CN105181052A - 一种热式流量传感器电路及信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体传感器技术领域，特别涉及一种热式流量传感器电路，包括：热电阻、与热电阻连接的时间延迟线、与时间延迟线连接的脉冲信号发生器、与脉冲信号发生器连接的环形振荡器、与环形振荡器连接的计数器以及与计数器连接的寄存器；其中所述时间延迟线有两条，分别连接在热电阻两端；所述脉冲信号发生器与两条时间延迟线分别连接。本发明通过将热电阻与时间延迟线相连，将模拟信号转换为时间信号，避免了利用放大器放大模拟信号的非线性区域，同时加入了温度抵消偏置电路，减小传感器工作时受到热空气影响。本发明采用开关式环形振荡器，只在接收到脉冲信号时工作，可以大幅度的减小额外的功耗，同时还能延长使用寿命，降低了成本。

Description

一种热式流量传感器电路及信号处理方法

技术领域

本发明涉及气体传感器技术领域，特别涉及一种热式流量传感器电路及信号处理方法。

背景技术

热流量传感器指的是任何测量传感器本体与传感器位于其中的流体介质之间的热交换的传感器。这些热流量传感器例如是气体传感器或压力传感器。热式气体传感器用于使用气体的热传导的变化进行气体分析，利用暴露在气体中的发热体的散热量测量气体的热传导的变化。

热式气体传感器在各种技术领域中得到使用，在汽车用的内燃机等中，为了实现低油耗，需要高精度地测量吸入空气的流量、温度、压力和湿度等环境状态。另外，上述传感器还用于在以氢气作为燃料的汽车用的内燃机中通过检测氢气浓度使内燃机以最佳方式运行。

目前主要的传感器参数都是通过对传感器的输出信号进行放大，然后通过模拟数字转换器输出来实现的。由于运算放大器的线性工作区域极其有限，往往需要添加线性校准电路来提高输出信号的线性度。通常模拟数字转换器设计可以得到相应的数字信号输出，但模拟数字转换器设计相对复杂。

发明内容

基于上述情况，有必要提供了一种热式流量传感器电路及信号处理方法。

一种热式流量传感器电路，所述热式流量传感器电路包括：热电阻、与热电阻连接的时间延迟线、与时间延迟线连接的脉冲信号发生器、与脉冲信号发生器连接的环形振荡器、与环形振荡器连接的计数器以及与计数器连接的寄存器；其中所述时间延迟线有两条，分别连接在热电阻两端；所述脉冲信号发生器与两条时间延迟线分别连接。

进一步的，包括一条所述的时间延迟线，该条时间延迟线连接在所述热电阻的一端，所述热电阻的另一端直接与所述脉冲信号发生器连接。

进一步的，所述时间延迟线由多个延迟单元耦接而成，所述延迟单元包括两个反相器和负载电容，所述反相器耦接负载电容。

具体的，所述脉冲信号发生器的输入端还设置有一个异或门电路和与门电路。

作为一种改进，所述环形振荡器还设有一个开关电路，所述开关电路受脉冲信号发生器输出信号激发启动环形振荡器，脉冲信号结束关闭环形振荡器。

具体的，所述开关电路为与非门电路，所述与非门电路代替环形振荡器中的一个反相器，所述与非门电路一个输入作为开关电路，另一个输入与代替的反相器一致。

作为一种改进，还包括温度抵消偏置电路，所述温度抵消偏置电路分别与所述环形振荡器与时间延迟线连接。

一种热式流量传感器信号处理方法，包括如下步骤：

A、采集温度信号，并将温度信号转化为电压信号；

B、将所述电压信号引入时间延迟线，经由时间延迟线产生并输出时间信号；

C、将时间信号引入脉冲发生器，经由脉冲发生器产生并输出脉冲信号；

D、将所述脉冲信号通过环形振荡器转换为频率信号；

E、对所述频率信号进行计数并储存，输出数字信号。

进一步的，所述步骤A和步骤D还包括根据环境温度对输出信号进行补偿。

作为一种改进，所述步骤D中还包括：在没有接收到脉冲信号时，所述环形振荡器不工作；在接收到脉冲信号时，启动环形振荡器工作。

本发明一种热式流量传感器电路，通过将热电阻的两端与时间延迟线相连，将模拟信号转换为时间信号，避免了利用放大器放大模拟信号的非线性区域，同时加入了温度抵消补偿电路，减小传感器工作时受到热空气影响。进一步，本发明采用开关式环形振荡器来代替传统环形振荡器，在电路工作时环形振荡器受到脉冲信号的控制，只在接收到脉冲信号时工作，这样的设计可以大幅度的减小额外的功耗，同时还能延长使用寿命，降低了成本。通过计数器直接计算脉冲信号时的环形振荡器的上升沿个数，将该数据通过寄存器存储输出，既可以获得现对应的数字信号。无需通过模拟数字转换器进行转换，电路设计简单稳定，利于集成和使用。

