用于测量颗粒物的集聚和电荷损失传感器

摘要

描述用于测量颗粒物的传感器组件。这传感器组件包括电压源，传感器电极，接地组件，积分电容和电流计。传感器电极被设置于传感器组件内的定向并受控制的排气流内，用于在传感器电极的表面促进颗粒物集聚成颗粒物结构。接地组件被耦合到接地参考，并被设置成距传感电极一距离。积分电容器耦合到电压源的负侧。积分电容器被配置为在时间上对源自来自颗粒物结构的传感器电极的电荷转移的电流脉冲做积分。

权利要求

1.一种用来测量颗粒物的传感器组件，所述传感器组件包括：电压源；

被耦合到电压源的传感器电极，用以接收电压，所述传感器电极被布置在所述传感器组件内的定向并受控制的排气流内，以便于颗粒在传感器电极的表面上集聚成颗粒物结构；

接地组件，其被耦合到接地参考并被放置到距传感器电极一距离处；

耦合到所述电压源的负极侧的积分电容器，其中所述积分电容器被配置为对源自从传感器电极至所述颗粒物结构的电荷转移的电流脉冲按时间做积分；以及；

被耦合到电压源的电流测量器，用于响应于在排气流内从传感器电极至颗粒物结构的电荷转移测量提供到电压源的电流的积分值。

2.如权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述的颗粒物结构具有高的表面电荷密度质量比。

3.如权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，还包括被耦合到传感器电极的控制电路，其中所述控制电路被配置为产生至少部分地与从传感器电极至颗粒物结构的电荷转移相关的输出信号，其中所述输出信号与测得的排气流内的颗粒物的电平相关。

4.如权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述传感器组件被配置为在缺少与所述传感器电极和接地组件分开的另一电极的情况下工作。

5.如权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述传感器电极和所述接地组件之间的距离为0.5毫米和2毫米之间。

6.如权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，施加到传感器电极的所述电压在电压下限和电压上限之间，其中所述电压下限足以促进颗粒物集聚自组织成高表面积质量比的结构，所述电压上限不足以引起通过排气流的传感器电极或颗粒物结构的放电。

7.如权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述传感器电极包括含有圆柱形部分的电极。

8.如权利要求7所述的传感器组件，其特征在于，内部挡板充分包围传感器电极的圆柱形部分的大部分。

9.如权利要求7所述的传感器组件，其特征在于，内部挡板被电耦合到所述传感器组件的壳体，并且所述传感器电极与所述内部挡板以及所述壳体电绝缘。

10.如权利要求9的传感器组件，其特征在于，所述壳体至少部分地包围内部挡板，并且包括入口，用以允许排气流的一部分进入所述壳体，并且所述内部挡板定义在与所述壳体的入口偏移的位置处的至少一个孔，用以产生所述内部挡板和壳体之间的流模式，其中内部挡板中的至少一个孔被配置成朝向传感器电极的表面并进一步基本上沿着所述内部挡板中的至少一个孔与所述壳体的出口之间传感器电极的长度引导流模式。

11.如权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，传感器电极的一部分和周围传感器结构被布置成沿轴向作为静电粒子过滤器的一系列盘状物，用以防止在传感器电极的电绝缘安装部分累积颗粒。

12.如权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，还包括壳体，其中所述壳体包括：排气流入口；以及

文丘里盖，当其被设置在排气流中，通过排气流入口吸引至少一些排气流进入排气流室。

13.如权利要求12所述的传感器组件，其特征在于，还包括设置在壳体内的绝缘体，用以定义排气流室的端部并将所述传感器电极安装在第一端部的位置。

14.如权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，还包括：发生器块，其中所述发生器块被配置为产生DC电压信号，用于施加到传感器电极；

保护块，用于在传感器电极接地短路并保护传感器组件免于过高电压期间促进DC电压信号的大电流放电；以及电流放大器，用以放大积分电流。

15.一种用来测量颗粒物的方法，包括：

引导排气流朝向凸状电极以促进凸状电极的表面处的颗粒集聚，并进一步引导所述凸状电极和凹形接地结构之间的排气流；

产生在所述凸状电极和凹形接地结构之间的非均匀电场以促进在排气流中悬浮的颗粒物集聚成高表面积质量比的颗粒物结构；

测量由于集聚的颗粒物结构的移走而导致的电流脉冲；以及

将电流脉冲积分成可与排气流中嵌入的颗粒物的质量浓度相关的值。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，产生所述电场还包括应用电压下限和电压上限之间的电压，其中所述电压下限足以促进颗粒物集聚成颗粒物结构，而所述电压上限不足以引起通过排气流的凸状电极或颗粒物结构的放电。

17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，在所述凸状电极和凹形接地结构之间的空间在0.5和2毫米之间。

18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，引导所述排气流还包括引导排气流通过壳体中的入口，其中所述壳体至少部分地包围所述凸状电极和所述凹形接地结构，并通过文丘里效应将排气流吸引出壳体以生成沿凸状电极的流模式。

19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，产生所述非均匀电场还包括通过被配置成至少部分地在结构上支撑所述凸状电极的绝缘体使所述凸状电极和所述凹形接地结构绝缘。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括使所述凸状电极的轴向盘状部分和所述凹形接地结构的一部分发生静电相互作用，以减少在绝缘体上来自排气流的颗粒物的沉积。

