CN109990804B - 基于模拟乘法器的传感器电路温漂的自校正电路 - Google Patents

基于模拟乘法器的传感器电路温漂的自校正电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于模拟乘法器的传感器电路温漂的自校正电路，包括：电桥激励电压源、补偿信号获取电路、传感器电路以及模拟运算电路；拟运算电路包括：第一差动放大器、精密电阻、模拟乘法器和模拟减法器；补偿信号获取电路的输出信号再输入至第一差动放大器中；传感器电路的输出信号再输入至模拟乘法器以及模拟减法器中。该自校正电路克服了现有技术中的模拟补偿的方式设计难度大，严重依赖模拟运算电路的精度和稳定性，从而很难实现高精度、高稳定的自校正电路的问题。

Description

基于模拟乘法器的传感器电路温漂的自校正电路
技术领域
本发明涉及传感器的电桥信号解调电路领域，具体地，涉及一种基于模拟乘法器的传感器电路温漂的自校正电路。
背景技术
在许多高精密的测量场合下，要求传感器要具备较高的温度稳定性。传感器的温漂来源很多，其中信号处理电路的温漂会直接影响到测量信号的温度稳定性，并且往往贡献不低。电路的温度稳定性决定了传感器最终能够达到的温度稳定性，许多应用在高精密测量系统的传感器都会设计有相应的电路温度补偿模块。在实际应用当中，传感器电路中不同器件的温度分布是不均匀的，发热较大的器件会导致局部的温度偏高，并且各个器件的温度特性往往不一，温度补偿难度大，目前的补偿方法往往精度不高或者结构复杂。
传感器的信号处理电路的温漂主要包含激励信号源的温漂和解调电路的温漂，并且大部分是比例漂移，前者是信号幅值的温漂，后者则是信号增益上的温漂，传感器的输出信号越大则漂移量也越大。目前比较常用的简单的补偿方式是使用温度计测量传感器电路盒中的空气的温度变化，通过预先对传感器的电路温漂系数进行标定，从而补偿信号的温度漂移。但电路盒中的温度场通常是不均匀的，电路中的器件的温漂特性通常会存在一定的非线性，要精确的标定出电路的温漂系数是困难的。另一种传统的补偿方式是利用正负温度系数电阻来调整电路的温漂，但增加了电路的复杂程度、调整过程繁琐，很难获得与原电路完全相同的温度特性，补偿的效果有限。
按照信号处理形式的不同，补偿方法可以分为数字补偿和模拟补偿。数字补偿依赖高精度的ADC，需要MCU来处理数字信号，在高速测量场合下，对ADC的采样速率和MCU的计算能力要求很高，增加了电路的成本和复杂程度。模拟补偿的方式具备诸多优点但设计难度大，严重依赖模拟运算电路的精度和稳定性。
因此，提供一种通用性强、设计简单、易于实现的高稳定的模拟补偿方法，实现了高精度、高稳定的基于模拟乘法器的传感器电路温漂的自校正电路是本发明亟需解决的问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种通用性强、设计简单、易于实现的高稳定的模拟补偿方法，实现了高精度、高稳定的基于模拟乘法器的传感器电路温漂的自校正电路。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于模拟乘法器的传感器电路温漂的自校正电路，所述自校正电路包括：电桥激励电压源、补偿信号获取电路、传感器电路以及模拟运算电路；其中：所述的模拟运算电路包括：第一差动放大器、精密电阻、模拟乘法器和模拟减法器；所述补偿信号获取电路的输出信号再输入至第一差动放大器中；所述传感器电路的输出信号再输入至模拟乘法器以及模拟减法器中。
优选地，所述补偿信号获取电路包括：纯电阻电桥和电桥信号解调电路。
优选地，所述传感器电路包括：线圈电桥和电桥信号解调电路。
优选地，所述线圈电桥包括：探测线圈、参考线圈以及至少两个精密电阻，所述探测线圈与探测目标进行探测。
优选地，所述补偿信号获取电路上的调节电路与所述传感器电路上的调节电路相同；所述电桥信号解调电路包括：第二差动放大器和相敏检波器。
优选地，所述补偿信号获取电路和所述传感器电路同用一个所述电桥激励电压源。
优选地，所述电桥激励电压源为固定频率、幅值大小不变的正弦电压。
优选地，所述电桥激励电压源接地处理；所述模拟运算电路中的一个精密电阻也接地处理。
根据上述技术方案，本发明提供的基于模拟乘法器的传感器电路温漂的自校正电路通用性强、设计简单、实现了高精度、高稳定的要求。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的一种优选的实施方式中提供的基于模拟乘法器的传感器电路温漂的自校正电路的原理图；