附图说明

图1为本发明一种热式流量传感器电路的整体电路示意图；

图2为本发明一种热式流量传感器电路的时间延迟线电路示意图；

图3为本发明一种热式流量传感器电路的环形振荡器电路示意图；

图4为本发明一种热式流量传感器电路的温度抵消偏置电路示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种热式流量传感器电路，所述热式流量传感器电路包括：

热电阻，该热电阻用来探测流动空气的温度，该热电阻在没有气体流过的时候，热端与冷端的温差相同，因此两端的电压亦相同。有气体流过的时候，平衡的温度场被破坏，热端与冷端的温差不相同，两者的电压亦不相同，并在电阻两端产生电压差，热端与冷端的温度差参数约为0.012V/K，实际工作过程中温差的范围约为10～50°，因此热端与冷端的电压差约为0.12～0.6V。

还包括时间延迟线，如图2所示，时间延迟线与热电阻相连，所述时间延迟线由多个延迟单元耦接而成，所述延迟单元包括两个反相器和负载MOS电容，所述反相器耦接负载电容。延迟线控制部分采用负载MOS电容，是利用负载MOS电容的电容大小于控制电压的线性区域来提高延迟时间与温度的线性关系。由于时间延迟线的延迟时间取决于电阻两端的输出电压，因此热电阻两端的输出电压会通过控制时间延迟线中的负载MOS电容大小来改变延迟时间，时间延迟线的输出与脉冲信号发生器相连。

在本发明中有两种实施方式，第一种方式为采用两条时间延迟线，分别连接在热电阻的两端，其输入的脉冲时间宽度为T_delay＝T_delay1-T_delay2；第二种方式为采用一条时间延迟线，连接在热电阻的一端，其输出的脉冲宽度为T_delay1。但由于T_delay可以从很小的时间到很大的时间延迟，而T_delay1因为包含了基础延迟时间，这个通常只能取较大值。具体的，在本发明的方案中，热温度假设为从-40度到120度，一条时间延迟线的温度只能是T_delay1(-40℃)到T_delay1(120°C)；而采用两条时间延迟线的设计，可以做到时间延迟从T_delay(-40℃)＝0到T_delay(120℃)。因此采用两条延迟线的话，输出的信号的线性度会好些，因为两条时间延迟线可以对干扰进行互相抵消。而采用一条延迟线有占用电路面积小的优点，方便集成。在本实施例中，优选采用两条时间延迟线。

在传统的热式流量传感器中，通常会将该热电阻两端的电压差值进行放大，然后通过模拟数字转换器转换成数字信号输出。由于不确定热端与冷端的具体电压差指，电压放大器的放大倍数很难控制，放大倍数过大容易饱和，放大倍数过小，不利于提高模数转换的精度。本发明通过将热端与冷端的输出与时间延迟线相连，通过时间延迟线将该电压差信号转换为时间差信号。该过程避免使用了线性度差的电压放大器，通过对负载MOS电容的控制，无需考虑放大倍数，避免了使用电压放大器过程中存在的放大倍数设置的估算，提高了信号转换的线性度。

在本实施例中具体的，两条时间延迟线采用相同的结构，只有负载MOS电容大小不同，除了负载MOS电容外，其他部分无论是结构，还是晶体管的大小都完全一样，由于时间延迟基于晶体管的大小，供电电压，温度，负载电容，内部电容电阻等。因此两条延迟线所处的环境一致，所以供电电压，温度相等，延迟线除了MOS电容不同外，其余结构完全一致，所以由于别的因素造成时间延迟可以相互抵消，时间差完全取决于负载MOS电容的大小。