21.一种用于测量颗粒物的设备，所述设备包括：

电压源；

电耦合到所述电压源的电极，用以在电极的表面上生成电极表面电荷，其中所述电极至少部分地放置在排气流内，所述电极用于产生电场以促进颗粒物在电极的表面上形成至少一个丝状结构，所述丝状结构具有基本上与电极表面电荷相等的颗粒物结构表面电荷；

接地结构，其被耦合到接地参考并被放置在距所述电极一距离处，所述接地结构被配置为接收源自与从电极的表面移走的丝状结构的电接触的电流脉冲；以及相关模块，用以检测电流脉冲并把检测出的电流脉冲和所述排气流的颗粒物测量进行相关。

22.如权利要求21所述的设备，其特征在于，所述电场具有400到1500千伏/米之间的场强。

23.如权利要求21所述的设备，其特征在于，所述至少一个丝状结构具有高的表面电荷密度质量比。

24.如权利要求21所述的设备，其特征在于，所述电极包括凸起的圆柱形部分。

25.如权利要求21所述的设备，其特征在于，所述接地结构至少部分地围绕所述电极。

26.如权利要求21所述的设备，其特征在于，所述电极和所述接地结构之间的距离为

0.5毫米和2毫米之间。

27.如权利要求21所述的设备，其特征在于，壳体至少部分地围绕所述电极和所述接地结构。

28.如权利要求27所述的设备，其特征在于，所述壳体包括至少一个排气流入口，用以允许一部分的排气流通过电极上的电场并在电极上沉积颗粒物。

29.如权利要求28所述的设备，其特征在于，所述壳体包括文丘里盖，所述文丘里盖当被放置于排气流中时吸引至少部分的排气流进入排气流入口。

30.如权利要求29所述的设备，其特征在于，所述壳体和所述文丘里盖被电连接到所述接地结构。

说明书

用于测量颗粒物的集聚和电荷损失传感器

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请请求于2011年5月26日提交的美国临时申请号61/490,528的权益，其全部内容通过援引纳入于此。本申请还请求于2011年12月8日提交的美国申请号13/315,146的权益，其全部内容通过援引纳入于此。

[0003] 背景

[0004] 内燃发动机(例如，柴油发动机)通常生成包含变化量的颗粒物(PM)的排气流。一般而言，颗粒物是悬在排气中的小的固体物颗粒(即，烟灰)。排气流中的颗粒物的量和大小趋于随发动机工作条件而变，诸如燃料注入时机、注入体积、注入压力、或者发动机速度关于负载的关系。对这些条件的调节在减小颗粒物排放和来自发动机的颗粒物中的平均颗粒大小方面可以是有用的。减小来自内燃发动机的颗粒物排放是对环境有利的。此外，对柴油排气的颗粒物测量对于PM过滤器板载(例如，安装在车辆上的)诊断和通过内燃控制减小排放是有用的。

[0005] 用于颗粒物的板载(原位)传感器通常落入两个类别中：

[0006] 1.累积传感器

[0007] 2.实时传感器

[0008] 累积传感器利用排气颗粒、尤其是烟灰(soot)颗粒趋于粘到暴露于排气体的表面的效应。在累积传感器中，允许烟灰累积在所暴露表面(如一个层)上。抑或通过以主体(该表面是该主体的一部分)的谐振频率振动该主体且随后测量由烟灰累积导致的谐振频率改变，抑或通过测量所累积烟灰的电阻或其或其电容，来测量该烟灰层的特性。当达到所测得量的某个阈值时，该累积表面被加热到一较高温度以烧掉所累积的烟灰并且累积过程重新开始。该过程的重复频率随后用作对排气体的平均颗粒(或烟灰)内容的测量。累积传感器的构造简单，小到足以像其他排气传感器一样地安装且相对便宜。然而，由于其工作原理，它们在累积了不能轻易地烧掉的颗粒时具有相对慢的响应速度(非实时)且遭遇可靠性问题。

[0009] 实时传感器具有毫秒范围内的响应速度并且通常利用对颗粒的静电效应，或者使用光学效应。

[0010] 这些传感器落入四个类别中：

[0011] a.自然电荷检测器

[0012] b.电离感应电荷传感器

[0013] c.接触电荷传感器

[0014] d.光学传感器

[0015] 自然电荷检测器尝试检测在生产过程中产生的颗粒的自然电荷。这些传感器需要对电子电荷非常敏感，并遭受这样的事实：自然电荷的颗粒和/或它们的极性可在通过排气系统时改变。

[0016] 电离感应电荷传感器在排气路径中通过该传感器在像薄的金属丝或针尖端的高表面曲率的电极上使用非常高的电压产生离子。电压一般在2-15千伏范围内。此电压会使载气中的颗粒进行电晕放电。烟灰尘颗粒流经电晕放电场获得充电。此后这些带电粒子通过收集电极被收集并且该收集电极的电荷转移率被测量。该收集电极和防止电荷的气体离子并将电荷转移到收集电极的必要性，需要相当大和复杂的装置并不能被容易地降低到典型的排气传感器的大小。

