CN103314301A

CN103314301A - 板上用户触发自动归零的直流响应传感器

Info

Publication number: CN103314301A
Application number: CN2011800631906A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·F·康诺利; 钟明
Original assignee: Measurement Specialties Inc
Current assignee: Measurement Specialties Inc
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2031-10-28
Also published as: CN103314301B; US20120105054A1; WO2012058572A1; US8823364B2

Abstract

本发明提供一种加速计，该加速计包括电源电路，检测电路和补偿电路。该补偿电路用于测量来自该电源电路的参考电压和来自该检测电路的输出电压间的偏移电压，并存储零加速状态下的偏移电压，并输出存储的偏移电压以改变检测电路的输出电压。

Description

板上用户触发自动归零的直流响应传感器

相关申请

本申请要求优先权的美国专利号为：12/914,550，名称为：用户触发自动归零的主板直流响应传感器，申请日期为2010年10月28日，其中，全部内容因此引用到本文之中。

技术领域

本发明一般涉及传感器，尤其涉及具有漂移补偿电路的加速计。

背景技术

电子设备通常利用压电的，压阻的和电容性的元件去测量机械变化中的动态变化量，例如加速，振动，冲击和机械震动。通过将机械运动转换成电信号的方式实现这样的测量。这些设备广泛的应用于各种应用，包括但并不限于工程，机器监测，生物学研究，导航，医疗应用，交通运输，运动输入，方向感测和图像稳定。

一类这样的电子装置是加速计，通过生成或改变作用在所述加速计上的物理加速力的电压比例，所述加速计能够测量加速度。压电加速计可操作转换机械力，例如，将通过震动质量块作用于压电晶体上的力转换为电信号。压阻加速计使用压阻传感器元件代替压电晶体。当有力作用在震动质量块上时，压阻式应变计感应的应力引起电阻变化，从而改变通过传感器元件的应变计提供的电压。不同于压电加速计，压阻加速计测量加速度值降低到零赫兹（即静态条件）。

正确校准时，这些设备能够产生精确的测量，但设备基准电压输出（例如零加速）受制于漂移。漂移可能是温度和/或环境的变化，元件加入，以及随着时间推移松弛的封装应力的结果。例如，典型的加速计输出的输出偏置可能产生偏移，例如，其漂移的结果是整个范围的几个百分点，从而降低了设备生命周期内的设备的测量精度。

为了弥补这些误差，制造商通常采用热处理技术，试图在最终设备标准化前解决这些异常。这些技术包括延长设备的老化期和热循环。然而，这些技术不能完全解决问题。因此，用户最终或者必须接受这些测量的不确定性，或者使用独立的仪器，例如，自动归零信号调节器以定期进行零点校正。

其它的解决方案包括为了手动调整漂移而实施的将机械电位器集成到设备电路中。然而，基于电位器的解决方案往往会非常耗时并且精确度有限。其它设备还采用基于ADC-MCU-DAC结构的自动归零算法（其中，ADC是模数转换器，DAC数模转换器，MCU是微控制器单元），然而，这些算法可能会引入数字噪音且增加成本。

因此，需要提供改进的偏移电压校正系统和方法。

发明内容

在本发明的实施例中，提供了基于传感器的装置，例如，压阻加速计。所述加速计包括用于提供参考电压的电源电路，用于产生与作用于设备的加速力成比例的输出电压的检测电路。补偿电路可操作与检测电路和电源电路连接，所述补偿电路用于调节零加速度输出电压以匹配参考电压。

在本发明的另一个实施例中，提供了一种基于传感器设备的偏移电压校正方法。所述方法包括以下步骤：产生固定的参考电压，生成与作用于设备上的加速力成比例的输出电压，在零加速度状态下，测量所述参考电压和所述输出电压之间的偏移电压，存储所述偏移电压，微调所述输出电压以及所述存储的偏移电压，以获取所述参考电压和所述输出电压之间的零偏移电压。

