CN102607763B - 数字式大过载比的共接口复合压力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种数字式大过载比的共接口复合压力传感器，其特征在于小量程和大量程压力传感器对称焊接在压力接口内，其上由支承块安装机械量开关，外环罩起并两端与压力接口和引线基座焊接，引线基座上部固定连接器，各传感器的导线引到电路盒；电路盒内有两路压力传感器的信号转换电路、5路数字量开关信号控制电路、串行通信电路与中央微处理器电路相连。两路压力传感器和恒流电路形成压力检测单元，将压力信号转换成mV级电信号；放大电路形成模拟信号处理单元，将mV级电信号处理成输出0.5V～4.5V的模拟信号；中央微处理器是AD转换单元、计算单元和控制单元，将采集传感器信号转换电路输出的模拟信号，并进行数字滤波、计算，判断，给出数字量开关信号动作指令。
Description
技术领域
本发明涉及传感器的设计,一种数字式大过载比的共接口复合压力传感器。
背景技术
目前在压力测量的应用方面，采用的压力传感器均属于单一量程、输出信号方式单一，难于满足特殊环境2个以上量程共接口测试的使用要求，比如一些航行器在进行深水航行和潜水航行感受的控制信号，要求测量多个压力范围，同时要求既有压力模拟信号输出、机械量开关信号输出及多路数字量开关信号输出。目前的市场产品处于空白。现有产品采用的方法仅是用多套压力传感器产品，根据航行情况进行更换，给使用带来困难，并且还有多套不同量程压力传感器的信号不能实现一体化的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种数字式大过载比的共接口复合压力传感器，可以实现多个量程压力信号的测量和具有多种信号输出方式。
一种数字式大过载比的共接口复合压力传感器，包括电路盒电路的信号转换处理、数字通信、数字量开关信号控制和共接口的两路压力传感器及机械量压力开关,其特征在于传感器结构：小量程和大量程电子压力传感器对称焊接在压力接口同一平面内，其上由支承块与压力接口中心及周边槽缘焊接，机械量开关通过压力接口上的支承块安装在两只传感器上方，外环两端与压力接口和引线基座焊接，将机械量开关组块罩起，引线基座上部固定连接器，复合压力传感器的三组电信号导线通过连接器引到电路盒，构成共接口的具有大过载比的两路压力传感器及机械量开关一体的数字式复合压力传感器；中央微处理器电路采集两路传感器信号转换电路输出的模拟信号，进行数字滤波、计算，判断出当前被测压力是上升状态、下降状态还是波动状态，根据5路数字量开关信号的动作设定值对5路数字量开关信号控制电路进行置位，给出数字量开关信号动作指令。
本发明的优点在于：所述一体的共接口复合压力传感器测量同一环境压力，能够满足要求测量多个压力范围及复合型的既有压力模拟信号输出、同时又拥有机械量开关信号输出及多路数字量开关信号输出，数字量开关信号与电源同步建立上电状态，可达到高精度的测试要求，可实现数字量开关信号和机械量开关信号精确控制。本发明结构特点之一就是设置高分子塞，与大气相通，保证了该产品可在密闭腔体内使用。为该结构设计的电路提供了高精度的压力测量和高精度的开关控制信号的产品和技术、操作方便、集成度高,完全适用于大压力范围的特殊环境的压力信号测量与控制。
附图说明
图1是本发明压力传感器整体结构示意图；
图2a是压力传感器零件的压力接口剖视图；
图2b是压力传感器零件的压力接口俯视图；
图3a是引线基座的剖视图；
图3b是引线基座的俯视图；
图4是电路盒内的电路原理框图；
图5-1是小量程传感器信号转换电路原理图；
图5-2是大量程传感器信号转换电路原理图；
图5-3是数字量开关信号控制电路原理图；
图6是主程序设计流程框图。
具体实施方式