[0017] 接触电荷传感器通常使用比电离感应电荷传感器低得多的电压。在接触电荷传感器中烟灰颗粒与高压电极接触而获得的表面电荷取决于高压电极的表面电荷密度。高压电极的典型电压在500伏至3千伏的范围内。这些带电颗粒此后将所带电荷释放在排气系统的接地部件或辅助检测电极。高电压电极的电荷损失通常与在排气气体中的颗粒物浓度成比例并可被测量。然而，由于所产生的电流(每秒的电荷转移)是非常小的，因此充分隔离高电压电极以防止漏电流是非常困难的。任何电流通过不完善的隔离流向接地还会产生高压电极上的电荷损失，并因此引起错误的传感器信号。作为解决这样问题的方法，基本为接地电压电平的辅助收集电极，被放置在靠近高电压电极的位置并对该电极的电荷累积进行测量。然而这需要额外的电连接并与高压电压电源的电极完好地绝缘。对于典型的内燃机的排气系统中所遇到的温度，很难找到能够承受这样的温度并仍保持高的电绝缘性能的绝缘材料。

[0018] 由接触电荷传感器检测到的电流与排出气体的颗粒含量成比例，但也与电极的区域成比例。对于典型尺寸的排气传感器的可能区域，在通常遇到的烟灰水平下能侦测到的电流在低微微安培范围内，这是在内燃机工作的电气噪声的环境中很难被检测到。此外，低电流需要使用静电级放大器来检测和放大传感器信号。由于目前的半导体技术的限制，这些放大器通常只可以在狭窄的温度范围内保持它们的规格特性，这是远小于典型车辆应用所需的温度范围(通常在-40摄氏度到+125摄氏度)。

[0019] 光学传感器包括光源和光检测器。它们测量含有颗粒物的气流的透明度或测量在该光源的光路中的被颗粒物散射的光。

[0020] 所有被描述的实时传感器方法的共同点是传感器上的部分烟灰累积对传感器性能有不利的影响，并试图通过各种方法来解决这一点，这取决于实施例。无论是通过清洁空气稀释排气，定期流动压缩过滤的空气吹掉在电极上(或光学部件在光学传感器的情况下)累积的颗粒物，或通过加热电极(或透镜在光传感器的情况下)的温度使累积的烟灰颗粒燃尽，但该温度又不能过高以使接触的烟灰颗粒立即燃尽。

[0021] 此外，所描述的实时传感器的共同点是它们具有在低毫秒范围内的反应时间，因此例如可以检测内燃机气缸的气缸排气中的烟灰浓度的变化。

[0022] 由于用于原位应用的现有技术颗粒传感器的上述限制，需要克服这些限制中的一些限制的传感器。

[0023] 本发明中所述的传感器结合该聚集和接触电荷传感器的某些方面，以这样的方式使测得的电流高于接触电荷传感器的几个数量级，并要求在电极上有烟灰累积时工作。

[0024] 这使该传感器可以扩大到典型的排气传感器的大小，并使得它可以使用普通的电极绝缘器。此外，本发明中所述的传感器不需要任何特殊的补救措施以防止感应电极上的烟灰累积。与其他实时传感器相比，本发明中所述的传感器具有较慢的响应时间，通常慢于100毫秒，但比5秒快，这足以满足大多数应用。

[0025] 概述

[0026] 本发明的实施例涉及用于测量颗粒物的传感器组件。该传感器组件包括电压源、传感器电极、接地组件、积分电容器和电流计。该传感器电极被耦合至电压源，用以接收电压，其中该传感器电极被设置于传感器组件内的定向且受控制的排气流内，用于在传感器电极的表面促进颗粒物集聚成颗粒物结构。接地组件被耦合到接地参考，并被设置成距传感电极一距离。积分电容器耦合到该电压源的负极侧，其中积分电容器被配置为在时间上对源自来自颗粒物结构的传感器电极的电荷转移的电流脉冲做积分。电流计被耦合到电压源，用于响应于在排气流中传感器电极至颗粒物结构的电荷转移测量供给到该电压源的电流的积分值。

[0027] 本发明的实施例涉及一种方法。该方法包括：引导排气的流动朝向凸状电极以促进凸状电极的表面处的颗粒集聚，并进一步引导在凸状电极和凹形接地结构之间的排气流，在凸状电极和凹形接地结构之间生成非均匀电场以促进排气流中悬浮的颗粒物聚集成高表面积质量比的颗粒物结构，测量由于集聚颗粒物结构的移走而产生的电流脉冲，以及将电流脉冲积分成与排气流中嵌入的颗粒物的质量浓度相关的值。

[0028] 本发明的实施例涉及一种用于测量颗粒物的设备。该设备包括电压源，电极，接地结构和相关模块。该电极被电耦合到电压源以在电极表面上生成电极表面电荷，其中该电极被至少部分地放置在排气流内，该电极产生用于促进在电极的表面上颗粒物形成至少一个丝状结构的电场，该丝状结构具有与电极表面电荷大致相等的颗粒物结构表面电荷。接地结构被耦合到接地参考并被放置成距传感电极一距离。接地结构接收源自与从电极的表面移走的移走丝状结构的电接触的电流脉冲。相关模块检测电流脉冲，并把检测出的电流脉冲和对排气流的颗粒物测量进行相关。

