CN112729661B - 一种带温度信号输出的超低温压力传感器 - Google Patents

一种带温度信号输出的超低温压力传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带温度信号输出的超低温压力传感器，包括引出线、超导材料、电压源和输出监测装置，所述超导材料通过引出线连接电压源和输出监测装置，引出线有多个，每个引出线上均串联有分压电阻，1.此液位传感器电路结构简单，无须补偿计算，敏感元件也不存在零漂问题。2.此液位传感器可测量的温区广泛，可适用不同的低温介质，只要低温介质的温度低于超导材料的临界温度即可。3.此液位传感器精度可以根据客户的需求去设定。

Description

一种带温度信号输出的超低温压力传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体是一种带温度信号输出的超低温压力传感器。
背景技术
压力值与温度值是管道或箱体内液体或气体的最重要的两个参数。在火箭、导弹、飞机或者化学反应容器等需要对燃料、润滑油、冷却液或者反应介质进行压力和温度测量的地方，尤其是对火箭发动机液氮、甲烷、液氧等低温介质压力、温度的测量往往要求传感器重量轻、体积小、测量精度高。
一般情况下，为了测量介质的压力值与温度值，需要在管道或贮箱上设计两个开孔，分别安装一个压力传感器探头和一个温度传感器探头。市面上也存在所谓的“温压一体化传感器”，但多是将一个压力传感器和一个温度传感器封装在一个更大的探头内，需要在管道或箱体上开一个更大测量孔。
无论是采用两个开孔还是更大的开孔的测量方式，都具有重量高、成本高、体积大、所需安装空间大的缺点。同时更多或者更大的开孔也增加了管道和贮箱的制造成本，在测量高压介质时，更多或者更大的开孔也意味着泄露风险的增加。
压力传感器所使用的感压元件往往都会随着环境温度变化产生或大或小的漂移，实际上在制造高精度、高稳定压力传感器的过程中，对感压元件进行温度漂移补偿(简称“温补”)是必需的。例如液氧-甲烷发动机上需要在液氧、甲烷的贮箱、管道上安装多个压力、温度测点，压力传感器要承受从常温到零下100多度的温度变化，没有温度修正，压力信号将产生较大的漂移导致信号无法使用。但是温补往往是粗略的，目的只在于对压力信号的温漂进行修正，并不能精确表征感压元件的温度。温度参数是一个缓变量，感压元件的温度与介质温度没有明显差异，如果有一种方法能够在测量感压元件的温度同时达到温度传感器的精度，即可用来表征介质温度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带温度信号输出的超低温压力传感器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种带温度信号输出的超低温压力传感器，包括压力敏感元件、MUX通道切换模、ADC转换器、MCU模块和DAC转换器，所述压力敏感元件上还连接有一个温度电阻，压力敏感元件产生温度信号和压力信号并传输给MUX通道切换模，MUX通道切换模块切换至压力通道，将压力信号传递给ADC转换器，ADC转换器完成压力信号数字化并传递给MCU模块，MCU模块完成压力信号保存后通知MUX模块可以切换至温度信号通道，MUX通道切换模块切换至温度通道，将温度信号传递给ADC转换器，ADC转换器完成温度信号数字化并传递给MCU，MCU模块根据预先存储的修正函数对压力信号进行修正，对温度信号进行解算，MCU模块将修正后的压力信号与温度信号传递给DAC转换器；DAC转换器与模拟输出部分共同作用输出一路压力信号与一路温度信号。
作为本发明的进一步方案：所述压力敏感元件是由多个压敏电阻组成的平衡电桥。
作为本发明的进一步方案：所述MCU为单片机。
作为本发明的进一步方案：所述压力敏感元件设有5个引脚，其中3、5脚为电桥激励引脚，当存在合适的激励电压时，2、4脚之间将产生一个与感受压力成正比的差分电压信号，1、5脚之间为集成在敏感元件上的测温电阻Rt，用于感受介质温度。
作为本发明的进一步方案：还包括用于给各个模块供电的电源电路。
作为本发明的进一步方案：所述电源电路为直流电源。
作为本发明的进一步方案：所述温度电阻上还连接有基准电阻。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.客户无需单独增加一个温度传感器来实现温度测量就可额外获得温度参数；2.直接利用压力敏感元件自身的温度特性或者敏感膜片上的温度电阻实现测温，客户无需改变现有设备压力测点的安装接口；3.通过多阶修正函数可以显著提高压力、温度参数的测量精度。
附图说明
图1为带温度信号输出的超低温压力传感器的硬件框图；
图2为带温度信号输出的超低温压力传感器参数测量流程框图；
图3为某型敏感元件示例；
图4为图3中示例敏感元件的电桥结构；