本发明的数字式大过载比的共接口复合压力传感器，结合图1-3说明传感器的结构：压力接口1、外环7及引线基座10构成传感器整体，见附图1，其特征在于1：电子式压力传感器2Ⅰ、2Ⅱ对称平行设置、用电子束方式焊接在压力接口1内形成一体，支承块3圆心孔与压力接口1圆心管周焊接在一起，见附图2a、2b，压力接口1圆心突出外端为引压口，圆心突出内端为机械式压力开关引压口，压力接口1环槽状外周的内外台以及内端引压口均为焊口。机械式压力开关的膜片基座5下缘与支承块3外圈焊接一起，引线板9由绝缘垫8绝缘固定在开关膜片基座5上缘。外环7下缘与压力接口1环槽焊接在一起，将机械开关罩起形成同一压力源腔体；引线基座10焊接在外环7上缘，连接器12及高分子塞11固定在引线基座10上，见附图3a、3b，电信号通过引信号线口的连接器12引到信号电路盒。将高分子塞11插入引线基座10内，保持共用压力接口的电子和机械式压力开关传感器容腔内与外部通气。圆柱形状的高分子塞11在通常情况下，保证两端的通气。
其特征2：压力信号通过压力接口1外端引压口引入，将压力引上来，使电子式压力传感器2Ⅰ、2Ⅱ和机械式压力开关感受同一腔体的压力源信号变化量。电子式压力传感器2Ⅰ、2Ⅱ在激励电源下，将压力源信号变化量转化成相应的输岀电子信号。两个电子信号和机械式压力开关信号集中引入到引线板9，再通过连接器12传输，见附图3a、3b。
其特征3：机械式压力开关的膜片基座5位于机械式压力开关膜片4和开关触点6之间，当压力超过机械式压力开关极限40倍时，感受压力的机械式压力开关膜片4与膜片基座5贴合，以保护开关触点6不受损。
本发明的这种数字式大过载比的共接口复合压力传感器，包括两路压力传感器、电源电路、两路压力传感器的信号转换电路、5路数字量开关信号控制电路、中央微处理器电路、串行通信电路,其特征在于所述电源电路任务是给各电路提供所需的电源电压VC1、VC2、VC3电源。机械量开关信号的电信号导线通过连接器P3、P4引到电路盒的输出端。所述传感器信号转换电路任务是给传感器提供1mA供电，将压力信号转换为约0～60mV的微电信号，放大电路形成模拟信号处理单元，将mV级电信号处理成输出0.5V～4.5V的模拟信号。
电路盒电路见图4，电路盒内有中央微处理器电路，分别连接串行通信电路、通过ADC-A连接小量程压力传感器的信号转换电路、通过ADC-B连接大量程压力传感器的信号转换电路、连通5路数字量开关信号控制电路、电源电路。机械量开关信号P3和P4经过电路盒直接发送给设备系统中进行控制。
图5-1，A1A、A1B、A1C、A1D是四运放A1的4个运放单元，四运放A1的电源端第4脚与电源电路的输出端VC1相连，A2A、A2B是四运放A2的2个运放单元，四运放A2的电源端第4脚与电源电路的输出端VC2相连，四运放A1和A2电源地端第11脚与电源电路的地端相连，小量程传感器的电信号导线通过连接器AP1引到小量程传感器信号转换电路，传感器输入正端AI+和输入负端AI-通过连接器AP1的第1端和第2端连接到1mA恒流电路，在恒流电路中，电阻AR1分别与稳压管ADz、电阻AR2的一端相连，电阻AR1的另一端与电源电路的输出端VC1相连，电阻AR2的另一端与四运放A1正输入端第3脚相连，稳压管ADz的另一端与电阻AR3的一端和电源地端相连，电阻AR3的另一端与四运放A1负输入端第2脚和传感器输入负端AI-相连，四运放A1输出端第1脚和传感器输入正端AI+相连，实现传感器1mA供电；传感器输出正端AO+和输出负端AO-连接到第一级放大电路，在放大电路中，电阻AR4和电阻AR5一端分别与传感器输出正端AO+和输出负端AO-相连，电阻AR4和电阻AR5的另一端分别与四运放A1正输入第10脚和第12脚相连，四运放A1负输入端第9脚和第13脚分别与电阻AR16、电阻AR6和电阻AR7相连，实现第一级放大；在第二级放大电路中，电阻AR8和电阻AR9的一端分别与第一级放大电路四运放A1输出端第8脚和第14脚分别相连，电阻AR8的另一端与电阻AR10一端、电阻AR12一端和四运放A1输入正端第5脚相连，电阻AR9的另一端与电阻AR11一端、电阻AR13一端和四运放A1输入负端第6脚相连，电阻AR13另一端与四运放A1输出端第7脚相连，电阻AR12的一端和电源地端相连，电阻AR10的另一端和电阻AR14、电阻AR2、电阻AR1、稳压管ADz一端相连，电阻AR11的另一端和电阻AR14、电阻AR15一端相连，电阻AR15的另一端和电源地端相连，实现第二级放大和调零；在第三级放大电路中，电阻AR17和电阻AR20的一端分别与第二级放大电路A1输出端第7脚相连，电阻AR17和电阻AR20的另一端分别与四运放A2输入正端第脚5和第3脚相连，四运放A2输入负端第脚6与电阻AR19、电阻AR18一端相连，四运放A2输入负端第2脚与电阻AR22、电阻AR21一端相连，电阻AR19和电阻AR22的另一端与电源地端相连，电阻AR18的另一端与四运放A2输出端第7脚和模拟信号A输出端P10相连，电阻AR21的另一端与四运放A2输出端第1脚和电阻AR23一端相连，电阻AR23另一端与微处理器U1模拟信号ADC-A输入端相连，实现第三级放大和两个模拟信号A和ADC-A输出。