[0029] 附图简述

[0030] 图1描绘排气传感器系统的一个实施例的示意框图。

[0031] 图2A描绘图1的传感器组件的一个实施例的外部的示意图。

[0032] 图2B描绘图1的传感器组件的一个实施例的内部的示意图。

[0033] 图2C描绘通过图2B的传感器组件的内部的流模式的示意图。

[0034] 图3描绘图1的控制电路的一个实施例的示意电路图。

[0035] 图4描绘图1的控制电路的另一实施例的示意电路图。

[0036] 在整个说明书中，类似的附图标记可以用于标识相似的元素。

[0037] 详细说明

[0038] 将容易地理解本文一般描述和附图中描述的实施例的组件可以通过很广泛的各种不同的配置来进行布置和设计。因此，下面更详细描述的各种实施例，如图所示，并不意在限制本公开的范围，但仅仅作为各种有代表性的实施例。虽然在附图中描述了实施例的各个方面，但附图不一定按比例绘制，除非特别说明。

[0039] 在不脱离其精神或基本特征的情况下，本发明可以体现为其它的具体形式。所描述的实施例在所有方面仅是说明性的而不是限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求指出，而不是由详细描述指出。在权利要求书的等价物的含义和范围内的所有变化都被包含在其范围内。

[0040] 对遍布该说明书各处的特征、优势的引用或类似用语并不暗示可用本发明实现的所有特征和优势应在或在本发明的任何单个实施例中。相反，引用特征和优势的用语被理解成意味着结合实施例描述的具体特征、优势、或特性包括在本发明的至少一个实施例中。由此，对遍布本说明书各处的特征和优势的讨论、和类似用语可以但不一定指代相同实施例。

[0041] 而且，本发明的所描述特征、优势、和特性可以任何合适方式组合在一个或多个实施例中。相关领域的技术人员在本文中描述的启示下将认识到，可在没有特定实施例的具体特征或优势种的一个或多个具体特征或优势的情况下实践本发明。在其他实例中，可在可能未呈现在本发明的所有实施例中的某些实施例中识别出附加特征和优势。

[0042] 对遍布本说明书各处的“一个实施例”、“实施例”、或类似用语的引用意指结合所指示实施例描述的特定特征、结构、或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。由此，遍布本说明书各处的短语“(在)一个实施例中(的)”、“(在)实施例中(的)”、和类似用语可以但不一定全部指代相同实施例。

[0043] 将容易地理解，本文中所一般性描述的和在所附附图中解说的实施例的组件可以各种各样不同的构型来布置和设计。由此，如表示在附图中的以下对各种实施例的更详细描述不旨在限制本公开的范围，而仅仅代表各个实施例。尽管实施例的各个方面被呈现在附图中，但除非具体指出，附图不一定按比例绘制。

[0044] 本发明可以其他形式实现而不脱离本发明的精神或本质特性。所描述实施例的所有方面应被视为解说性而非限制性的。因此，本发明的范围是由所附权利要求指示而非由本详细的说明书指示。进入到权利要求的等效物的含义和范围内的所有变化要被涵盖在权利要求之内。对遍布本说明书各处的特征、优势的引用或类似用语不暗示可用本发明实现的所有特征和优势应在或在本发明的任何单个实施例中。相反，引用这些特征和优势的用语被理解成意味着结合实施例描述的具体特征、优势、或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。由此，对遍布本说明书各处的特征和优势的讨论和类似用语可以但不一定指代相同实施例。

[0045] 而且，本发明的所描述特征、优势、和特性可以任何合适方式组合在一个或多个实施例中。相关领域的技术人员在本文中描述的启示下将认识到，可在没有特定实施例的具体特征或优势种的一个或多个具体特征或优势的情况下实践本发明。在其他实例中，可在可能未呈现在本发明的所有实施例中的某些实施例中识别出附加特征和优势。

[0046] 对遍布本说明书各处的“一个实施例”、“实施例”、或类似用语的引用意指结合所指示实施例描述的特定特征、结构、或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。由此，遍布本说明书各处的短语“(在)一个实施例中(的)”、“(在)实施例中(的)”、和类似用语可以但不一定全部指代相同实施例。

[0047] 所描述的实施例包括基于集聚电荷损失原理的颗粒物传感器。

[0048] 含有小颗粒的排气流被引导向连接到绝缘的高压电源的正连接的电极。这些颗粒会自然地将其自身附到高电压电极，并在该电极上形成层。当几分钟后足够多的颗粒附着，在电极上和累积颗粒层上的表面凹凸充当颗粒物优先附着的成核点(nucleation point)。

[0049] 足够的层的形成的时间延迟取决于排气中的颗粒浓度。在典型的柴油发动机的排气中的烟灰浓度的情况下，这在5到10分钟之间发生。然而，这个时间延迟仅对从未在排气中暴露的新电极而言。最初形成的烟灰层会永久地留在电极上，并且为了防止这种初始延迟这也可以在传感器生产过程中人为生成。

[0050] 由于高电场、磁场强度和传感器的物理几何参数，这些颗粒会优先附着在场强最强的核位点，一般是有缺陷的表面或粗糙点。之后烟灰颗粒在存在电场下继续沉积并形成有限扩散的聚集体(分形或枝晶结构)。一旦烟灰集聚物达到一大尺寸(微米)，介电电泳就可能发挥作用使悬浮在液体或气体中的粒子在不均匀电场中朝着更强的场区移动，只要它们的相对介电常数高于周围介质。烟灰或碳的相对介电常数通常是5-10，而排气的相对介电常数接近1。内燃机在工作温度下的排气中的颗粒大部分是烟灰颗粒或碳颗粒。

