)結(jié)果以高精度執(zhí)行化學(xué)計(jì)量燃燒控制(或者化學(xué)計(jì)量反 饋控制)，還可以基于在稀薄調(diào)節(jié)范圍RG3中的空燃檢測(cè)結(jié)果以高精 度執(zhí)行稀薄燃燒控制(或者稀薄反饋控制)。而且，在切斷給引擎的 燃料供應(yīng)時(shí)，可以使用大氣檢測(cè)來(lái)執(zhí)行A/F傳感器惡化診斷，以及在 弓I擎具有高負(fù)載并向弓I擎提供大量燃料時(shí)，執(zhí)行富裕反饋控制。此外， 還可以執(zhí)行直接噴射稀薄燃料控制，其中該燃燒控制是在超稀薄區(qū)執(zhí) 行的。因?yàn)樯鲜雒總€(gè)A/F比檢測(cè)范圍都被設(shè)置成是包括化學(xué)計(jì)量值的 檢測(cè)范圍，所以可以簡(jiǎn)單有效地執(zhí)行反向放大電路38的特性誤差的 診斷。雖然圖1所示的根據(jù)第一實(shí)施例的傳感器控制設(shè)備30采取的結(jié) 構(gòu)是電流檢測(cè)電阻32和反向放大電路38連接到傳感器元件10的正 (+)端子側(cè)，但是本發(fā)明并不限于此。例如，可以采取電流檢測(cè)電 阻32和反向放大電路38連接到傳感器元件10的負(fù)(-)端子的結(jié)構(gòu)。第二實(shí)施例下面將說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的傳感器控制系統(tǒng)30的結(jié) 構(gòu)。在第二實(shí)施例中，將作為預(yù)定燃料富?？刂茀^(qū)的富裕調(diào)節(jié)范圍 RG4設(shè)置為A/F比檢測(cè)范圍。圖8是示出A/F比和傳感器輸出電壓之間關(guān)系的圖。富裕調(diào)節(jié)范 圍RG4設(shè)置在例如A/F=10到15內(nèi)。也就是說(shuō)，如圖8所示，根據(jù) 第二實(shí)施例的傳感器控制設(shè)備除了具有上述例如整個(gè)范圍RG1、化學(xué) 計(jì)量調(diào)節(jié)范圍RG2和稀薄調(diào)節(jié)范圍RG3之外，還具有富裕調(diào)節(jié)范圍 RG4。這些范圍RG1到RG4中的每一個(gè)根據(jù)所要進(jìn)行的A/F控制來(lái)切換。圖9示出了傳感器控制系統(tǒng)中的根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的能夠 切換四個(gè)A/F比檢測(cè)范圍RG1到RG4的傳感器控制設(shè)備30的電結(jié) 構(gòu)。圖9中示出的電路結(jié)構(gòu)并入了具有不同結(jié)構(gòu)的偏移設(shè)置電路60， 以代替圖1中示出的偏移設(shè)置電路50。類似于圖1中示出的偏移設(shè)置電路50的電路結(jié)構(gòu)，圖9中示出 的偏移設(shè)置電路60設(shè)置在用于放大的電阻41和42的中間節(jié)點(diǎn)處。 該偏移設(shè)置電路60具有例如由MOS晶體管制成的開關(guān)元件61。開 關(guān)元件61具有三個(gè)切換觸點(diǎn)a、 b和c。開關(guān)元件61的切換觸點(diǎn)b 和c分別串聯(lián)連接到電阻62和63。這些電阻62和63連接到具有分 壓電阻64、 65和66的電源電路67上。具體來(lái)說(shuō)，電阻62連接到分 壓電阻64和65之間的中間節(jié)點(diǎn)上。電阻63連接到分壓電阻65和 66之間的中間節(jié)點(diǎn)上?；趶奈C(jī)20傳送的偏移切換信號(hào)對(duì)開關(guān)元 件61進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷。偏移切換信號(hào)是選擇觸點(diǎn)a、 b和c其中之一的控制信號(hào)，以便 于將開關(guān)元件61的導(dǎo)通觸點(diǎn)連接到所選擇的觸點(diǎn)上。當(dāng)偏移切換信號(hào)指示開關(guān)元件61的導(dǎo)通觸點(diǎn)連接到觸點(diǎn)b時(shí)， 反向放大電路38與偏移設(shè)置電路60電氣斷開。在這種情況下，反向 放大電路38的操作與偏移設(shè)置電路60的輸出無(wú)關(guān)。也就是說(shuō)，沒(méi)有 給A/F比輸出電壓增加偏移。相反，當(dāng)來(lái)自微機(jī)20的偏移切換信號(hào)指示開關(guān)元件61的導(dǎo)通觸 點(diǎn)連接到觸點(diǎn)a和c之一時(shí)，使用偏移設(shè)置電路60中的電源電路67， 執(zhí)行將偏移設(shè)置給放大器39的A/F輸出電壓上。在這種情況下，開 關(guān)元件61選擇兩個(gè)偏移值中的一個(gè)，其中開關(guān)元件61根據(jù)微機(jī)20 傳送的偏移切換信號(hào)選擇觸點(diǎn)a和c中的一個(gè)。當(dāng)開關(guān)元件61的導(dǎo)通觸點(diǎn)連接到觸點(diǎn)a時(shí)，電源電路67設(shè)置的 電壓V1通過(guò)開關(guān)元件61以及其它元件提供給反向放大電路38。相 反，當(dāng)開關(guān)元件61的導(dǎo)通觸點(diǎn)連接到觸點(diǎn)c時(shí)，電源電路67設(shè)置的 電壓V2通過(guò)開關(guān)元件61以及其它元件提供給反向放大電路38。所提供的電壓VI和V2具有的關(guān)系是V1>V2。電壓VI和V2分別給反向放大電路38提供正偏移和負(fù)偏移。也就是說(shuō)，電壓VI 是能夠提供正電流(流向運(yùn)算放大器39)的電壓，該正電流對(duì)應(yīng)于 偏移設(shè)置電路60提供給反向放大電路38的偏移值。