延迟线的时间延迟由以下式子表示，

$T_{delay}=\frac{{\mathrm{NC}}_{load}{V}_{DD}}{I_{\sin k}}$

T_delay为延迟线的总时间延迟，N为延迟单元的个数，C_load为延迟单位的负载电容，VDD为电源电压，I_sink为流入延迟单元的电流。由热电阻的两个输出端的直接与延迟线中的偏置电压端相连，通过改变负载MOS电容的偏置电压，进而改变负载MOS电容的电容值的大小，由于N、VDD为常数，I_sink为温度抵消补偿偏置电流，根据上述的式子可知，延迟线的总时间延迟与电容大小成正比例线性关系。考虑到负载MOS电容的工作特性，在该设计中使用P型MOS的耗尽区来作为偏置电压的控制区域。

脉冲信号发生器，包括输入端和输出端，如上所述的第一种方式中，所述输入端分别连接两条时间延迟线；在第二种方式中，所述输入端分别连接热电阻的另一端和时间延迟线；所述输出端与环形振荡器连接。其还包括一个异或门和与门，通过逻辑选出两条时间延迟线输出上升沿的时间差，输出脉冲宽度即为该上升沿的时间差。具体的，两条时间延迟线输出的时钟信号上升沿在不同负载电容的作用下产生了时间差，该时间差通过异或门和与门构成的脉冲发生器转换成脉冲信号，脉冲信号的脉冲宽度即为该时间差。

环形振荡器，如图3所示，与普通环形振荡器相比，本发明的环形振荡器还设有一个开关电路，所述开关电路受脉冲信号发生器输出信号激发启动环形振荡器，脉冲信号结束关闭环形振荡器。具体的，所述开关电路为与非门电路，所述与非门电路代替环形振荡器中振荡器第一级的反相器，所述与非门电路一个输入作为开关电路，另一个输入与代替的反相器一致。当控制电压为低电平时，与非门的输出始终维持在高电平，所以环形振荡器停止工作；当控制电压为高电平时，与非门的输出等效于反相器，进而整个环形振荡器的结构与传统环形振荡器一致，环形振荡器在高电平的控制下开始震荡。本发明采用开关式环形振荡器来代替普通环形振荡器，通过开关控制，可以使环形振荡器在脉冲信号结束后关闭，在脉冲信号开始时打开，既不影响整个电路的正常工作，又可以通过关闭环形振荡器来减小功率损耗。例如，当脉冲宽度为T_width时，环形振荡器的工作频率为f时，计数器的输出数字信号D为[T_width*f]，热电阻两端的电压差越大，脉冲宽度越宽，输出数字信号越大。采用环形振荡器的方法可以通过提高计数器的位数，很轻松地提高测量温度的范围，从而可以避免由于工艺或者工作环境造成的饱和区产生的可能。环形振荡器采用开关式的结构，让振荡器只在脉冲高电平时工作，也可以大幅度减小不必要的功耗，为低功耗的设计提供了新的解决方案。

计数器，计算在脉冲信号中的上升沿次数。

寄存器，存储计数器的输出数字信号，通过读取该数字信号可以得到流动空气的温度。

还包括温度抵消偏置电路，所述温度抵消偏置电路分别添加在环形振荡器以及时间延迟线上，在环形振荡器处通过增加一个温度抵消偏置电路来减小流动的热空气对振荡器频率的影响，其输出直接与计数器相连。该设计中的延迟线与开关式环形振荡器均采用该温度抵消偏置电路可以有效的减小热空气对整个电路的影响，提高该读出电路的输出精度。

如图4所示，由于该热式流量传感器的工作环境，空气的温度会改变电路的温度，电路中晶体管随着温度的升高，灵敏度降低，时间延迟增加，环形振荡器的频率下降，虽然两者一个增加，一个减小可以在一定程度上相互抵消，但是由于采用的不同的晶体管的大小，该抵消程度没法充分满足需要，在本发明中单独加入了温度抵消偏置电路来进一步降低空气温度对电路部分的影响。温度抵消偏置电路左右两路采用完全一样大小的P型和N型MOS管，并且对PMOS的偏置电压相同，因此左右两路的电流也相同。并且可以得到方程式

V_GS1＝V_GS2+I_D2R_S

将该式子转换成关于电流的方程式后如下，

$\sqrt{\frac{2I_{out}}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{ox}{(W/L)}_N}}+V_{TH1}=\sqrt{\frac{2I_{out}}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{ox}K{(W/L)}_N}}+V_{TH2}+I_{out1}{R}_S$

忽略体校影后可以得到

$I_{out}=\frac{2}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{ox}{(W/L)}_N}\·\frac{1}{R_S^2}{(1-\frac{1}{\sqrt{K}})}^2$