[0051] 当这些烟灰颗粒连接成核点，它们通过分子间的作用力(如范德华力)连接并保持在那里。一旦它们接触并且如果至少部分是导电的，它们将获得与电极表面同样的表面电荷。

[0052] 因为相同极性的电荷相斥，它们在同一时间被电极排斥。然而对于单个颗粒来说此传感器使用的电场强度(400-1500千伏/米)不足以克服附着力。

[0053] 然而，由于电场作用，烟灰颗粒会聚集成支链丝状的3维结构，向远离电极的方向延伸。在这些场的影响下，这些结构趋向于自组织以使它们的表面区域最大化同时每个独立分支作为新颗粒的新的成核点和附着点，但同时每个分支被其他分支排斥，因为他们有相同的电荷和极性。过了一段时间，这样的结构获得了足够的表面电荷使得在该结构和电极之间由此产生的静电斥力足以克服附着力，此刻该结构会附着在电极上的层或结构内的附着力最弱。

[0054] 当这些结构从电极断开时，它们会携带一部分电极的电荷，当它们接触了传感器或排气系统的接地部分时会释放这些电荷。传感器的接地部分上的该电荷释放可以以流过电极和地之间的电流脉冲的形式被检测到，并且在这个实施例中，可以由在接地和高电压电源的负连接之间的电流计来测量。

[0055] 由于在电场中的支链结构的自组织，给定所使用电压，这些结构可以携带比单个颗粒所能携带更多的单位质量电荷。在此处所描述的实施例中，单位质量电荷比比接触电荷传感器使用的单个颗粒电荷转移中预期的要高100-1000倍。其他实施例可以具有相对于单个颗粒电荷转移的不同的单位质量电荷比。

[0056] 对电流，颗粒质量流，和颗粒大小的测量暗示了表面质量比(surface to mass ratio)，并且该表面质量比是对所获取的每质量单位电荷的虚拟表达。关于高表面质量比，或高表面电荷密度质量比(surface charge density to mass ratio)的理论是基于烟灰颗粒导电并因此可以只在其表面上携带电荷的事实。

[0057] 在一个示例性的测量中，颗粒的质量浓度为6毫克/立方米(每排气容积的颗粒质量)。

[0058] 测得的颗粒数约为6*107个颗粒/cc并且颗粒的平均直径为50纳米。测得的电流为41nA，并通过传感器的气体流率大约是47cc/秒。这意味着约2.82*109颗粒流过传感器并总颗粒质量流率约为282ng/秒。

[0059] 流过传感器的颗粒的总表面积在假设颗粒近似球形的情况下约为2.21*10-5m2/秒。然而，当他们触摸电极时，就不计算颗粒的总表面积，而是计算大致的横截面面积。因-6 2此，对球形颗粒来说近似的有效面积仅为5.5*10 m/秒。

[0060] 因此这些粒子的有效表面质量比约为19.5m2/克。

[0061] 在1000V下所描述传感器的电极表面的电荷密度大约是6.9*10-5库仑/平方米。

[0062] 如果每个颗粒从电极获得表面电荷密度和电极本身一致，则转移该电荷将会产生约为3.8*10-10库仑/秒或0.38nA的电流。在这个情况下，这也可以由单位质量电荷转移大约是1.35*10-3库仑/克来表示。

[0063] 在一个实施例中，传感器实际测得的电流大约是41nA。

[0064] 对于约41nA的电流并假设聚集物获得和电极一样的表面电荷密度，从电极转移电荷的集聚物的总表面面积很可能约是5.9*10-4平方米/秒。

[0065] 由于流过传感器的总的颗粒的质量没有改变，因此聚集物的平均有效表面质量比约为2092平方米/克。

[0066] 在这种情况下表描述了的单位质量电荷转移约0.15库仑/克。尽管被表示，通常情况下有超过两个数量级的差别。其它实施例可表现出约1.5-5之间数量级或更大的差别。

[0067] 在操作中，对于给定的粒子浓度，达到平衡，其中聚集结构的断开速率和它们的堆积平衡。较高的烟灰浓度将更快地建立结构，从而产生更多更大的电流脉冲。

[0068] 更大的电极的表面面积还产生了更多的机会以创造更多的结构并因此产生更多的电流脉冲。

[0069] 但是，在电极的表面面积会优先地有正曲率来产生非均匀场。这在物理上限制了电极的大小。一些实施例中，可以使用多个较小的弯曲电极来创建更大的表面积。

[0070] 电流脉冲在电子装置中被积分并产生与排气气体的颗粒浓度成比例的整体平均电流。

[0071] 增加电压将在电极和聚集结构上产生较高的表面电荷密度，从而得到具有较高的平均振幅的电流脉冲，但的电压的限制是聚集结构尖端的电离放电的发端，这将造成从电极到接地的与烟灰浓度不成比例的电流。