附图说明

图1是未校正的压阻加速计的电路图。

图2是本发明实施例提供的具有自动补偿电路的压阻加速计的电路图。

图3本发明自动补偿电路的实施例使用的示例性电压参考模块的方框图。

具体实施方式

应当理解的是，本发明的附图和描述仅仅是为了清楚的理解本发明中所说明的元素。为清楚起见，在典型的基于传感器的传感器中可以发现许多其他的元件。在本领域中，这样的元件是公知的，而它们不利于更好地理解本发明，因此，关于这些元素的讨论并未在本发明提及。这里公开的所有这些变化和修改对本技术领域技术人员是公知的。

在下面的详细描述中，通过本发明可实施的说明和实施例，对参考附图中的相应附图进行了说明。但是应当理解的是，本发明的各个实施例虽然不同，但并不一定是相互排斥的。此外，本实施例所描述的特定特征，结构，或特性可以结合其它的实施例实现，而没有脱离本发明的范围。此外，应当理解的是，每一个公开的实施例中的单个元件的位置或结构可能会被修改，而不脱离本发明范围。因此，以下对本发明的详细描述并不是为了限制本发明，本发明的范围仅由所附权利要求以及权利要求的等同的完整范围适当的解释。在附图中，相同的标号是指存在于不同的图中的相同或类似的功能。

图1描述了示例性的加速计10的操作，该加速计10可用于本发明实施例中。该加速计10包括电源电路11，配置该电源电路11以在该加速计的第一输出端22提供恒定的参考电压V_ref。检测电路21，用于输出电压，该输出电压对应于作用于该加速计的第二输出端32的加速力。该示例性的加速计10是一个差值测量装置，即这些电压之间的差表示（例如，比例量）测得的加速度。在零加速度时，从电源电路11和检测电路21输出的电压应当是相等的，且第一和第二端22和32之间的电压差为的零伏（0V）。

仍然参照图1，该示例性的电源电路11包括输入端12，其中，未校准的直流输入电压提供给电路11。二极管14可被布置在输入端12和电压调节器16之间，并被配置以提供反向极性保护。输入电压提供给电压调节器16，以向电源电路11的下游元件以及检测电路21输出恒定电压（例如5V）。由电阻R11和R12组成的电压分压器18被耦合到电压调节器16的输出，以使节点A处的输出电压下降到预先设定的参考电压V_ref（例如2.5V）。该节点A处的参考V_ref被施加到缓冲放大器20的非反相端。这将确保向第一输出端22提供恒定的参考电压（例如2.5V）。

该检测电路21用于产生输出电压V_out以表示作用于加速计10的加速力。该检测电路21通常包括供电电压V_cc，在该示例性实施例中，该供电电压V_cc由电源电路11的电压调节器16的5V输出提供。该供电电压可以通过热校正电路28供给，所述热校正电路28包括晶体管Q1和电阻R1和R2。该热校正电路被配置为通过调整电压以补偿任何对温度变化敏感的装置。

该温度校正供电电压向该压阻传感器结构供电。正如上面所述，该压阻加速计使用压阻传感器器件代替传统的压电晶体。因施加力导致的应变计电阻的变化通过该传感器元件提供的电压反应。在该示例性实施例中，该压阻结构包括惠斯登电桥24，该惠斯登电桥24具有四个压阻元件，两个增加电阻，其加速力作用于加速计10，和两个减小电阻。因此，电桥24任何一侧的电压输向相反方向移动以响应给定加速。总的零误差校正可以由包括电阻器R5和R6的电阻排列26提供。

该电桥24的标记为节点2,3的每一侧被连接到一个仪表放大器29的反相端和非反相端。该放大器29可增加电桥24的输出增益。在该典型的实施例中，该放大器29具有提高精度的可编程的增益，控制和校准能力的特征。该放大器29的输出被提供给过滤结构，该两个极点巴特沃斯滤波器30包括电容C3和C4，电阻R7，R8和R13，以及放大器33，用于调节提供给第二输出端32的输出电压。