传感器信号转换电路设计思想为：见图5-2，大量程传感器信号转换电路和小量程传感器信号转换电路的电路结构和连接关系相同；第一级和第二级放大电路的电源电压VC1与第三级放大电路的电源电压VC2不同；小量程传感器信号转换电路的第一级和第三级放大倍数与大量程传感器信号转换电路的第一级和第三级放大倍数不同。
第一级和第二级放大电路的电源电压VC1取值应满足条件：大于等于稳压管ADz的稳压值、传感器桥路输入端电压和1.2V三者之和，见式-1，设计电源电压VC1的取值范围在12V～13V。
VC1≥VDZ+I.RP+1.2……………式-1
其中：VDZ为稳压管ADz的稳压值，
I为恒流电路给传感器供电的电流，
RP为在全温区-40℃～85℃工作范围内的传感器桥路输入电阻；
第一级和第二级放大电路的电源电压VC1与第三级放大电路的电源电压VC2不同，设计区别在于：电源电压VC2取值应满足条件：即要大于模拟信号0.5V～4.5V输出和1.2V两者之和，又要保证小量程传感器在过载6倍时，模拟信号ADC-A输出小于微处理器模拟电源AVCC电压5V和0.5V两者之和，设计VC2的取值范围在5.7V～6.7V。
小量程传感器信号转换电路的第一级和第二级放大倍数之积的取值应满足条件：在全温区-40℃～85℃工作范围内，小量程传感器在过载6倍时，运放四运放A1输出端7输出端的信号小于VC2和0.5V两者之差。
小量程传感器信号转换电路的第一级、第二级和第三级放大倍数之积的取值应满足条件：在全温区-40℃～85℃工作范围内，小量程传感器在感受量程上限压力时，模拟信号A和模拟信号ADC-A等于4.5V。
大量程传感器信号转换电路的第一级和第二级放大倍数之积的取值应满足条件：在全温区-40℃～85℃工作范围内，大量程传感器在感受量程上限压力时，运放四运放B1输出端7输出端的信号小于VC2和0.5V两者之差。
大量程传感器信号转换电路的第一级、第二级和第三级放大倍数之积的取值应满足条件：在全温区-40℃～85℃工作范围内，大量程传感器在感受量程上限压力时，模拟信号B和模拟信号ADC-B等于4.5V。
5路数字量开关信号控制电路任务是对5路数字量开关信号上电状态和运行状态的设置，见图5-3，U4是6路反向器，脚1Y、脚2Y、脚3Y、脚4Y、脚5Y、脚6Y分别是脚1A、脚2A、脚3A、脚4A、脚5A、脚6A的反向输出端,电源电路VC3输出端与电阻R3、R4、R5、R6、R7的一端相连，电阻R3的另一端与微处理器U1的第35端和反向器U4的第1端相连，电阻R4的另一端与微处理器U1的第36端和反向器U4的第5端相连，电阻R5的另一端与微处理器U1的第37端和反向器U4的第9端相连，R6的另一端与微处理器U1的第38端和反向器U4的第11端相连，电阻R7的另一端与微处理器U1的第39端和反向器U4的第13端相连，反向器U4的第4、6、8、10、12端分别与数字量开关信号第1～5路的接口P5～P9相连，反向器U4的第2端和第3端相连，反向器U4的第7端与电源地相连，反向器U4的第14端与电源电路的输出端VC3相连。数字量开关信号1与微处理器U1的第35端控制信号反向，数字量开关信号第2、3、4、5路与微处理器U1的第36、37、38、39端控制信号同向。设计思想是：在开机上电前60ms主程序初始化时间段内，准确给出正确状态的数字量开关信号，用电阻R3～R7给反向器U4提供高电平输入信号，实现数字量开关信号第1路为高电平状态，数字量开关信号第2、3、4、5路均为低电平状态，保证数字量开关信号与电源同步建立正确状态；当主程序进入工作状态后，由微处理器对数字量开关信号的状态进行控制，5路数字量开关信号控制电路将主程序对数字量开关信号的状态设置只起（同向或反向）传递作用，满足5路数字量开关信号运行状态的要求。