[0072] 这个电压的大小是根据具体的实施例由实验确定的。

[0073] 因为较高的电流，这种测量方法比接触电荷传感器对电极安装的电绝缘性能的要求低得多。此外信号放大电路的灵敏度可被减少，使得在无需昂贵的屏蔽下将它部署在电气噪声环境中的车辆成为可能。

[0074] 图1描绘排气传感器系统10的一个实施例的示意性框图。图中所示的排气传感器系统10包括传感器组件12，发动机14和排气系统16。发动机14产生排气，该排气移动通过排气系统16。排气系统16有利于排气的流动到气体出口18，通常用于排放到大气中。传感器组件12至少部分地插入在排气系统16内的排气流中以检测参数。当排气系统16中的气体渡过和/或通过传感器组件12时，传感器组件12通过测量传感器组件12处的化学物质或温度或其它参数来监测排气中的条件，如本文中描述的。在具体实施方式中，传感器组件12包括颗粒物传感器，用于检测指示排气流中的颗粒物质的存在的条件。

[0075] 排气传感器系统10还包括电子控制模块20。电子控制模块20包括处理器22，以及电子存储设备24。电子控制模块20还可以包括控制电路26以控制传感器组件12的部分或全部的操作。或者，控制电路26的一些或全部的功能可以在传感器组件12中被实现，或在另一个并不一定是靠近电子控制模块20的位置处实现。此外，在一些实施例中，控制电路26可控制外围设备的系统(图中未描述)。可以在传感器组件12中被实现的外设系统的一些例子包括，但不限于，加热器(未描述)或化学中和剂系统的(未描述)。作为化学中和剂系统的替代或补充，一些实施例可以包括排放控制元件(未描述)，用以中和排气系统106内的化学和/或物质的其他方面，无论在传感器组件10的上游或下游。在其它实施例中，控制电路26可以控制外设系统内的其它位置处的排气传感器系统10。

[0076] 在一个实施例中，传感器组件12将传感器信号中继给电子控制模块20的处理器22。处理器22对来自传感器组件12的传感器信号进行分析。如果传感器信号已损坏，则处理器22可以向控制电路26发送控制信号，例如，要关闭的传感器组件12。在这种情况下，或在其他情况下，控制电路26可以激活在传感器组件12内或附近的一个或多个加热器以使颗粒物沉积燃尽，这些颗粒物沉积可能会损坏从传感器组件12传出的传感器信号。在一些实施例中，处理器22发送控制信号到控制电路26以激活化学品注入系统，从而使化学试剂被引入到排气系统16，以除去在传感器组件12上聚集的颗粒物沉积。下面描述控制电路26的实施例的更多功能。

[0077] 如果来自传感器组件12的传感器信号未被损坏，则处理器22可把传感器信号和电子存储设备24上的表单28内存储的数据做比对，以确定在排气系统16中排气的一个或多个质量。例如，处理器22可确定排气流中的颗粒物质的总量。处理器22还可以把来自传感器组件12的传感器信号和表单28中的查找到的数据比较，来估计例如排气流中的颗粒物质量浓度。在其它实施例中，电子控制模块20有利于检测在排气系统16中的一个或多个其他气体质量。例如，可以检测到排气流的质量的传感器类型可包括但不限于颗粒物传感器，氧传感器，温度传感器，氨气传感器，流量传感器，和空气燃料比传感器。

[0078] 还应当指出的是实施例中的传感器组件10可以容忍在气体环境中的某些气体成分波动。以这种方式，在对一个或多个其他化学物质和/或操作条件有相对少或无中断的情况下，传感器组件10可被校准以测量排气流内的特定化学物，材料，或其他条件。

[0079] 还应当指出，传感器组件12可被使用，在一些实施例中，来确定排气传感器系统10中的另一组件的故障。例如，传感器组件12可被用来确定在排气系统16内的颗粒物过滤器(图中未描述)的故障。在一个实施例中，在排气传感器系统10的故障可通过传感器组件12生成的升高的信号而被检测到。在一些实施例中，排气传感器系统10包括报警器，用以指示传感器组件12或在排气传感器系统10中其他组件的检测到的故障。在一些实施例中，传感器组件12也可以耦合到其它传感器或检测器，诸如质量流量计等。

[0080] 图2A描绘实施例中由图1所示的传感器组件12的外部概略图。图2B描绘实施例的图2A所示传感器组件12的内部的示意图。所例示的传感器组件12的外部元件包括传感器外壳120，中间螺栓部122，和带螺纹部分124。所描绘的外部元件还包括外壳126与盖128。外壳126具有一个或多个孔130，这些孔提供了外壳126内的气流。盖128包括单独的开口132，以促进外壳126内的空气流动。传感器组件12的外壳体126的气流模式的例子示于图2C，并在下面更详细描述。

[0081] 为了参考，传感器组件12被安装在排气传感器系统100内，这样该传感器壳体120和传感器组件12的螺栓部122就通常在通过排气系统106排出的排气流之外。传感器组件12的外壳体126和盖128被安装在通过排气系统106排出的排气流之内。一般地，虚线134区分传感器组件12在排气系统106外的部分(虚线134的左侧)和在排气系统106内的部分(虚线134的右侧)。在一个实施例中，螺纹部124使传感器组件12能通过螺纹，或用螺钉固定到排气系统106内的相应的孔中。螺纹部124的部分保持在排气系统106外，或者，可能进入排气系统106。传感器组件12的许多外部元件可以由金属，如不锈钢来构造，而基本上对排气传感器系统100的典型的机械和/或化学条件是不敏感。