根据上式可以得到，随着温度的增高，输出电流增大，该电流可以进一步减小温度增高对环形振荡器以及延迟线的影响。

本发明具体实施例还提供一种热式流量传感器信号处理方法，包括如下步骤：

A、采集温度信号，并将温度信号转化为电压信号。

本发明采用热电阻来探测流动空气的温度，该热电阻在没有气体流过的时候，热端与冷端的温差相同，因此两端的电压亦相同。有气体流过的时候，平衡的温度场被破坏，热端与冷端的温差不相同，两者的电压亦不相同，并在电阻两端产生电压差。

B、将所述电压信号引入时间延迟线，经由时间延迟线产生并输出时间信号；并根据环境温度对输出时间信号进行补偿。

本发明所述的时间延迟线由多个延迟单元耦接而成，所述延迟单元包括两个反相器和负载MOS电容，所述反相器耦接负载电容。延迟线控制部分利用负载MOS电容的电容大小于控制电压的线性区域来提高延迟时间与温度的线性关系。由于时间延迟线的延迟时间取决于电阻两端的输出电压，因此热电阻两端的输出电压会通过控制时间延迟线中的负载MOS电容大小来改变延迟时间并且在该步骤中的延迟线具体采用温度抵消偏置电路来有效的减小热空气对整个电路的影响，提高该读出电路的输出精度。

C、将时间信号引入脉冲发生器，经由脉冲发生器产生并输出脉冲信号；脉冲发生器还包括一个异或门和与门，通过逻辑选出两条时间延迟线输出上升沿的时间差，输出脉冲宽度即为该上升沿的时间差。

D、将所述脉冲信号通过环形振荡器转换为频率信号，具体的还可以在没有接收到脉冲信号时，所述环形振荡器不工作；在接收到脉冲信号时，启动环形振荡器工作；进一步还包括根据环境温度对输出频率信号进行补偿。

E、对所述频率信号进行计数并储存，输出数字信号；通过读取该数字信号可以得到流动空气的温度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种热式流量传感器电路，其特征在于，所述热式流量传感器电路包括：热电阻、与热电阻连接的时间延迟线、与时间延迟线连接的脉冲信号发生器、与脉冲信号发生器连接的环形振荡器、与环形振荡器连接的计数器以及与计数器连接的寄存器；其中所述时间延迟线有两条，分别连接在热电阻两端；所述脉冲信号发生器与两条时间延迟线分别连接。

2.如权利要求1所述的热式流量传感器电路，其特征在于，包括一条所述的时间延迟线，该条时间延迟线连接在所述热电阻的一端，所述热电阻的另一端直接与所述脉冲信号发生器连接。

3.如权利要求1-2所述的热式流量传感器电路，其特征在于，所述时间延迟线由多个延迟单元耦接而成，所述延迟单元包括两个反相器和负载电容，所述反相器耦接负载电容。

4.如权利要求3所述的热式流量传感器电路，其特征在于，所述脉冲信号发生器的输入端设置有一个异或门电路和与门电路。

5.如权利要求4所述的热式流量传感器电路，其特征在于，所述环形振荡器还设有一个开关电路，所述开关电路受脉冲信号发生器输出信号激发启动环形振荡器，脉冲信号结束关闭环形振荡器。

6.如权利要求5所述的热式流量传感器电路，其特征在于，所述开关电路为与非门电路，所述与非门电路代替环形振荡器中的一个反相器，所述与非门电路一个输入作为开关电路，另一个输入与代替的反相器一致。

7.如权利要求6所述的热式流量传感器电路，其特征在于，还包括温度抵消偏置电路，所述温度抵消偏置电路分别与所述环形振荡器与时间延迟线连接。

8.一种热式流量传感器信号处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、采集温度信号，并将温度信号转化为电压信号；

B、将所述电压信号引入时间延迟线，经由时间延迟线产生并输出时间信号；

C、将时间信号引入脉冲发生器，经由脉冲发生器产生并输出脉冲信号；

D、将所述脉冲信号通过环形振荡器转换为频率信号；

E、对所述频率信号进行计数并储存，输出数字信号。

9.如权利要求8所述的热式流量传感器信号处理方法，其特征在于，所述步骤A和步骤D中还包括根据环境温度对输出信号进行补偿。

10.如权利要求8所述的热式流量传感器信号处理方法，其特征在于，所述步骤D中还包括：在没有接收到脉冲信号时，所述环形振荡器不工作；在接收到脉冲信号时，启动环形振荡器工作。