如上所述，在零加速条件下，由检测电路21提供给第二输出端32的理想电压应为：V_out=2.5V。同样，在第一输出端22提供参考电压V_ref应为V_ref=2.5V。因此，在第二输出端32和第一输出端22之间的电压差是零，表示零加速度。当加速力作用在加速计10上，且压阻桥臂的电阻被改变时，根据加速度的方向，电桥24的节点2,3各自的电压输出被升高或降低。相反，改变提供给第二输出端32的输出电压，相对于提供给第一输出端22的参考电压V_ref创建可测量的差。这个差与作用于加速计10上的加速力成比例。

如上所述，例如，由于长期的热效应对电路的内部电阻的影响，检测电路21经常发生电压漂移。以在零加速度时为例，由于这些变化，提供给第二输出端32的输出电压可能会高于或低于2.5V的目标参考电平。这个偏移电压也影响在加速过程中事件的输出端22,32之间的电压差，从而降低了该装置的精度。

在本发明的实施例中，通过在图1的电源电路11和检测电路21之间设置校正电路或补偿电路实现漂移校正。图2中示出了这种结构。加速计100包括：与上述图1描述类似的布局和功能。具体而言，该电源电路111包括输入端112，该输入端112用于通过二极管114和电压调节器116进行供电。电压调节器116的输出可以提供到一个分压器118，以供给缓冲放大器120以及第一输出端122，该第一输出端122具有恒定的参考电压V_ref，例如，2.5V。电压调节器116的输出也被提供给补偿电路131以及检测电路121的元件。

同样，该加速计100的检测电路121的操作与上述图1的描述大致相同。该检测电路121包括：惠斯登电桥124形式的压阻结构，以提供与作用于加速计100的加速力成比例的可变的输出电压。放大器129增加电桥124的输出增益，该增益随后通过巴特沃斯滤波器130进行滤波，并提供给第二输出端132，该巴特沃斯滤波器130包括放大器133。如上所述，该第一输出端122和第二输出端132之间的电压差与加速计100的测量加速度成比例。

由补偿电路131提供漂移校正。该补偿电路131用于改变提供给放大器133的反相端的电压，以补偿检测电路121内的电压漂移。该补偿电路131操作如下。

该电源电路111所产生参考电压V_ref，以提供给补偿电路131的运算放大器136的非反相端。同样，放大器136的反相端连接到检测电路121的放大器133的输出端。因此，放大器136的输出等于参考电压（2.5V）和检测电路121输出之间的差。因此，放大器136提供模拟偏置计算功能。例如，在理想零加速度条件下，从放大器133输出的参考电压和输出电压是相等的（2.5V），并放大器136将输出无偏置电压。然而，任何检测电路121内的电压偏移量（漂移）将由较高或较低的电压输出反应，其中，从放大器133到放大器136反相端提供该较高或较低的电压输出。

放大器136的输出等于检测电路121的偏移电压。参照图2和图3，这个偏移电压作为输入电压V_in被反馈到电压参考模块138的输入管脚3。参考模块138用于保留该偏移电压值。具体而言，当该模块138的管脚1通过开关134被拉为低（例如接地）时，ADC/控制模块150被配置存储存储器152中的偏移电压，例如，ROM或EEPROM中。以这种方式，当用户按下开关134，提供到管脚3的偏移电压被存储并保留在存储器152中。一旦设定，该偏移电压值通过DAC154续地输出，并输出到模块138的管脚4，直到再次按下开关134，新的值被存储。

从管脚4持续供应的偏移电压可以被连接到电压延迟器142，以避免模拟偏置计算过程中产生错误，该电压延迟器142它包括用于延迟偏移电压的电阻R14和电容C1。该延时偏至电压然后被提供给放大器140的非反相端。放大器140输出等于该偏移电压的校正信号给放大器133的反相端。该校正信号微调提供给第二输出端132的输出电压，以校正漂移。