[0082] 在一个实施例中，随着排气体流过盖128，相关联文丘里(Venturi)效应制造将排气体从外部壳体126的内部抽出的低气压。相应的排气体量从环境排气流通过孔130抽到外部壳体126中。将环境排气流的一部分抽到外部壳体126中允许传感器电极136测量该排气流内的颗粒物(PM)量。

[0083] 在一个实施例中，大表面积的电极136是圆柱形的。为减轻重量，气缸可以是空心。气缸的轴线可以是与电极安装杆138的轴线重合。

[0084] 图2B描绘了一个实施例的传感器组件12的内部结构。传感器组件12的内部结构包括传感器电极136和电极安装杆138，以及内部挡板140和一个或多个绝缘体142和144。在所描述的实施例中，电场基本上在电极136和内部挡板140的表面之间延伸。因为电极136的外径小于内部挡板140的内径，因此电场在电极136的表面是较强的。在一般情况下，通过传感器组件12排气的通过排气入口孔130进入外壳126。排气流流过内部挡板140与外壳126之间的空间直至内部挡板140的底座处的一个或多个挡板孔146。然后，气体流在圆柱形的传感器电极136和圆柱形内部挡板140之间的空间流动到文丘里盖128的排气出口132。

[0085] 因为排气流从内部挡板中的孔146流入内部挡板140和电极136之间的空间时有90度的大转弯，因此悬浮在气流中的颗粒因朝电极136的方向加速，因为它们具有比气体分子高的惯性。这种流动模式进一步支持电极136上颗粒集聚物的形成。

[0086] 在一个实施例中，内部挡板140是金属的并被连接到地面。文丘里盖128也被连接到内部挡板140并接地。

[0087] 由于具有相等电荷，从电极136分离的集聚物被电极136排斥，并被内部挡板140的表面吸引，该内部挡板140具有与电极136或集聚物相反的表面电荷。因为分离的颗粒集聚物与气体流一起在内部挡板140和电极136之间流动，并且因为气体流不得不再执行两个转向以通过文丘里孔132离开，所以气流中的这些转向进一步保证，即使没有将其电荷沉积在内部挡板140中的集聚物也被其惯性加速去往文丘里盖128的接地表面部分。

[0088] 盘状接地过滤器挡板144和高压过滤器挡板148，提供一条曲折的路径使颗粒可能移动到电极绝缘体142。这些过滤器挡板之间的电场在过滤器挡板144的内边缘和在过滤器的挡板148的外边缘处高度不均匀。因此，沿着这些过滤器挡板之间的路径移动的任何颗粒都自己被吸引到这些过滤器挡板，并会附着在那里。通过传感器的正常的排气路径确保不会有足够的烟灰颗粒移动来产生大型结构。该过滤器挡板因此放慢颗粒在绝缘体142上的聚集。在绝缘体142上的颗粒聚集形成导电路径，这将造成从电极136到传感器壳体120的电荷损失，同时除了颗粒聚集体的电荷损失，这可能会对传感器的性能产生不利影响。此外，在一些实施例中，绝缘体142可以周期性由嵌入式加热器(图中未描述)加热，使得任何累积在绝缘层142上的烟灰颗粒燃尽。

[0089] 在一些实施例中，这烟灰颗粒的燃尽可能很少被实现。即使排气中的颗粒物浓度远高于排气的法定上限，可能每隔几个小时的操作就要求燃尽。

[0090] 图3描绘如图1的实施例的控制电路的电示意框图。

[0091] 高压电压源104的正连接被连接到传感器组件12的电极108，而内挡板140和传感器组件12的其余部分被接地。在电气示意框图中此传感器组件12的其余部分被描绘成部分110。高压电压源104的负连接被连接到滤波电阻器114的一侧和滤波电容器112的一侧。滤波电容器112的另一侧接地。电阻器114的另一侧连接到电流计106的一侧，而电流计106的另一侧接地。

[0092] 电阻器114和滤波电容器112形成的低通滤波器的带宽为，例如，5至10赫兹。传感器组件12的操作中产生的电流脉冲在此低通滤波器中被积分。

[0093] 图4描绘了对图3中所描绘的示意框图的更详细电示意图。一般而言，所解说的控制电路136包括发生器块150、保护块152、以及检测和滤波器块154。其他实施例可包括所解说框中的一个或多个所解说框内的较少或较多块和/或较少或较多组件。

[0094] 在所描绘实施例中，发生器块150包括脉冲发生器(IG)、双向齐纳二极管(Z1)、变压器(Tr)、高压二极管(D1)、和高压电容器(C1)。所解说变压器包括带有1∶10绕组比的初级和次级绕组，但是其他实施例可具有不同绕组比。保护块152包括钳位二极管(D2)。检测块154包括初始滤波器电阻器(RF)、初始滤波器电容器(CF)、运算放大器(OA)、增益电阻器(RG)、PMOS晶体管(Q)、和电流到电压转换电阻器(RS)。