图5为应用本发明时的敏感元件激励示意。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，实施例1：本发明实施例中，一种带温度信号输出的超低温压力传感器，包括压力敏感元件、MUX通道切换模、ADC转换器、MCU模块和DAC转换器，所述压力敏感元件上还连接有一个温度电阻，压力敏感元件产生温度信号和压力信号并传输给MUX通道切换模，MUX通道切换模块切换至压力通道，将压力信号传递给ADC转换器，ADC转换器完成压力信号数字化并传递给MCU模块，MCU模块完成压力信号保存后通知MUX模块可以切换至温度信号通道，MUX通道切换模块切换至温度通道，将温度信号传递给ADC转换器，ADC转换器完成温度信号数字化并传递给MCU，MCU模块根据预先存储的修正函数对压力信号进行修正，对温度信号进行解算，MCU模块将修正后的压力信号与温度信号传递给DAC转换器；DAC转换器与模拟输出部分共同作用输出一路压力信号与一路温度信号。
图2为带温度信号输出的超低温压力传感器参数测量流程框图，具体过程如下：
1.通过电源电路产生的激励源激励压力敏感元件产生压力信号；
2.MUX通道切换模块切换至压力通道，将压力信号传递给ADC；
3.ADC转换器完成压力信号数字化并传递给MCU；
4.MCU模块完成压力信号保存后通知MUX模块可以切换至温度信号通道；
5.MUX通道切换模块切换至温度通道，将温度信号传递给ADC；
6.ADC转换器完成温度信号数字化并传递给MCU；
7.MCU模块根据预先存储的修正函数对压力信号进行修正，对温度信号进行解算；
8.MCU模块将修正后的压力信号与温度信号传递给DAC转换器；
9.DAC转换器与模拟输出部分共同作用输出一路压力信号与一路温度信号。
上述流程可以根据客户不同刷新速率的需求单步顺序执行或者并行，同时最终输出信号可按客户要求定制，可以为(0～5)V、(1～5)V、(0～10)V、(4～20)mA等各种形式。
实施例2：在实施例1的基础上，压力敏感元件是由多个压敏电阻组成的平衡电桥。MCU为单片机。压力敏感元件设有5个引脚，其中3、5脚为电桥激励引脚，当存在合适的激励电压时，2、4脚之间将产生一个与感受压力成正比的差分电压信号，1、5脚之间为集成在敏感元件上的测温电阻Rt，用于感受介质温度。还包括用于给各个模块供电的电源电路。电源电路为直流电源。温度电阻上还连接有基准电阻。
如图5所示，使用一激励源激励敏感元件，将2、4之间电压命名为Vp(压力信号)。使用一基准电阻对温度电阻Rt进行分压，则得到电压Vt(温度信号)。在多个温度点与压力点下按图1与图2所示进行压力、温度信号采集，对数据进行最小二乘法与多项式系数拟合，可得到如下多阶修正函数：
T＝a+b*Vt+c*Vt2+d*Vt3+e*Vt4+…
P＝A+B*Vp+C*Vp2+D*Vp3+E*Vp4+…
其中T与P分别为温度值与压力值，a/b/c/d/e与A/B/C/D/E为多阶修正函数的各阶系数。
通过上述设计，在未使用温度传感器的前提下，通过压力敏感元件上的温度电阻即可获得介质的高精度压力与温度参数。该设计对各种原理的压力敏感元件均有效果，其中温度信号的来源多种多样，不要求敏感元件上一定集成一个温度电阻。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种带温度信号输出的超低温压力传感器，包括压力敏感元件、MUX通道切换模、ADC转换器、MCU模块和DAC转换器，其特征在于，所述压力敏感元件上还连接有一个温度电阻，压力敏感元件产生温度信号和压力信号并传输给MUX通道切换模，MUX通道切换模块切换至压力通道，将压力信号传递给ADC转换器，ADC转换器完成压力信号数字化并传递给MCU模块，MCU模块完成压力信号保存后通知MUX模块可以切换至温度信号通道，MUX通道切换模块切换至温度通道，将温度信号传递给ADC转换器，ADC转换器完成温度信号数字化并传递给MCU，MCU模块根据预先存储的修正函数对压力信号进行修正，对温度信号进行解算，MCU模块将修正后的压力信号与温度信号传递给DAC转换器；DAC转换器与模拟输出部分共同作用输出一路压力信号与一路温度信号；
所述压力敏感元件设有5个引脚，其中3、5脚为电桥激励引脚，当存在合适的激励电压时，2、4脚之间将产生一个与感受压力成正比的差分电压信号，1、5脚之间为集成在敏感元件上的测温电阻Rt，用于感受介质温度；
使用一激励源激励敏感元件，将2、4之间电压命名为Vp，使用一基准电阻对温度电阻Rt进行分压，则得到电压Vt，在多个温度点与压力点下进行压力、温度信号采集，对数据进行最小二乘法与多项式系数拟合，可得到如下多阶修正函数：
T＝a+b*Vt+c*Vt2+d*Vt3+e*Vt4+…
P＝A+B*Vp+C*Vp2+D*Vp3+E*Vp4+…
其中T与P分别为温度值与压力值，a/b/c/d/e与A/B/C/D/E为多阶修正函数的各阶系数。
2.根据权利要求1所述的一种带温度信号输出的超低温压力传感器，其特征在于，所述压力敏感元件是由多个压敏电阻组成的平衡电桥。
3.根据权利要求2所述的一种带温度信号输出的超低温压力传感器，其特征在于，所述MCU为单片机。
4.根据权利要求1所述的一种带温度信号输出的超低温压力传感器，其特征在于，还包括用于给各个模块供电的电源电路。
5.根据权利要求4所述的一种带温度信号输出的超低温压力传感器，其特征在于，所述电源电路为直流电源。
6.根据权利要求1所述的一种带温度信号输出的超低温压力传感器，其特征在于，所述温度电阻上还连接有基准电阻。
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