電壓V2是能夠 提供負(fù)電流(反向流出運(yùn)算放大器39)的電壓，該負(fù)電流對(duì)應(yīng)于偏 移設(shè)置電路60提供給反向放大電路38的偏移值。具體而言，當(dāng)預(yù)測(cè) 電流檢測(cè)電阻32的兩端具有2.2V的電壓時(shí)，VI近似變?yōu)?V，而 V2近似變?yōu)镮V?？紤]上述A/F比檢測(cè)范圍，當(dāng)在化學(xué)計(jì)量調(diào)節(jié)范圍RG2中執(zhí)行 A/F比檢測(cè)時(shí)，開關(guān)元件61的導(dǎo)通觸點(diǎn)連接到觸點(diǎn)b，并且實(shí)現(xiàn)了化 學(xué)計(jì)量值周圍的A/F比檢測(cè)范圍，如圖8所示。另一方面，當(dāng)在稀薄 調(diào)節(jié)范圍RG3中執(zhí)行A/F比檢測(cè)時(shí)，開關(guān)元件61的導(dǎo)通觸點(diǎn)連接到 觸點(diǎn)a，并且實(shí)現(xiàn)了預(yù)定稀薄區(qū)域中的A/F比檢測(cè)范圍，如圖8所示。 還有，當(dāng)在富裕調(diào)節(jié)范圍RG4中執(zhí)行A/F比檢測(cè)時(shí)，開關(guān)元件61的 導(dǎo)通觸點(diǎn)連接到觸點(diǎn)c，并且實(shí)現(xiàn)了預(yù)定富裕區(qū)域中的A/F比檢測(cè)范 圍，如圖8所示。根據(jù)上面詳細(xì)描述的第二實(shí)施例，可以增進(jìn)A/F比檢測(cè)精度。因 此，可以有效執(zhí)行化學(xué)計(jì)量燃燒控制和稀薄燃燒控制之外，還可以有 效地執(zhí)行富裕燃燒控制。例如，可以提高或增進(jìn)重或高負(fù)載期間在增 加燃料量的狀態(tài)下執(zhí)行富裕燃燒控制的精度，以及提高或增進(jìn)用于再 生廢氣凈化系統(tǒng)(使用稀薄NOx催化劑)的富裕燃燒控制的精度。其它實(shí)施例根據(jù)本發(fā)明的傳感器控制設(shè)備的范圍并不受上述實(shí)施例內(nèi)容的 限制。例如，本發(fā)明的原理適用于下列情況。圖10A示出了形成傳感器控制設(shè)備30 (參見(jiàn)圖1或圖9)中的 反向放大電路38的運(yùn)算放大器39的等效電路圖。在圖IOA所示的等效電路中，輸入晶體管Q1的集電極連接到晶 體管Q2的基極。晶體管Q2的發(fā)射極連接到輸出晶體管Q3的基極。 輸入晶體管Ql的集電極連接到輸出晶體管Q4的基極。電阻81連接 在輸出晶體管Q3和Q4之間。電阻81的一個(gè)端子(在晶體管Q3側(cè))連接到晶體管Q5的基極。電阻81的另一端(在晶體管Q4側(cè))連接 到運(yùn)算放大器39的輸出端子。恒流電路83連接到晶體管Q5的發(fā)射 極和地或接地電平線之間的節(jié)點(diǎn)。根據(jù)具有圖10A所示結(jié)構(gòu)的運(yùn)算 放大器39，輸出端子和恒流電路83之間的連接產(chǎn)生從運(yùn)算放大器39 的輸出端子流入恒流電路83 (電流吸收器)的電流。這使得運(yùn)算放 大器39能夠輸出在電源電壓的下限值附近的電壓。也就是說(shuō)，可以 將運(yùn)算放大器39的輸出電壓的范圍一直擴(kuò)展到電源電壓的下限值。圖10B示出了另一種電路結(jié)構(gòu)，在這種電路結(jié)構(gòu)中，下拉電阻 85連接到圖10A所示的運(yùn)算放大器39的輸出端子上。如圖10A所 示的電路結(jié)構(gòu)使得電流從運(yùn)算放大器39的輸出端子經(jīng)過(guò)下拉電阻85 流到地。與如圖10A所示的電路結(jié)構(gòu)一樣，可以輸出電源電壓的下 限值附近的電壓。使用圖IOA和IOB所示的電路結(jié)構(gòu)能夠提供小尺寸的傳感器控 制設(shè)備，并且從而能夠提供其上形成傳感器控制設(shè)備的小尺寸芯片面 積，其具有低的價(jià)格。雖然作為現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)之一的日本專利特許公開No.JP 2006-275628已經(jīng)公開了軌到軌運(yùn)算放大器的使用，這種軌到軌運(yùn)算 放大器能夠獲得在它的電源電壓附近的輸入/輸出幅值，但是具有這 種電路結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器很昂貴并且需要大尺寸的芯片面積。雖然根據(jù)上述實(shí)施例的傳感器控制設(shè)備30使用反向放大電路 38，但是它也可以使用非反向放大電路來(lái)代替。此外，雖然將稀薄調(diào)節(jié)范圍RG3設(shè)置為包括化學(xué)計(jì)量值的A/F 比檢測(cè)范圍，但是可以將其設(shè)置為不包括化學(xué)計(jì)量值的A/F比檢測(cè)范 圍。例如，稀薄調(diào)節(jié)范圍RG3被設(shè)置在A/F二20到35的范圍內(nèi)。也 可以將富裕調(diào)節(jié)范圍RG4設(shè)置為不包括化學(xué)計(jì)量值的A/F比檢測(cè)范 圍。雖然根據(jù)上述實(shí)施例的傳感器控制系統(tǒng)使用具有圖2所示結(jié)構(gòu) 的傳感器元件(A/F傳感器)，但是它可以使用另一種元件結(jié)構(gòu)的傳 感器元件。例如，替代具有單個(gè)電池的傳感器元件，還可以使用具有 泵電池和電動(dòng)勢(shì)電池的傳感器元件。換言之，可以使用雙層固體聚合物電解質(zhì)或者三層固體聚合物電解質(zhì)(SPE)。