图2是本发明的一种优选的实施方式中提供的基于模拟乘法器的传感器电路温漂的自校正电路上补偿信号获取电路的原理图；
图3是本发明的一种优选的实施方式中提供的基于模拟乘法器的传感器电路温漂的自校正电路上传感器电路的原理图；
图4是本发明的一种优选的实施方式中提供的基于模拟乘法器的传感器电路温漂的自校正电路上模拟运算电路的原理图；
图5是本发明的一种优选的实施方式中提供的基于模拟乘法器的传感器电路温漂的自校正电路上传感器电路温漂补偿前后的结果图。
附图标记说明
1电桥激励电压源 2第二差动放大器
3相敏检波器 4精密电阻
5第一差动放大器 6模拟乘法器
7模拟减法器 8探测线圈
9参考线圈 10探测目标
11纯电阻电桥 12线圈电桥
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1所示，本发明提供了一种基于模拟乘法器的传感器电路温漂的自校正电路，所述自校正电路包括：电桥激励电压源1、补偿信号获取电路、传感器电路以及模拟运算电路；其中：所述的模拟运算电路包括：第一差动放大器5、精密电阻4、模拟乘法器6和模拟减法器7；所述补偿信号获取电路的输出信号再输入至第一差动放大器5中；所述传感器电路的输出信号再输入至模拟乘法器6以及模拟减法器7中。
根据上述技术方案，本发明提供的基于模拟乘法器的传感器电路温漂的自校正电路通用性强、设计简单、实现了高精度、高稳定的要求。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述补偿信号获取电路包括：纯电阻电桥11和电桥信号解调电路。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述传感器电路包括：线圈电桥12和电桥信号解调电路。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述线圈电桥12包括：探测线圈8、参考线圈9以及至少两个精密电阻4，所述探测线圈8与探测目标10进行探测。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述补偿信号获取电路上的调节电路与所述传感器电路上的调节电路相同；所述电桥信号解调电路包括：第二差动放大器2和相敏检波器3。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述补偿信号获取电路和所述传感器电路同用一个所述电桥激励电压源1。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述电桥激励电压源1为固定频率、幅值大小不变的正弦电压。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述电桥激励电压源1接地处理；所述模拟运算电路中的一个精密电阻4也接地处理。
如图3所示为传感器电路的原理图，主要由电桥激励电压源1、线圈电桥12、第二差动放大器2、相敏检波器3和探测目标10组成。前置差动放大器和相敏检波器的信号增益分别为K1和K2，电桥激励电压源为固定频率、幅值大小不变的正弦电压，其角频率为ω，幅值为E。当探测线圈8和参考线圈9的参数一致，并且满足(Rs+R＝ωL，ΔR＜＜ωL，ΔL＜＜L)时，传感器电路的输出信号UL可以表示为如下形式：
Figure BDA0002016569050000051
现在考虑电路中的温漂影响，假定电桥激励电压源的幅值的温漂系数为TC1，前置差动放大器和相敏检波器的信号增益的温漂系数分别为TC2和TC3。它们各自的温度变化分别为ΔT1、ΔT2和ΔT3并且它们的温漂都属于比例漂移，精密电阻Rs和电压源的角频率ω的温度稳定性很高，其温漂可以忽略。公式(1)可以写为如下形式：
Figure BDA0002016569050000052
如图2所示，为补偿信号获取电路，纯电阻电桥自身的温度稳定性非常高并且与传感器共用同一个激励信号源，因此能够反映电桥激励电压源的幅值的温度稳定性；其解调电路与图3中线圈电桥完全相同，能够反映传感器解调电路的信号增益的温度稳定性。这样其输出信号UT就具有与传感器的输出信号UL相同的电路温度特性，通过调整ΔR0的值，使得输出信号UT＝1V，考虑温度漂移时，其可以写为如下形式：
UL＝1(1+TC1×ΔT1)K1(1+TC2×ΔT2)K2(1+TC3×ΔT3)(3)
