CN113155159A

CN113155159A - 桥式检测器

Info

Publication number: CN113155159A
Application number: CN202011606938.XA
Authority: CN
Inventors: 薛珂; 李曙光; 浦小飞
Original assignee: Nanjing Yingruichuang Electronic Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Yingruichuang Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2021-07-23
Anticipated expiration: 2040-12-30
Also published as: CN113155159B

Abstract

本申请提供一种桥式检测器，该桥式检测器包括：电桥；激励电路，连接所述电桥，用于生成驱动所述电桥工作的激励信号；检测电路，连接所述电桥，用于检测所述电桥上的应变信息；处理电路，连接所述检测电路，用于根据所述应变信息计算得到检测结果。本申请通过激励电路驱动电桥工作，并通过检测电路采集电桥上的信号变化，然后由处理电路对应变信息进行处理后，得到物理量的检测结果。

Description

桥式检测器

技术领域

本申请涉及电路技术领域，具体而言，涉及一种桥式检测器。

背景技术

惠斯通电桥，是由四个电阻组成的电桥电路，惠斯通电桥利用电阻的变化来测量物理量的变化，通过采集电桥的可变电阻两端的信号，然后对信号计算处理，就可以计算出相应的物理量的变化。电桥传感器，是一种基于惠斯通电桥的传感器，常被用作压力、温度等传感器的感应元件，广泛应用于机械、汽车等交通工具、电气、电机、人机交互等领域。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种桥式检测器，用以通过电桥传感器电阻的变化测量物理量的变化。

本申请实施例第一方面提供了一种桥式检测器，包括：电桥；激励电路，连接所述电桥，用于生成驱动所述电桥工作的激励信号；检测电路，连接所述电桥，用于检测所述电桥上的应变信息；处理电路，连接所述检测电路，用于根据所述应变信息计算得到检测结果。

于一实施例中，所述激励电路包括：激励源；激励输出模块，连接所述激励源的正极；第一电阻，第一端连接所述激励源的负极后接地，第二端连接所述激励输出模块；所述激励输出模块用于输出所述激励信号，所述激励信号为所述第一电阻上的电流信号。

于一实施例中，所述激励输出模块包括：第一放大器，所述第一放大器的反相输入端连接所述激励源的正极，所述第一放大器的正相输入端连接所述第一电阻的第二端；第一三极管，所述第一三极管的栅极连接所述第一放大器的输出端，所述第一三极管的漏极连接所述第一放大器的正相输入端，所述第一三极管的源极连接电源；第二三极管，所述第二三极管的栅极连接所述第一放大器的输出端，所述第二三极管的源极连接电源，所述第二三极管的漏极连接所述电桥，用于输出所述激励信号至所述电桥。

于一实施例中，所述第一三极管的输出电流信号与所述第二三极管的输出电流信号相同。

于一实施例中，所述检测电路包括：第二放大器，所述第二放大器的正相输入端连接所述电桥的高电位接入端，所述第二放大器的反相输入端连接所述电桥的低电位接入端，用于检测所述高电位接入端与所述低电位接入端之间的压差信息。

于一实施例中，所述检测电路还包括：第三放大器，所述第三放大器的输入端接入参考电压，所述参考电压的大小与所述第一电阻两端的电压相等。

于一实施例中，所述处理电路包括：模数转换器，所述模数转换器的输入端分别连接所述第二放大器和第三放大器，用于将所述压差信息和所述参考电压转换为数字信号；处理器，连接所述模数转换器的输出端，用于根据数字化后的所述压差信息和所述参考电压，计算得到所述电桥当前环境的温度信息。

于一实施例中，所述检测电路还包括：开关，所述开关将所述第三放大器的切换至所述电桥输出端时，所述第三放大器采集所述电桥的输出电压，所述处理电路还用于根据所述输出电压和所述压差信息计算得到所述电桥的压力信息。

于一实施例中，所述检测电路还包括：第一比较器，所述第一比较器的反相输入端连接所述电桥的高电位接入端，所述第一比较器的正相输入端连接电源，所述第一比较器的输出端连接所述处理电路。

于一实施例中，所述检测电路还包括：第二比较器，所述第二比较器的正相输入端连接所述电桥的高电位接入端，所述第二比较器的反相输入端接地，所述第二比较器的输出端连接所述处理电路。

本申请提供的桥式检测器，通过激励电路驱动电桥工作，并通过检测电路采集电桥上的信号变化，然后由处理电路对应变信息进行处理后，得到物理量的检测结果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请一实施例的桥式检测器的结构示意图；

图2为本申请一实施例的桥式检测器的结构示意图；

图3A为本申请一实施例的桥式检测器的结构示意图；

图3B为本申请一实施例的桥式检测器的结构示意图；

图3C为本申请一实施例的桥式检测器的结构示意图；

图4为本申请一实施例的桥式检测器的结构示意图。

附图标记：

1-桥式检测器，10-电桥，TOP-高电位接入端，DOWN-低电位接入端， 20-调理电路，21-激励电路，U0-激励源，R0-第一电阻，A1-第一放大器， M1-第一三极管，M2-第二三极管，I0-电流信号，22-检测电路，A2-第二放大器，A3-第三放大器，221-开关，23-处理电路，ADC-模数转换器，231- 处理器，232-选通开关，V1-压差信息，RD-等效电阻，U1-差分输出电压，B1-第一比较器，B2-第二比较器。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，本实施例提供一种桥式检测器1，包括：电桥10和调理电路20，其中：

电桥10可以是由四个电阻组成的惠斯通电阻桥，四个电阻分别为电阻 R1～电阻R4，电阻R3的一端和电阻R4一端连接后形成该电桥10的低电位接入端DOWN，低电位接入端DOWN接地。电阻R3的另一端连接电阻 R2的一端后形成电桥10的高电位输出点，电阻R2的另一端连接电阻R1 的一端后形成电桥10的高电位接入端TOP，电阻R1的另一端连接电阻R4的另一端后形成电桥10的低电位输出点。

调理电路20包括：激励电路21、检测电路22和处理电路23，其中，激励电路21连接电桥10，用于生成驱动电桥10工作的激励信号。检测电路22连接电桥10，用于检测电桥10上的信号，生成检测信息。处理电路 23连接检测电路22，用于根据检测信息计算得到检测结果。

在实际场景中，电桥10可以设置在不同的待测环境下，用于感测不同的物理变化，物理变化会对电桥10的电阻产生应变信息，检测电路22用于检测这种应变信息，进而通过处理电路23根据应变信息计算出不同物理量的状态信息。此处物理量可以是温度、压力等。

如图2所示，本实施例提供一种桥式检测器1，其中，激励电路21包括：激励源U0、第一电阻R0和激励输出模块，第一电阻R0的第一端连接激励源U0的负极后接地，第二端连接激励输出模块，激励输出模块连接激励源U0的正极。激励输出模块用于输出激励信号，激励信号为第一电阻 R0上的电流信号I0。

于一实施例中，激励输出模块包括：第一放大器A1、第一三极管M1 和第二三极管M2，其中，第一放大器A1的反相输入端连接激励源U0的正极，第一放大器A1的正相输入端连接第一电阻R0的第二端。第一三极管M1的栅极连接第一放大器A1的输出端，第一三极管M1的漏极连接第一放大器A1的正相输入端，第一三极管M1的源极连接电源。第二三极管 M2的栅极连接第一放大器A1的输出端，第二三极管M2的源极连接电源，第二三极管M2的漏极连接电桥10，用于输出激励信号至电桥10。实际场景中，电流输出管可以用共源共栅的两个器件堆叠的方式提高输出电流的精度。

于一实施例中，第一三极管M1的输出电流信号I0与第二三极管M2 的输出电流信号I0相同。可以通过设置第一三极管M1与第二三极管M2 工作在相同的工作状态下，来保证第一三极管M1与第二三极管M2输出相同的电流信号I0，该电流信号I0与第一电阻R0上的电流信号I0相等，即电流信号I0＝V0/R0，该电流信号I0就是用于驱动电桥10工作的激励信号，I0流经外部电桥10的高电位接入端TOP和低电位接入端DOWN后到地。实际场景中，电流输出管可以用共源共栅的两个三极管器件堆叠的方式，提高输出电流的精度。

如图3A所示，本实施例提供一种桥式检测器1，检测电路22包括：第二放大器A2，第二放大器A2的正相输入端连接电桥10的高电位接入端 TOP，第二放大器A2的反相输入端连接电桥10的低电位接入端DOWN，用于检测高电位接入端TOP与低电位接入端DOWN之间的压差信息V1。

于一实施例中，检测电路22还包括：第三放大器A3，第三放大器A3 的输入端接入参考电压，参考电压的大小与第一电阻R0两端的电压相等。即参考电压为V0，实际场景中，可以通过设置第三放大器A3的参数，实现输入端虚接入参考电压。于一实施例中，处理电路23包括：模数转换器 ADC和处理器231，模数转换器ADC的输入端分别连接第二放大器A2和第三放大器A3，用于将压差信息V1和参考电压转换为数字信号。于一实施例中，检测电路22还包括：开关221。比如，如图3A所示，在测温度模式下，第三放大器A3的输入端可以通过开关221选择接入参考电压V0，第三放大器A3的差分输出连接模数转换器ADC的VREF差分端，第二放大器A2的差分输出端连接模数转换器ADC的VIN差分端。模数转换器 ADC可以量化压差信息V1与考电压的比值V1/V0，将其转换为数据信号。处理器231连接模数转换器ADC的输出端，用于根据数字化后的压差信息 V1和参考电压，计算得到电桥10当前环境的温度信息。比如处理器231 计算可得到电桥10高电位接入端TOP与低电位接入端DOWN之间的等效电阻RD：

RD＝V1/I0

＝(V1/V0)*R0

其中，第一电阻R0的值是已知的，第一电阻R0由与绝对温度T无关的零温漂电阻实现，可以根据实际电路需求预先选定。

在实际场景中，电桥10的等效电阻RD有温度系数，一般可以近似表示为：

RD(T)＝A*T^3+B*T^2+C*T+D

其中，A、B、C、D分别为温度系数，是常量，T为绝对温度，在实际使用时，由于A和B的值很小，可以忽略不计，如此，等效电阻RD可以近似为：

RD(T)＝C*T+D

即等效电阻RD是绝对温度T的一次函数，系数C、D可以在电桥10 校准时测量得到，因此可以作为电桥10的已知参数。基于此，可以得到：

V1/V0＝RD(T)/R0

由于第一电阻R0是与绝对温度T无关的零温漂电阻，所以量化值 V1/V0可以表征电桥10的温度变化，可以通过处理电路23中数字电路部分的适当补偿算法，得到线性度良好的温度测量效果。

如图3B所示，在测压力模式下，第三放大器A3的差分输出连接模数转换器ADC的VIN差分端，第二放大器A2的差分输出端连接模数转换器 ADC的VREF差分端。开关221将第三放大器A3的切换至电桥10输出端时，第三放大器A3采集电桥10的输出电压，处理电路23还用于根据输出电压和压差信息V1计算得到电桥10的压力信息。比如调理电路20内部模数转换器ADC量化电桥10的差分输出电压U1与压差信息V1的比值：

U1/V1＝(V+-V-)/V1

其中，U1/V1可以表征电桥10传递的压力值，如此，在不改变调理电路20外部连接关系的条件下，可以支持测压力功能。

于一实施例中，如图3C所示，处理电路23可以包括选通开关232，选通开关232可以设置在第二放大器A2、第二放大器A3和模数转换器ADC 之间，该选通开关在上述测温度模式中，选择第三放大器A3的差分输出连接模数转换器ADC的VREF差分端，第二放大器A2的差分输出端连接模数转换器ADC的VIN差分端。该选通开关在上述测压力模式下，选择第三放大器A3的差分输出连接模数转换器ADC的VIN差分端，第二放大器 A2的差分输出端连接模数转换器ADC的VREF差分端。实现第二放大器 A2输出端、第二放大器A3输出端到模数转换器ADC的信号输入和参考输入端连接关系在测温和测压两个模式下的切换。

如图4所示，本实施例提供一种桥式检测器1，检测电路22还包括：第一比较器B1，第一比较器B1的反相输入端连接电桥10的高电位接入端 TOP，第一比较器B1的正相输入端连接电源，第一比较器B1的输出端连接处理电路23。

在保持调理电路20外部连接关系不变的条件下，通过测量调理电路20 电流输出端(接高电位接入端TOP)的电压可以实现调理电路20与电桥10 的开路诊断功能，如图4所示，当测量得到调理电路20的电流输出端电压与内部电源电压相差小于预设阈值V4时，说明外部电阻过大，处理电路23确定电桥10的高电位接入端TOP与调理电路20之间开路，或电桥10 的低电位接入端DOWN与地端开路。预设阈值V4可以基于实际电路开路时的历史统计数据得到。

于一实施例中，检测电路22还包括：第二比较器B2，第二比较器B2 的正相输入端连接电桥10的高电位接入端TOP，第二比较器B2的反相输入端接地，第二比较器B2的输出端连接处理电路23。比如，当测量到调理电路20的电流输出端电压与地端电压相差小于预设阈值V5时，处理电路23确定电桥10的高电位接入端TOP被短路到地。

于一实施例中，具体用到的比较器和运算放大器的实现可以有多种方式。实际场景中可以用动态器件切换的方式减小调理电路20加工过程中引起的器件不匹配问题，提高输出电流精度。

上述桥式检测器1，减少了应用中的芯片外围器件，提高可靠性。在不改变调理电路20外部连接关系的情况下，用电阻桥式压力传感器测温同时能兼顾测量压力功能和电阻桥传感器开路短路诊断功能。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims

1.一种桥式检测器，其特征在于，包括：

电桥；

激励电路，连接所述电桥，用于生成驱动所述电桥工作的激励信号；

检测电路，连接所述电桥，用于检测所述电桥上的应变信息；

处理电路，连接所述检测电路，用于根据所述应变信息计算得到检测结果。

2.根据权利要求1所述的桥式检测器，其特征在于，所述激励电路包括：

激励源；

激励输出模块，连接所述激励源的正极；

第一电阻，第一端连接所述激励源的负极后接地，第二端连接所述激励输出模块；

所述激励输出模块用于输出所述激励信号，所述激励信号为所述第一电阻上的电流信号。

3.根据权利要求2所述的桥式检测器，其特征在于，所述激励输出模块包括：

第一放大器，所述第一放大器的反相输入端连接所述激励源的正极，所述第一放大器的正相输入端连接所述第一电阻的第二端；

第一三极管，所述第一三极管的栅极连接所述第一放大器的输出端，所述第一三极管的漏极连接所述第一放大器的正相输入端，所述第一三极管的源极连接电源；

第二三极管，所述第二三极管的栅极连接所述第一放大器的输出端，所述第二三极管的源极连接电源，所述第二三极管的漏极连接所述电桥，用于输出所述激励信号至所述电桥。

4.根据权利要求3所述的桥式检测器，其特征在于，所述第一三极管的输出电流信号与所述第二三极管的输出电流信号相同。

5.根据权利要求2所述的桥式检测器，其特征在于，所述检测电路包括：

第二放大器，所述第二放大器的正相输入端连接所述电桥的高电位接入端，所述第二放大器的反相输入端连接所述电桥的低电位接入端，用于检测所述高电位接入端与所述低电位接入端之间的压差信息。

6.根据权利要求5所述的桥式检测器，其特征在于，所述检测电路还包括：

第三放大器，所述第三放大器的输入端接入参考电压，所述参考电压的大小与所述第一电阻两端的电压相等。

7.根据权利要求6所述的桥式检测器，其特征在于，所述处理电路包括：

模数转换器，所述模数转换器的输入端分别连接所述第二放大器和第三放大器，用于将所述压差信息和所述参考电压转换为数字信号；

处理器，连接所述模数转换器的输出端，用于根据数字化后的所述压差信息和所述参考电压，计算得到所述电桥当前环境的温度信息。

8.根据权利要求5所述的桥式检测器，其特征在于，所述检测电路还包括：

开关，所述开关将所述第三放大器的切换至所述电桥输出端时，所述第三放大器采集所述电桥的输出电压，所述处理电路还用于根据所述输出电压和所述压差信息计算得到所述电桥的压力信息。

9.根据权利要求1所述的桥式检测器，其特征在于，所述检测电路还包括：

第一比较器，所述第一比较器的反相输入端连接所述电桥的高电位接入端，所述第一比较器的正相输入端连接电源，所述第一比较器的输出端连接所述处理电路。

10.根据权利要求1所述的桥式检测器，其特征在于，所述检测电路还包括：

第二比较器，所述第二比较器的正相输入端连接所述电桥的高电位接入端，所述第二比较器的反相输入端接地，所述第二比较器的输出端连接所述处理电路。