如上文所述，该电压参考模块138保持由使用者按下开关134时的偏移电压值。以这种方式，根据该存储的偏置值的输出电压微调将无限期地继续下去，不管加速计100的测量加速度。在整个操作范围内，偏移电压将被微调或添加到检测电路121的输出电压。新的偏移电压只通过随后的控制信号施加给补偿电路方式去设置，例如，通过触发开关134。

此处所描述的嵌入式结构提供了快速和简单的换能器偏移电压校正，而不需要额外的设备，不精确和耗时的手动校准，或其它设备和操作相关的高额成本。

前面描述本发明的实施例利用，例如，通过开关的触发提供给补偿电路的控制信号，但是在其它实施例中可以实施替代结构以设置和存储该偏移电压是进一步的可预见的。例如，自动控制器可被配置来代替上述开关设计，或与上述开关设计平行。该控制器适合于提供控制信号，用于由补偿电路设置和存储偏移电压。该控制信号可以是评估电路的输出，该评估电路随着时间比较第一输出端和第二输出端的输出，以便做出该装置是否处于静止状态（即零加速）的判定。例如，对应特定的应用程序，预定的时间周期，该评估电路可比较在第一和第二输出端的输出电压。如果超过预定的时间周期（表示该设备处于零加速度状态）的第一和第二输出端之间的电压差保持恒定，该控制器可以向补偿电路输出控制信号，以设置和存储偏移电压。

前面描述本发明的实施例中使用示例性的压阻加速计，本发明另外的实施例可以被实施成多个其它类型的基于传感器的设备是可以预见的，包括基于压电或应变计的加速计，而不脱离本发明的范围。

前面的描述示例性实施例和实施方式，对于本领域技术人员，可以不脱离本发明的精神和范围的情况下，本发明的各种修改和变化将是显而易见的。

Claims

1.一种基于传感器的测量设备，包括：

电源电路，用于向所述设备的第一输出端提供参考电压；

检测电路，用于向所述设备的第二输出端提供输出电压，所述输出电压表示作用于所述设备上的加速力；

补偿电路，用于与所述电源电路和检测电路连接，配置所述补偿电路以测量和存储所述参考电压和输出电压间的偏移电压，并持续向所述检测电路输出所述存储的偏移电压，以提供代表零偏移条件的可调节的输出电压。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述补偿电路进一步包括：

电压参考模块，用于存储并持续输出所述偏移电压。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，当所述电压参考模块接收到控制信号时，存储所述偏移电压。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述控制信号通过触发设置在所述设备上的开关生成。

5.如权利要求3所述的设备，所述设备进一步包括处理器，用于当确定所述设备处于零加速状态时，生成控制信号。

6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述补偿电路进一步包括：

与输出电压和参考电压耦合的运算放大器，所述运算放大器被配置用于输出在所述参考电压和输出电压之间测量的偏移电压。

7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述检测电路包括：

响应检测电路的输出电压和偏移电压的第二运算放大器，所述第二运算放大器被配置改变提供给第二输出端的输出电压。

8.如权利要求1的设备，其特征在于，所述检测电路包括至少一个压阻元件，压电元件或者应变计元件，这些元件被配置用于改变检测电路的输出电压，所述输出电压表示作用于所述设备上的加速力。

9.如权利要求8的设备，其特征在于，所述检测电路包括设置于所述设置于惠斯登电桥中的多个压阻元件。

10.一种校正基于传感器的测量设备的校正偏移电压的方法，所述方法包括：

生成参考电压；

生成表示作用与所述设备的加速力的输出电压；

测量所述参考电压和输出电压间的偏移电压；

调节具有测量的偏移电压的输出电压，以获得在零加速状态下所述参考电压和输出电压间的零偏移电压。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

存储所述测量的偏移电压，以响应控制信号。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，当所述设备处于零加速状态时，生成所述控制信号。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

持续输出存储的偏移电压以调节输出电压。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，响应设置在所述设备上的开关的触发，生成所述控制信号。

15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述控制信号通过一个处理器自动生成。