[0095] 一般而言，控制电路136生成要施加到传感器电极108的相对高的电压，并且进而生成可与传感器电极108对其暴露的排气流的颗粒物水平相关的输出信号。具体而言，变压器TR的次级侧、二极管D1和电容器C1形成图3中描述的浮动电压源108的实施例。尽管具体电路组件以特定布置显示，但其他实施例可使用类似或不同电路组件来达成相同或类似结果。另外，尽管所解说电路被实质地以硬件实现，但使用由中央处理器或其他数字信号处理设备执行的软件指令来实现控制电路136的一些部分可以是可行的。

[0096] 在一个实施例中，脉冲发生器156生成具有特定重复速率(例如，约1400脉冲每秒)和最大振幅(例如，约1000V)的周期性、短脉冲持续时间(例如，约1-2μsec)。电容器C1的正充电侧被连接到传感器组件100的传感器电极108。在传感器电极108处得到正充电的集聚物周期性地带走电容器电荷中的一些电容器电荷，并由此使电容器C1相对于接地参考(例如，车辆接地)放电。该放电电流流过初始滤波器电阻器RF并在初始滤波器电容器CF处积分。运算放大器OA与增益电阻器RG和PMOS晶体管Q一起形成具有增益-RF/RG的反相电流放大器。该经放大电流I出从PMOS晶体管Q的漏极流出到电压转换电阻器RS。电阻器RS处的电压因此根据欧姆定律与RS*I出成比例。还可采用用于检测放电电流的其他方法。

[0097] 在一个实施例中，脉冲发生器156接收车辆电池电压(约12V)并且将该车辆电池电压切换到变压器的初级绕组直至该绕组中的电流达到初级绕组阈值。在一个实施例中，该初级绕组阈值是近似于3安培，但其他实施例可使用不同的初级绕组阈值。当达到了指定电流限制，电流被迅速关断。在一个实施例中，初级绕组的电感回扫脉冲被双向齐纳二极管Z1限制到100V的值。因为变压器在其初级和次级绕组之间具有10∶1的绕组比，初级侧上的被限制到100V的回扫脉冲转化为次级侧上的1000V。尽管一些实施例可在初级侧上使用100V并在次级侧上使用1000V，但其他实施例可使用不同电压和/或不同绕组比。

[0098] 脉冲发生器156将电池周期性地切换到初级绕组以在定期基础上在次级侧上生成相应脉冲。在一个实施例中，每0.7毫秒(1.4kHz)就生成脉冲，但其他实施例可使用不同的脉冲生成频率。

[0099] 变压器的次级侧上的1000V脉冲经由二极管D1将高压电容器C1充电到1000V。该电路是带有初级电压限制的回扫变换器。

[0100] 高压电容器C1的1000V电荷被连接到传感器电极108。

[0101] 如果烟灰集聚物从传感器电极108一直延伸到传感器组件的接地部分110，那么短路将形成高压源到接地的短路。这造成将使C1迅速放电的高电流，同时CF将被迅速充电到高负电压。保护二极管D2防止CF被充电到比约-0.7V更负性的电压。C1的高放电电压将由短路烟灰集聚物形成的颗粒加热到足够高的温度来烧掉颗粒。这样，这些类型的短路是自熄性的。

[0102] 高压电容器C1的负侧被连接到初始滤波器电阻器RF和初始滤波器电容器CF。该滤波器电容器CF积分由之前所描述的移走的烟灰集聚物造成的电流脉冲。因此通过RF的平均电流与来自电极的电荷损失率成比例，该电荷损失率是通过移走的烟灰集聚物将其电荷沉积到传感器或排气系统的接地部分而导致的。该积分电流与流过传感器的排气体的烟灰浓度相关。由于电流脉冲的积分的需要，该传感器响应时间由RF和CF所形成的低通滤波器的低通滤波器带宽来决定。对于典型实现而言，该带宽小于10Hz。

[0103] 排气传感器系统10还包括电子控制模块20。电子控制模块20包括处理器22和电子存储器器件24。电子控制模块20还可包括控制传感器组件12的一些或所有操作的控制电路26。替代地，控制电路116功能性中的一些或所有功能性可在传感器组件12处或在不一定邻近电子控制模块20的另一位置处实现。另外，在一些实施例中，控制电路26可控制外围系统(未描绘)。可在传感器组件12处实现的一些外围系统示例包括但不限于加热器(未描绘)或化学中和剂系统(未描绘)。作为该化学中和剂系统的替代或补充，一些实施例可包括排放控制元件(未描绘)来中和排气系统106内的化学物和/或物质的其他方面——或者在传感器的上游或者在下游。

[0104] 在以上描述中，提供了各种实施例的具体细节。然而，可用比所有这些具体细节少的细节来时间一些实施例。在其他实例中，出于简洁和清楚的原因，某些方法、例程、组件、结构、和/或功能是以不多于使能本发明的各种实施例的细节来描述的。

[0105] 尽管本文中的(诸)方法的操作以特定次序描述了和描述，但每个方法的操作次序可被变更，从而某些操作可以相反次序执行，或者从而某些操作可至少部分地与其他操作并发地执行。在另一实施例中，相异操作的指令或子操作可以断续的和/或交替的方式实现。

[0106] 尽管本发明的具体实施例已被描述和解说，但本发明不限于如此描述和解说的具体形式或各部分布置。本发明的范围是要被附于本文的权利要求及其等效物定义的。