中央微处理器是AD转换单元、计算单元和控制单元，中央微处理器运行的主程序任务是采集传感器信号，将采集传感器信号转换电路输出的模拟信号，并进行数字滤波、计算，判断出当前被测压力是上升状态、还是下降状态，根据5路数字量开关信号的动作设定值对5路数字量开关信号控制电路进行置位，给出数字量开关信号动作指令；数字量开关信号控制电路完成对5路数字量开关信号在上电状态和运行状态的设置和控制。
见图6，上电后，第1步执行“CPU初始化”子程序。第2步执行“读取EEPROM设定值”子程序，读取5路数字量开关信号的动作设定值。第3步执行“判断航行状态”子程序。若航行状态为1，执行“浅水航行状态设定值数据转换”子程序；若航行状态为0，执行“深水航行状态设定值数据转换”子程序。第4步执行“A、B路数据采集”子程序。第5步执行“控制数字量开关信号的初始状态输出”子程序。第6步执行“航行状态”子程序。若航行状态为1，第7步执行“A路数据采集、数字滤波”子程序。第8步执行“由A路数据判断上升过程”子程序，若为1，当前是上升过程，设置上升过程标志=1和下降过程标志=0；若为0，原标志位不变。第9步执行“由A路数据判断下升过程”子程序，若为1，当前是下降过程，设置上升过程标志=0和下降过程标志=1；若为0，原标志位不变。第10步执行“控制数字量开关信号输出”子程序。若航行状态为0，第7步执行“A、B路数据采集、数字滤波”子程序。第8步执行“由A、B路数据判断上升过程”子程序，若为1，当前是上升过程，设置上升过程标志=1和下升过程标志=0；若为0，原标志位不变。第9步执行“由A、B路数据判断下降过程”子程序，若为1，当前是下降过程，设置上升过程标志=0和下降过程标志=1；若为0，原标志位不变。第10步执行“控制数字量开关信号输出”子程序。返回第6步“航行状态”子程序，以此循环。
Claims (9)
1.一种数字式大过载比的共接口复合压力传感器，包括信号转换电路、串行通信电路、数字量开关信号控制电路和共接口的两路压力传感器及机械量压力开关，其特征在于传感器结构：设计小量程和大量程压力传感器对称焊接在压力接口同一平面内，其上由支承块与压力接口中心及周边槽缘焊接，机械量开关通过压力接口上的支承块安装在两只传感器上方，外环两端与压力接口和引线基座焊接，将机械量开关组块罩起，引线基座上部固定连接器，构成共接口的具有大过载比的两路压力传感器及机械量压力开关一体式复合压力传感器，各个压力传感器的电信号导线通过连接器引到电路盒；电路盒内有两路压力传感器的信号转换电路与中央微处理器电路、电源电路连接，连接数字量开关信号的5路数字量开关信号控制电路、串行通信电路也与中央微处理器电路相连。
2.根据权利要求1所述的数字式大过载比的共接口复合压力传感器，其特征在于支承块(3)圆心孔与压力接口(1)圆心管周焊接一起，压力接口(1)圆心突出外端为引压口，圆心突出内端为压力开关引压口，压力接口(1)环槽状外周的内外台以及内端引压口均为与焊口，膜片基座(5)内壁置机械式压力开关膜片(4)、开关触点(6)，管状的膜片基座(5)下缘与支承块(3)外圈焊接一起，引线板(9)由绝缘垫(8)绝缘固定在膜片基座(5)上缘；外环(7)下缘与压力接口(1)环槽焊接一起，将机械开关罩起形成同一压力源腔体。
3.根据权利要求1所述的数字式大过载比的共接口复合压力传感器，其特征在于引线基座(10)焊接在外环(7)上缘，连接器(12)及高分子塞(11)固定在引线基座(10)上，电信号通过引信号线口的连接器(12)引到信号处理盒；将高分子塞(11)插入引线基座(10)内，保持共用压力接口的电子和机械式压力开关传感器容腔内与外部通气。
4.根据权利要求1所述的数字式大过载比的共接口复合压力传感器，其特征在于机械式压力开关的膜片基座(5)位于开关膜片(4)和开关触点(6)之间，当压力超过机械式压力开关极限40倍时，感受压力的开关膜片(4)与膜片基座(5)贴合，以保护开关触点(6)不受损。
5.根据权利要求1所述的数字式大过载比的共接口复合压力传感器，其特征在于两路压力传感器的信号转换电路的电源电压设计和放大倍数设计，传感器信号转换电路给传感器提供1mA供电，将压力信号转换为约0～60mV的信号，再放大成0.5～4.5V的信号；大量程传感器信号转换电路和小量程传感器信号转换电路的电路结构和连接关系相同；第一级和第二级放大电路的电源电压(VC1)与第三级放大电路的电源电压(VC2)不同；小量程传感器信号转换电路的第一级和第三级放大倍数与大量程传感器信号转换电路的第一级和第三级放大倍数不同。