更進(jìn)一步，代替迭片 型傳感器元件，可以將根據(jù)本發(fā)明的傳感器控制設(shè)備30應(yīng)用于杯形 傳感器元件。第三實(shí)施例下面將參考圖IIA、圖IIB、圖12和圖13來(lái)說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明第 三實(shí)施例的傳感器元件和傳感器控制設(shè)備的結(jié)構(gòu)。圖11A是一截面 圖，其示出了用于根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的傳感器控制設(shè)備的具有雙 電池結(jié)構(gòu)的A/F傳感器元件。圖11B是一截面圖，其示出了用于根 據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的傳感器控制設(shè)備的具有另一種結(jié)構(gòu)的A/F傳 感器元件。如圖11A所示，傳感器元件130具有兩個(gè)固體聚合物電解質(zhì)層 131和132。 一對(duì)彼此相對(duì)的電極133和134形成在一個(gè)固體聚合物 電解質(zhì)層131中。另一方面， 一對(duì)彼此相對(duì)的電極135和136形成在 另一個(gè)固體聚合物電解質(zhì)層132中。雖然圖11A示出了左右對(duì)稱的電極133到135，但是它們中的每 一個(gè)都是單個(gè)部件。在傳感器元件130中，固體聚合物電解質(zhì)層131 和電極133和134形成了泵電池，而固體聚合物電解質(zhì)層132和電極 135和136形成了氧氣檢測(cè)電池142。與圖2中示出的傳感器元件10 一樣，傳感器元件130具有迭片結(jié)構(gòu)或者多層結(jié)構(gòu)。在圖11A中， 附圖標(biāo)記137表示進(jìn)氣孔，138表示多孔擴(kuò)散層，139表示外界大氣 輸送管，而140表示加熱器。傳感器元件130中的氧氣檢測(cè)電池142的電極136連接到比較器 145的負(fù)(-)輸入端子。將比較電壓Vref提供給比較器145的正(+) 輸入端子。電流檢測(cè)電阻146的兩端連接到位于泵電池141的電極 133與比較器145的輸出端子之間的節(jié)點(diǎn)Al和B1。檢測(cè)所述電阻146 的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)Al和B1 (對(duì)應(yīng)于兩端)之間的電壓差，作為傳感器元件 130的傳感器輸出電壓。具有上述結(jié)構(gòu)的傳感器元件130中的氧氣檢 測(cè)電池142根據(jù)諸如燃料稀薄條件或者燃料富裕條件等燃料條件生 成兩個(gè)電壓(0V和0.9V)。例如，在燃料稀薄條件下，氧氣檢測(cè)電池142生成并輸出低電壓。在從氧氣檢測(cè)電池142接收到低電壓后， 比較器145輸出高電壓。結(jié)果，節(jié)點(diǎn)B1處的電壓電勢(shì)升高。這時(shí)， 電流從節(jié)點(diǎn)Bl通過(guò)電流檢測(cè)電阻146流到節(jié)點(diǎn)Al 。相反，在燃料富裕條件下，氧氣檢測(cè)電池142生成并輸出高電壓。 在從氧氣檢測(cè)電池142接收到高電壓后，比較器145輸出低電壓。結(jié) 果，節(jié)點(diǎn)B1處的電壓電勢(shì)降低。這時(shí)，電流從節(jié)點(diǎn)A1通過(guò)電流檢 測(cè)電阻146流到節(jié)點(diǎn)Bl。氧氣檢測(cè)電池145通常被稱為電動(dòng)勢(shì)電池 或氧氣濃度檢測(cè)電池。如圖11B所示，傳感器元件150具有三個(gè)固體聚合物電解質(zhì)層 151、 152和153。在固體聚合物電解質(zhì)層151中，形成一對(duì)彼此面對(duì) 的電極154和155。在固體聚合物電解質(zhì)層152中，形成一對(duì)彼此面 對(duì)的電極156和157。在圖11B所示的傳感器元件150中，固體聚合物電解質(zhì)層151 和電極154和155形成泵電池161，而固體聚合物電解質(zhì)層152和電 極156和157形成氧氣檢測(cè)電池162。固體聚合物電解質(zhì)層153是壁部件(wallmember)，其形成了其 中容納基準(zhǔn)氧氣的氧氣基準(zhǔn)室158。類似于圖2所示的傳感器元件10的結(jié)構(gòu)，傳感器元件150具有迭片結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。在圖10B中，附圖標(biāo)記159表示多孔擴(kuò)散層，而160表示氣體 檢測(cè)室。與圖11A所示的氧氣檢測(cè)電池142 —樣，氧氣檢測(cè)電池162通 常被稱為電動(dòng)勢(shì)電池或者氧氣濃度檢測(cè)電池。氧氣檢測(cè)電池162中的電極157的電壓被輸入到比較器165的負(fù) (-)輸入端子，而比較參考電壓Vref輸入到比較器165的正(+) 輸入端子。電流檢測(cè)電阻166連接在泵電池161的電極154與比較器165的 輸出端子之間。檢測(cè)所述電阻166的兩端A2和B2 (下文稱作"節(jié)點(diǎn)A2"和"節(jié) 點(diǎn)B2")之間的電壓差，作為傳感器元件150的傳感器輸出電壓。在圖11B所示的結(jié)構(gòu)中，在燃料稀薄條件期間，電流從節(jié)點(diǎn)B2通過(guò)電 流檢測(cè)電阻166流到節(jié)點(diǎn)A2。相反，在燃料富裕條件期間，電流從 節(jié)點(diǎn)A2通過(guò)電流檢測(cè)電阻166流到節(jié)點(diǎn)B2。下面將說(shuō)明用于具有雙電池結(jié)構(gòu)的傳感器元件的傳感器控制系統(tǒng)。圖12示出了用于圖11A所示的傳感器元件130的傳感器控制設(shè) 備170的結(jié)構(gòu)。在圖12所示的傳感器控制設(shè)備170中，傳感器元件130中的泵 電池141和氧氣檢測(cè)電池142的公共端子被連接到參考電壓電源171 上。泵電池141和氧氣檢測(cè)電池142、運(yùn)算放大器172以及電流檢測(cè) 電阻173形成了閉合電路。運(yùn)算放大器172的非反向輸入端子(正(+) 輸入端子)連接到比較電壓生成電路174上，其中所述比較電壓生成 電路174用于生成比較參考電壓Vref( 二0.45V)。在燃料稀薄條件下， 電流從節(jié)點(diǎn)B3通過(guò)電流檢測(cè)電阻173流到節(jié)點(diǎn)A3。相反，在燃料富 裕條件下，電流從節(jié)點(diǎn)A3通過(guò)電流檢測(cè)電阻173流到節(jié)點(diǎn)B3。圖12所示的運(yùn)算放大器172對(duì)應(yīng)于圖11A所示的運(yùn)算放大器 145，而圖12所示的電流檢測(cè)電阻173對(duì)應(yīng)于圖11A所示的電流檢 測(cè)電阻146。在這種情況下，泵電池141的反饋控制如此執(zhí)行，以使 得氧氣檢測(cè)電池142變?yōu)轭A(yù)定電壓。因?yàn)榉答伩刂齐娐返慕Y(jié)構(gòu)和控制已經(jīng)在公知的現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中 公開了，所以這里省去對(duì)其的解釋。差分放大器180連接在電流檢測(cè)電阻173的兩端A3和B3。差 分放大器180輸入了電流檢測(cè)電阻173的節(jié)點(diǎn)A3和節(jié)點(diǎn)B3處的電 壓，并且對(duì)這些節(jié)點(diǎn)A3和B3之間的電壓差進(jìn)行放大。然后，差分 放大器180輸出A/F輸出電壓到微機(jī)20 (圖12中省略)。差分放大器180具有運(yùn)算放大器181。開關(guān)元件182放置在連接 到運(yùn)算放大器181的正(+)輸入端子的輸入線路上。開關(guān)元件182 的切換觸點(diǎn)a和b分別連接到放大電阻184的兩端。放大電阻184設(shè)置在放大電阻183和185之間。也就是說(shuō)，用于 放大的電阻183、 184和185串聯(lián)連接。開關(guān)元件182與切換觸點(diǎn)a和b其中之一導(dǎo)通。開關(guān)元件186設(shè)置在信號(hào)輸入線路上，其中該信號(hào)輸入線路連接 到運(yùn)算放大器181的負(fù)(-)輸入端子(反向輸入端子)。開關(guān)元件186 的切換觸點(diǎn)c和d分別連接到放大電阻188的兩端。放大電阻188設(shè) 置在放大電阻187和189之間。也就是說(shuō)，用于放大的電阻187、 188 和189串聯(lián)連接。在這種情況下，開關(guān)元件186與運(yùn)算放大器181的 負(fù)(-)輸入端子和切換觸點(diǎn)c導(dǎo)通，如圖12所示。當(dāng)接收到從微機(jī)20 (未示出)傳送的增益切換信號(hào)時(shí)，開關(guān)元 件182和186兩者同時(shí)執(zhí)行切換操作。根據(jù)開關(guān)元件182和186的切 換操作，改變差分放大器180的放大系數(shù)。因?yàn)榍懊嬉呀?jīng)描述了放大系數(shù)和A/F比檢測(cè)范圍之間的關(guān)系，所 以這里省略對(duì)其的說(shuō)明。差分放大器180在開關(guān)元件182和186的切換操作之前和之后保 持下列狀態(tài)。正輸入電阻值等于負(fù)輸入電阻值；以及反饋電阻值等于輸入電阻值。在差分放大器180的反饋線路中，偏移設(shè)置電路190連接到放大 電阻187和188之間的中間節(jié)點(diǎn)(或公共節(jié)點(diǎn))上。偏移設(shè)置電路 190給差分放大器180輸出的A/F輸出電壓增加偏移。給差分放大器 180輸出的A/F輸出電壓增加偏移可以改變A/F比檢測(cè)范圍。差分放大器180和偏移設(shè)置電路190形成加法電路。差分放大器 180輸出A/F輸出電壓，作為通過(guò)給偏移信號(hào)增加元件電流信號(hào)而獲 得的電壓信號(hào)，其中該元件電流信號(hào)對(duì)應(yīng)于元件電流IL的幅值。偏移設(shè)置電路l卯包括由MOS晶體管構(gòu)成的開關(guān)元件、串聯(lián)連 接到開關(guān)元件191的電阻192、具有兩個(gè)分壓電阻193和194的電源 電路195?；趶奈C(jī)20 (未示出)傳送的偏移切換信號(hào)來(lái)導(dǎo)通和關(guān)斷開 關(guān)元件191。當(dāng)接收到低電平的偏移切換信號(hào)時(shí)，開關(guān)元件191關(guān)斷。具體來(lái) 說(shuō)，差分放大器180與偏移設(shè)置電路190斷開，差分放大器180進(jìn)行與偏移設(shè)置電路190的輸出無(wú)關(guān)的操作。也就是說(shuō)，不執(zhí)行針對(duì)A/F 輸出電壓的任何偏移設(shè)置操作。相反，當(dāng)接收到高電平的偏移切換信號(hào)時(shí)，開關(guān)元件191導(dǎo)通。 在差分放大器180連接到偏移設(shè)置電路190的情況下，差分放大器 180使用偏移設(shè)置電路190提供的偏移來(lái)進(jìn)行操作。也就是說(shuō)，由偏 移設(shè)置電路190中的電阻192和電源電路195確定的偏移電流流入差 分放大器中(即流入運(yùn)算放大器181中)，并且基于來(lái)自偏移設(shè)置電 路190的偏移電流的幅值，將偏移值提供給差分放大器180的A/F輸 出電壓。當(dāng)在化學(xué)計(jì)量調(diào)節(jié)范圍RG2內(nèi)執(zhí)行A/F比檢測(cè)時(shí)，開關(guān)元件191 關(guān)斷，以便于選擇化學(xué)計(jì)量值周圍的A/F比檢測(cè)范圍，如整個(gè)范圍 RG1。當(dāng)在稀薄調(diào)節(jié)范圍RG3內(nèi)執(zhí)行A/F比檢測(cè)時(shí)，開關(guān)元件191 關(guān)斷，以使得在預(yù)定的稀薄范圍內(nèi)執(zhí)行A/F比檢測(cè)。在圖12所示的傳感器檢測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)中，根據(jù)偏移切換操作， 對(duì)差分放大電路180的反饋線路中的反饋電阻和輸入電阻兩者之間 的中間節(jié)點(diǎn)與偏移設(shè)置電路190連接或斷開進(jìn)行切換。在這種情況 下，在切換操作之前和之后，保持差分放大器180的反饋電阻的值等 于接地電阻的值。因此，可以避免信號(hào)放大系數(shù)和氣體濃度檢測(cè)范圍 出現(xiàn)波動(dòng)，這與預(yù)期相反，連同避免了偏移切換操作出現(xiàn)波動(dòng)，并可 以實(shí)現(xiàn)最佳的A/F比檢測(cè)操作。在圖12所示的傳感器控制設(shè)備170中，電流檢測(cè)電阻173的節(jié) 點(diǎn)A3處的電壓電勢(shì)和節(jié)點(diǎn)B3處的電壓電勢(shì)是變化的，不是固定的。 相反，在圖13所示的傳感器控制設(shè)備200中，電流檢測(cè)電阻202的 一端處的電壓電勢(shì)是固定的。圖13示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的用于傳感器元件130的傳 感器控制設(shè)備200的另一種結(jié)構(gòu)。如圖13所示，等于參考電壓Vfl 的電壓(例如，3V)通過(guò)運(yùn)算放大器203提供給傳感器元件200中 的泵電池141和氧氣檢測(cè)電池142的公共端。也就是說(shuō)，電阻202的 節(jié)點(diǎn)B4處的電壓電勢(shì)被固定到3V。在圖13中，形成了由反饋電路 201和電流檢測(cè)電阻202構(gòu)成的閉合電路。反饋電路201中的參考電壓Vf2例如是2.55V。下面將說(shuō)明圖13所示的傳感器控制設(shè)備200在燃料富裕條件期 間的操作。在燃料富裕條件下，由于氧氣檢測(cè)電池142的電動(dòng)勢(shì)使節(jié)點(diǎn)Cl 處的電壓電勢(shì)升到3.45V，所以反饋電路201中的節(jié)點(diǎn)C2處的電壓 電勢(shì)減小。這時(shí)，反饋電路201的輸出電壓，即節(jié)點(diǎn)A4處的電壓電 勢(shì)增大。在燃料富裕條件下，電流在電流檢測(cè)電阻202中從節(jié)點(diǎn)A4 流到節(jié)點(diǎn)B4。相反，在燃料稀薄條件期間，電流在電流檢測(cè)電阻202 中從節(jié)點(diǎn)B4流到節(jié)點(diǎn)A4。反向型放大電路210連接到電流檢測(cè)電阻202的節(jié)點(diǎn)A4和B4 上。將從反向型放大電路210輸出的A/F輸出電壓輸出到微機(jī)(未示 出)。反向型放大電路210具有運(yùn)算放大器211。在反向型放大電路 210中，開關(guān)元件212設(shè)置在信號(hào)輸入線路上，其中該信號(hào)輸入線路 連接到運(yùn)算放大器211的負(fù)(-)輸入端子(反向輸入端子)。此外， 開關(guān)元件212的切換觸點(diǎn)a和b連接到用于放大的電阻214的兩端。 電阻214設(shè)置在電阻213和電阻215之間。這些電阻213到215用于 放大。在這種情況下，運(yùn)算放大器211的負(fù)(-)輸入端子通過(guò)開關(guān) 元件212連接到觸點(diǎn)a上。當(dāng)接收到從微機(jī)20 (未示出)傳送的增益切換信號(hào)時(shí)，開關(guān)元 件212執(zhí)行切換操作。在這種情況下，根據(jù)開關(guān)元件212的切換操作 來(lái)改變放大電路210的放大系數(shù)。因?yàn)榍懊嬉呀?jīng)描述了放大系數(shù)和 A/F比檢測(cè)范圍之間的關(guān)系，所以這里省略對(duì)其的說(shuō)明。在圖13中，偏移設(shè)置電路210連接到在反向型放大電路210的 反饋線路中的用于放大的電阻213和214之間的中間節(jié)點(diǎn)上。偏移設(shè) 置電路220給放大電路210提供的A/F輸出電壓施加偏移。給來(lái)自放 大電路210的A/F輸出電壓施加偏移可以改變A/F比檢測(cè)范圍。放大電路210和偏移設(shè)置電路220形成加法電路。放大電路210 輸出A/F輸出電壓，作為通過(guò)給偏移信號(hào)增加元件電流信號(hào)而獲得的 電壓信號(hào)，其中該元件電流信號(hào)對(duì)應(yīng)于元件電流IL的幅值。偏移設(shè)置電路220包括由MOS晶體管構(gòu)成的開關(guān)元件221、串聯(lián)連接到開關(guān)元件221的電阻222、具有兩個(gè)分壓電阻223和224的 電源電路225?；趶奈C(jī)(未示出)傳送的偏移切換信號(hào)，導(dǎo)通和 關(guān)斷開關(guān)元件221。當(dāng)接收到低電平的偏移切換信號(hào)時(shí)，開關(guān)元件221關(guān)斷。具體來(lái) 說(shuō)，放大電路210與偏移設(shè)置電路220斷開，放大電路210進(jìn)行與偏 移設(shè)置電路220的輸出無(wú)關(guān)的操作。也就是說(shuō)，不執(zhí)行針對(duì)A/F輸出 電壓的任何偏移設(shè)置。相反，當(dāng)接收到高電平的偏移切換信號(hào)時(shí)，開關(guān)元件221導(dǎo)通。 在放大電路210連接到偏移設(shè)置電路220的情況下，放大電路210使 用偏移設(shè)置電路220所確定的偏移進(jìn)行操作。也就是說(shuō)，偏移設(shè)置電 路200中的電阻222和電源電路225所確定的偏移電流流入放大電路 210中(即，流入運(yùn)算放大器211中)，并且基于來(lái)自偏移設(shè)置電路 220的偏移電流的幅值，將該偏移提供給放大電路210的A/F輸出電 壓。當(dāng)在化學(xué)計(jì)量調(diào)節(jié)范圍RG2內(nèi)執(zhí)行A/F比檢測(cè)時(shí)，開關(guān)元件221 關(guān)斷，以便于選擇化學(xué)計(jì)量值周圍的A/F比檢測(cè)范圍，如整個(gè)范圍 RG1。當(dāng)在稀薄調(diào)節(jié)范圍RG3內(nèi)執(zhí)行A/F比檢測(cè)時(shí)，開關(guān)元件221 關(guān)斷，以使得在預(yù)定的稀薄范圍內(nèi)執(zhí)行A/F比檢測(cè)。與圖12所示的傳感器控制設(shè)備的電路結(jié)構(gòu)一樣，在圖13所示的 傳感器檢測(cè)設(shè)備200的結(jié)構(gòu)中，根據(jù)偏移切換操作，對(duì)偏移設(shè)置電路 220與差分放大電路210的反饋線路中的反饋電阻和輸入電阻之間的 中間節(jié)點(diǎn)之間的連接狀態(tài)和斷開狀態(tài)進(jìn)行切換。因此，可以避免信號(hào) 放大系數(shù)和氣體濃度檢測(cè)范圍出現(xiàn)波動(dòng)，這與預(yù)期相反，連同避免了 偏移切換操作出現(xiàn)波動(dòng)，并可以實(shí)現(xiàn)最佳的A/F比檢測(cè)操作。根據(jù)本發(fā)明的傳感器控制設(shè)備除了適用于檢測(cè)氧氣濃度的A/F 傳感器之外，還適用于能夠檢測(cè)另一種氣體濃度的氣體濃度傳感器。 例如，復(fù)合型氣體濃度傳感器具有由固體聚合物電解質(zhì)制成的多個(gè)電 池，其中第一電池(或泵電池)排出或抽出目標(biāo)檢測(cè)氣體中將被檢測(cè) 的氧氣，在排出目標(biāo)檢測(cè)氣體中的氧氣之后，第二電池(或傳感器電 池)檢測(cè)氣體中特定成分的濃度。這種氣體濃度傳感器被用作NOx傳感器，其例如能夠檢測(cè)含在廢氣中的NOx成分的濃度。將根據(jù)本 發(fā)明的傳感器控制設(shè)備應(yīng)用到這種氣體濃度傳感器可以提高NOx濃 度的檢測(cè)精度。復(fù)合型氣體濃度傳感器除了具有第一電池和第二電池 之外，還具有第三電池(監(jiān)測(cè)電池或第二泵電池)，其能夠在排出廢 氣中的氧氣之后檢測(cè)剩余或殘留氧氣的濃度。根據(jù)本發(fā)明的傳感器控制設(shè)備可適用于檢測(cè)氣體中的HC或CO 成分的濃度的氣體濃度傳感器。在這種情況下，泵電池排出目標(biāo)檢測(cè) 氣體中的過(guò)量氧氣，在排出過(guò)量氧氣之后，傳感器電池分解氣體中的 HC和CO，并檢測(cè)HC和CO的濃度。此外，除了適用于汽油引擎的氣體傳感器(傳感器元件)之外， 根據(jù)本發(fā)明的傳感器控制設(shè)備還可適用于柴油引擎和其它類型引擎 的各類氣體傳感器(傳感器元件)。還可以使用根據(jù)本發(fā)明的傳感器 控制設(shè)備作為用于除了機(jī)動(dòng)車輛之外的各種應(yīng)用中的傳感器控制設(shè) 備。還有，根據(jù)本發(fā)明的傳感器控制設(shè)備可適用于能夠檢測(cè)除了廢氣 之外的各種類型氣體的氣體傳感器。盡管已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明的具體實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員 應(yīng)該意識(shí)到，可以按照本發(fā)明公開的總體教導(dǎo)對(duì)那些細(xì)節(jié)進(jìn)行各種修 改和替換。因此，公開的特定布置意味著僅僅是示意性的，而不是要 限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由下列權(quán)利要求及其所有 等價(jià)物的完整寬度給出。
權(quán)利要求
1、一種對(duì)固體聚合物電解質(zhì)所制成的傳感器元件的操作進(jìn)行控制的傳感器控制設(shè)備，其中該傳感器元件能夠在寬的檢測(cè)范圍內(nèi)檢測(cè)目標(biāo)氣體中含有的特定氣體成分的濃度，包括電流檢測(cè)電阻，其用于檢測(cè)在所述傳感器元件中流動(dòng)的電流，并且生成元件電流信號(hào)；放大電路，其用于通過(guò)其正、負(fù)輸入信號(hào)端子之一輸入所述元件電流信號(hào)，并對(duì)所述元件電流信號(hào)進(jìn)行放大；用于設(shè)置偏移的偏移設(shè)置電路，其連接到所述放大電路的反饋線路中的反饋電阻和輸入電阻兩者之間的中間節(jié)點(diǎn)；以及偏移切換模塊，其根據(jù)從所述傳感器元件連續(xù)提供的關(guān)于所述目標(biāo)氣體中含有的所述特定氣體成分的濃度的所述元件電流信號(hào)來(lái)切換由所述偏移設(shè)置電路確定的偏移。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器控制設(shè)備，其中所述偏移切換 模塊通過(guò)使所述放大電路的反饋線路中的所述反饋電阻和所述輸入 電阻之間的所述中間節(jié)點(diǎn)與所述偏移設(shè)置電路連接/斷開，來(lái)切換由 所述偏移設(shè)置電路生成的偏移。
3、 一種對(duì)固體聚合物電解質(zhì)所制成的傳感器元件的操作進(jìn)行控 制的傳感器控制設(shè)備，其中該傳感器元件能夠在寬的檢測(cè)范圍內(nèi)檢測(cè) 目標(biāo)氣體中的特定氣體成分的濃度，包括電流檢測(cè)電阻，其用于檢測(cè)在所述傳感器元件中流動(dòng)的電流，并 且生成元件電流信號(hào)；放大電路，其用于通過(guò)其一個(gè)輸入信號(hào)端子輸入所述元件電流信 號(hào)，并對(duì)所述元件電流信號(hào)進(jìn)行放大，其中該放大電路是反向型放大 電路和非反向型放大電路中的一個(gè)；用于設(shè)置偏移的偏移設(shè)置電路，其連接到所述放大電路中的用于 接收所述元件電流信號(hào)的一個(gè)輸入信號(hào)端子和另一輸入信號(hào)端子中的一個(gè)；以及偏移切換模塊，其根據(jù)關(guān)于所述目標(biāo)氣體中含有的所述特定氣體 成分的濃度的所述元件電流信號(hào)，來(lái)切換由所述偏移設(shè)置電路確定的 偏移。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器控制設(shè)備，其中所述偏移切換 模塊通過(guò)使所述放大模塊的一個(gè)輸入信號(hào)端子與所述偏移設(shè)置電路 連接/斷開，來(lái)切換由所述偏移設(shè)置電路生成的偏移。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器控制設(shè)備，其中所述偏移設(shè)置 電路設(shè)置了多個(gè)偏移值，并且所述偏移切換模塊選擇性地選擇所述多個(gè)偏移值中的一個(gè)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器控制設(shè)備，其中所述目標(biāo)氣體 是從內(nèi)燃機(jī)發(fā)出的廢氣，并且所述傳感器控制設(shè)備在A/F比檢測(cè)范圍 內(nèi)檢測(cè)所述廢氣的空/燃(A/F)比，并且所述A/F比檢測(cè)范圍包括用于化學(xué)計(jì)量燃燒控制的化學(xué)計(jì)量檢測(cè)范圍，其是所述傳感器元 件可檢測(cè)的整個(gè)A/F比檢測(cè)范圍的一部分；以及用于稀薄燃燒控制的稀薄檢測(cè)范圍，其是所述傳感器元件可檢測(cè) 的整個(gè)A/F比檢測(cè)范圍的一部分；其中，所述偏移切換模塊根據(jù)A/F比控制來(lái)判斷所述A/F比檢測(cè) 是在所述化學(xué)計(jì)量檢測(cè)范圍下進(jìn)行還是在所述稀薄撿測(cè)范圍下進(jìn)行， 并且所述偏移切換模塊根據(jù)判斷結(jié)果切換所述偏移。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器控制設(shè)備，其中所述A/F比檢 測(cè)范圍包括用于富裕燃燒控制的富裕檢測(cè)范圍，其作為所述整個(gè)A/F 比檢測(cè)范圍的一部分，所述偏移切換模塊選擇所述化學(xué)計(jì)量檢測(cè)范圍、所述稀薄檢測(cè)范圍以及所述富裕檢測(cè)范圍中的一個(gè)，以便于使用所選的一個(gè)來(lái)檢測(cè)所述A/F比，并且基于所述判斷結(jié)果來(lái)切換所述偏移。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器控制設(shè)備，其中所述化學(xué)計(jì)量 檢測(cè)范圍、所述稀薄檢測(cè)范圍以及所述富裕檢測(cè)范圍中的每一個(gè)都包 括化學(xué)計(jì)量值。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器控制設(shè)備，還包括電路特性檢 測(cè)模塊，其被配置為基于當(dāng)在所述傳感器元件中流動(dòng)的電流被強(qiáng)制切 斷時(shí)的放大電路的輸出信號(hào)來(lái)檢測(cè)電路特性誤差。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器控制設(shè)備，還包括用于放大的 多個(gè)電阻，以確定所述放大電路的放大系數(shù)；以及放大系數(shù)切換模塊，其用于切換放大用的所述電阻，以便于將用 于放大的所述電阻中的一個(gè)用作輸入電阻，而將用于放大的剩余電阻 用作反饋電阻。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的傳感器控制設(shè)備，其中將用于檢測(cè) 含在所述目標(biāo)氣體中的所述特定氣體成分的氣體濃度的寬檢測(cè)范圍 預(yù)先劃分成不同的檢測(cè)范圍，所述放大系數(shù)切換模塊切換用于放大的電阻，使得當(dāng)在不同檢測(cè) 范圍中的窄檢測(cè)范圍內(nèi)檢測(cè)所述目標(biāo)氣體中含有的所述特定氣體成 分的氣體濃度時(shí)，增大所述放大電路的放大系數(shù)，以及切換用于放大 的電阻，使得當(dāng)在不同檢測(cè)范圍中的寬檢測(cè)范圍內(nèi)檢測(cè)所述目標(biāo)氣體 中含有的所述特定氣體成分的氣體濃度時(shí)，減小所述放大電路的放大 系數(shù)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的傳感器控制設(shè)備，其中所述目標(biāo)檢 測(cè)氣體是內(nèi)燃機(jī)所發(fā)出的廢氣，所述傳感器控制設(shè)備在A/F比檢測(cè)范圍內(nèi)檢測(cè)所述廢氣的A/F比，并且所述A/F比檢測(cè)范圍包括-所述傳感器元件可檢測(cè)的整個(gè)A/F比檢測(cè)范圍；用于化學(xué)計(jì)量燃燒控制的化學(xué)計(jì)量檢測(cè)范圍，其是所述整個(gè)A/F 比檢測(cè)范圍的一部分；以及用于所述整個(gè)A/F比檢測(cè)范圍的一部分的稀薄燃燒控制的稀薄 檢測(cè)范圍，其是所述整個(gè)A/F比檢測(cè)范圍的一部分，所述傳感器控制設(shè)備進(jìn)行控制使得-當(dāng)所述傳感器元件在所述整個(gè)A/F比檢測(cè)范圍下檢測(cè)所述廢氣 的A/F比時(shí)，所述偏移切換模塊不給所述放大電路任何偏移，并且所 述放大系數(shù)切換模塊選擇用于放大的電阻，使得所述放大系數(shù)減??；當(dāng)所述傳感器元件在所述化學(xué)計(jì)量檢測(cè)范圍下檢測(cè)所述廢氣的 A/F比時(shí)，所述偏移切換模塊不給任何偏移，并且所述放大系數(shù)切換 模塊選擇用于放大的電阻，使得所述放大系數(shù)增大；以及當(dāng)所述傳感器元件在所述稀薄檢測(cè)范圍下檢測(cè)所述廢氣的A/F 比時(shí)，所述偏移切換模塊提供偏移，并且所述放大系數(shù)切換模塊選擇 用于放大的電阻，使得所述放大系數(shù)增大。
13、根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器控制設(shè)備，其中所述目標(biāo)檢 測(cè)氣體是內(nèi)燃機(jī)所發(fā)出的廢氣，所述傳感器控制設(shè)備在A/F比檢測(cè)范圍內(nèi)檢測(cè)所述廢氣的A/F 比，并且所述A/F比檢測(cè)范圍包括-所述傳感器元件可檢測(cè)的整個(gè)A/F比檢測(cè)范圍；用于化學(xué)計(jì)量燃燒控制的化學(xué)計(jì)量檢測(cè)范圍，其是所述整個(gè)A/F 比檢測(cè)范圍的一部分；以及用于所述整個(gè)A/F比檢測(cè)范圍的一部分的稀薄燃燒控制的稀薄 檢測(cè)范圍，其是所述整個(gè)A/F比檢測(cè)范圍的一部分，所述傳感器控制設(shè)備進(jìn)行控制使得當(dāng)所述傳感器元件在所述整個(gè)A/F比檢測(cè)范圍下檢測(cè)所述廢氣的A/F比時(shí)，所述偏移切換模塊不給所述放大電路任何偏移，并且所 述放大系數(shù)切換模塊選擇用于放大的電阻，使得所述放大系數(shù)減?。划?dāng)所述傳感器元件在所述化學(xué)計(jì)量檢測(cè)范圍下檢測(cè)所述廢氣的 A/F比時(shí)，所述偏移切換模塊不給任何偏移，并且所述放大系數(shù)切換 模塊選擇用于放大的電阻，使得所述放大系數(shù)增大；以及當(dāng)所述傳感器元件在所述稀薄檢測(cè)范圍下檢測(cè)所述廢氣的A/F 比時(shí)，所述偏移切換模塊提供偏移，并且所述放大系數(shù)切換模塊選擇 用于放大的電阻，使得所述放大系數(shù)增大。
14、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的傳感器控制設(shè)備，其中所述傳感器 控制設(shè)備在所述A/F比檢測(cè)范圍內(nèi)檢測(cè)所述廢氣的A/F比，并且所述 A/F比檢測(cè)范圍進(jìn)一步包括用于富裕燃燒控制的富裕檢測(cè)范圍，其是 所述整個(gè)A/F比檢測(cè)范圍的一部分，并且所述傳感器控制設(shè)備進(jìn)行控制，使得當(dāng)所述傳感器元件在所述富 裕檢測(cè)范圍下檢測(cè)所述廢氣的A/F比時(shí)，所述偏移切換模塊提供反向 的偏移，其中所述反向的偏移是通過(guò)對(duì)用于所述稀薄檢測(cè)范圍的偏移 進(jìn)行反向而獲得的，并且所述放大系數(shù)切換模塊選擇用于放大的電阻 以使得放大系數(shù)增大。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器控制設(shè)備，其中所述放大電路 包括其輸出級(jí)上的恒流源和下拉電阻中的一個(gè)。
全文摘要
傳感器控制設(shè)備中的電流檢測(cè)電阻連接到傳感器元件。通過(guò)電流檢測(cè)電阻檢測(cè)在所述傳感器元件中流動(dòng)的電流。所述電流檢測(cè)電阻連接到反向放大電路上，該反向放大電路用于輸出將被傳送到微機(jī)的空/燃輸出電壓。偏移設(shè)置電路連接到反向放大電路中的運(yùn)算放大器的一個(gè)輸入端子上。所述偏移設(shè)置電路包括開關(guān)元件、串聯(lián)連接到所述開關(guān)元件的電阻、以及其公共節(jié)點(diǎn)連接到所述電阻的兩個(gè)分壓電阻。所述偏移設(shè)置電路生成并提供偏移給A/F輸出電壓?；趶奈C(jī)傳送的偏移切換信號(hào)，導(dǎo)通和關(guān)斷所述開關(guān)元件。
文檔編號(hào)G01N27/407GK101241099SQ20081000948
公開日2008年8月13日 申請(qǐng)日期2008年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月5日
發(fā)明者川瀨友生, 松岡干泰, 黑川英一 申請(qǐng)人:株式會(huì)社電裝