如图4所示，为模拟运算电路，由于温漂的变化量相比于传感器信号的大小是微弱的，因此使用低失调电压的第一差动放大器5用于放大补偿信号UT的温漂变化量，其信号增益为K3。UREF为单位精密参考电压，其温度稳定性可以达到1ppm/℃以下，其温漂影响可以忽略。这样在通入模拟乘法器6后可以大大提高乘法运算的信噪比。由于温度漂移是比例漂移，信号的漂移与信号的大小相关，因此乘法器的另一路输入即为传感器信号UL，乘法器的输出再通过精密电阻R1和R2对信号进行分压缩小K3倍，满足1/K3＝R2/(R1+R2)。最后通过一个低失调电压、低温漂的精密减法器减去温度的漂移量，实现对传感器信号的电路温漂的自校正的功能。模拟运算电路的传递函数和补偿后的传感器信号UL分别表示为：
ULT＝UL-UL×K3(UT-UREF)×R2/(R1+R2)(4)
Figure BDA0002016569050000061
为了验证自校正电路的补偿效果，我们设计了相应的电涡流位移传感器样机，将传感器的输出电压调到最大，此时电路的温度漂移对传感器信号的影响最大。将传感器的探头置于恒温环境，将电路置于高低温柜中，然后进行变温，使用高精度、高稳定的ADC同时采集补偿前后的传感器信号，测量传感器信号补偿前后的变化，其结果如图5所示，曲线A和曲线B分别为补偿前后的传感器的电压变化情况。结果表明使用本发明的自校正技术，传感器信号的电路温度稳定性由几百ppm/℃提高至几个ppm/℃，并且不增加信号的噪声水平。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (4)

1.一种基于模拟乘法器的传感器电路温漂的自校正电路，其特征在于，所述自校正电路包括：电桥激励电压源(1)、补偿信号获取电路、传感器电路以及模拟运算电路；其中，
所述的模拟运算电路包括：第一差动放大器(5)、精密电阻(4)、模拟乘法器(6)和模拟减法器(7)；
所述补偿信号获取电路的输出信号输入至第一差动放大器(5)中；所述传感器电路的输出信号输入至模拟乘法器(6)以及模拟减法器(7)中；
所述补偿信号获取电路包括：纯电阻电桥(11)和电桥信号解调电路；
所述传感器电路包括：线圈电桥(12)和电桥信号解调电路；
所述线圈电桥(12)包括：探测线圈(8)、参考线圈(9)以及至少两个精密电阻(4)，所述探测线圈(8)与探测目标(10)进行探测；
所述补偿信号获取电路上的电桥信号解调电路与所述传感器电路上的电桥信号解调电路相同；
所述电桥信号解调电路包括：第二差动放大器(2)和相敏检波器(3)；
所述电桥激励电压源的一端接地，所述电桥激励电压源的另一端与所述补偿信号获取电路的纯电阻电桥的第一端连接，所述补偿信号获取电路的纯电阻电桥的第二端与所述补偿信号获取电路的第二差动放大器的反相输入端连接，所述补偿信号获取电路的纯电阻电桥的第三端与所述补偿信号获取电路的第二差动放大器的正相输入端连接，所述补偿信号获取电路的第二差动放大器的输出端与所述补偿信号获取电路的相敏检波器的第一端连接，所述补偿信号获取电路的相敏检波器的第二端与所述电桥激励电压源的另一端连接，所述补偿信号获取电路的相敏检波器的第三端与所述第一差动放大器的正相输入端连接，所述模拟乘法器的第一端与所述第一差动放大器的输出端连接，所述模拟乘法器的第二端与所述模拟减法器的正相输入端连接，所述模拟乘法器的第三端通过两个精密电阻接地，所述模拟乘法器的反相输入端连接至两个模拟乘法器之间的节点，所述模拟减法器的正相输入端与所述传感器电路的相敏检波器的第一端连接，所述传感器电路的相敏检波器的第二端与所述电桥激励电压源的另一端连接，所述传感器电路的相敏检波器的第三端与所述传感器电路的第二差动放大器的输出端连接，所述传感器电路的第二差动放大器的反相输入端与所述参考线圈的一端连接，所述传感器电路的第二差动放大器的正相输入端与所述参考线圈的一端连接，所述探测线圈的另一端接地，所述探测线圈的一端通过精密电阻与所述电桥激励电压源的另一端连接，所述参考线圈的另一端接地，所述参考线圈的一端通过精密电阻与所述电桥激励电压源的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的基于模拟乘法器的传感器电路温漂的自校正电路，其特征在于，所述补偿信号获取电路和所述传感器电路同用一个所述电桥激励电压源(1)。
3.根据权利要求1所述的基于模拟乘法器的传感器电路温漂的自校正电路，其特征在于，所述电桥激励电压源(1)为固定频率、幅值大小不变的正弦电压。
4.根据权利要求1所述的基于模拟乘法器的传感器电路温漂的自校正电路，其特征在于，所述电桥激励电压源(1)接地处理；所述模拟运算电路中的一个精密电阻(4)也接地处理。
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