6.根据权利要求5所述的数字式大过载比的共接口复合压力传感器，其特征在于第一级和第二级放大电路的电源电压(VC1)与第三级放大电路的电源电压(VC2)不同，设计区别在于：第一级和第二级放大电路的电源电压(VC1)取值应满足条件：大于等于稳压管(ADz)稳压值、传感器桥路输入端电压和1.2V三者之和，设计第一级和第二级放大电路的电源电压(VC1)的取值范围在12V～13V；第三级放大电路的电源电压(VC2)取值应满足条件：即要大于模拟信号0.5V～4.5V输出和1.2V两者之和，又要保证小量程传感器在过载6倍时，模拟信号(ADC-A)输出小于微处理器模拟电源(AVCC)电压5V和0.5V两者之和，设计第三级放大电路的电源电压(VC2)的取值范围在5.7V～6.7V。
7.根据权利要求5所述的数字式大过载比的共接口复合压力传感器，其特征在于小量程传感器信号转换电路的第一级和第二级放大倍数之积的取值应满足条件：在全温区-40℃～85℃工作范围内，小量程传感器在过载6倍时，四运放(A1)输出端的信号小于VC2和0.5V两者之差；小量程传感器信号转换电路的第一级、第二级和第三级放大倍数之积的取值应满足条件：在全温区-40℃～85℃工作范围内，小量程传感器在感受量程上限压力时，模拟信号A和模拟信号(ADC-A)等于4.5V。
8.根据权利要求5所述的数字式大过载比的共接口复合压力传感器，其特征在于大量程传感器信号转换电路的第一级和第二级放大倍数之积的取值应满足条件：在全温区-40℃～85℃工作范围内，大量程传感器在感受量程上限压力时，四运放B1输出端的信号小于VC2和0.5V两者之差；大量程传感器信号转换电路的第一级、第二级和第三级放大倍数之积的取值应满足条件：在全温区-40℃～85℃工作范围内，大量程传感器信号转换电路的第一级、第二级和第三级放大倍数之积的取值应满足条件：在全温区-40℃～85℃工作范围内，大量程传感器在感受量程上限压力时，模拟信号(B)和模拟信号(ADC-B)等于4.5V。
9.根据权利要求1所述的数字式大过载比的共接口复合压力传感器，其特征在于数字量开关信号控制电路是对5路数字量开关信号上电状态和运行状态的设置，在开机上电前60ms时间段内主程序初始化过程，用上拉电阻给反向器(U4)提供高电平信号，实现数字量开关信号第1路为高电平状态，数字量开关信号第2、3、4、5路均为低电平状态，保证数字量开关信号与电源同步建立正确状态；当主程序进入工作状态后，由微处理器对数字量开关信号的状态只进行同向或反向的传递控制，满足5路数字量开关信号运行状态的要求。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: Hi Tech Hunnan High-tech Industrial Zone 110179 Shenyang Road, Liaoning province No. 23 Applicant after: Shenyang Academy of Instrumentation Science Co., Ltd. Address before: Hi Tech Hunnan High-tech Industrial Zone 110179 Shenyang Road, Liaoning province No. 23 Applicant before: Shenyang Instrument Scientific Academy |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: APPLICANT; FROM: SHENYANG INSTRUMENT SCIENTIFIC ACADEMY TO: SHENYANG ACADEMY OF INSTRUMENTATION SCIENCE CO., LTD. |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |