CN113390524B - 一种热敏传感器及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及传感器技术领域，具体公开了一种热敏传感器，包括：探测模块、读出电路和处理单元，其中，探测模块包括热敏结构和可测性结构，读出电路包括信号激励电路、信号读取电路和反馈调节电路，处理单元包括控制器、处理器和存储器；控制器分别与信号激励电路、热敏结构和处理器连接，信号激励电路与可测性结构连接，可测性结构、热敏结构、信号读取电路、处理器、存储器和反馈调节电路依次连接，反馈调节电路还连接热敏结构。本发明还公开了一种热敏传感器的工作方法。本发明可实现原位在线测试、自身状态的确认，对于不可恢复的故障，及时进行状态报警，对于可恢复的漂移，实时校准，从而保证传感器具高稳定性可靠性。

Description

一种热敏传感器及其工作方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种热敏传感器及其工作方法。
背景技术
热敏传感器是MEMS传感器的一大类，是将被测信号先转化为温度信号再转化为可输出信号（主要是电信号）的传感器，包括：真空计、风速计、红外/太赫兹传感器等。在提高传感器基本性能的同时，如何提高传感器的长期稳定性可靠性也备受关注。目前的方法主要是在从器件、封装、控制等多角度研究提升方法的同时，实际应用中对传感器定期校准维护实现，该过程是将传感器从应用系统中取出，再与标准传感器进行参数对比。这种传统的校准维护方法不仅会影响传感器的正常使用，也无法应对突发性故障。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供了一种热敏传感器及热敏传感器的工作方法，在不影响传感器基本工作的情况下，实现原位在线预见性校准维护。
作为本发明的一个方面，提供一种热敏传感器，包括：探测模块、读出电路和处理单元，其中，所述探测模块包括热敏结构和可测性结构，所述读出电路包括信号激励电路、信号读取电路和反馈调节电路，所述处理单元包括控制器、处理器和存储器；所述控制器分别与所述信号激励电路、热敏结构和处理器连接，所述信号激励电路与所述可测性结构连接，所述可测性结构、热敏结构、信号读取电路、处理器、存储器和反馈调节电路依次连接，所述反馈调节电路还连接所述热敏结构；
其中，所述控制器控制所述信号激励电路产生电激励信号，使得所述可测性结构接收到所述电激励信号后产生热信号，所述热敏结构在所述热信号的影响下产生测试信号，所述测试信号由所述信号读取电路读取后输出；
所述测试信号经所述处理器处理后，提取出所述测试信号中的热敏传感器结构参数和校正因子，并将所述热敏传感器的结构参数和校正因子保存于所述存储器中，所述存储器将所述热敏传感器的校正因子输入至所述反馈调节电路；
所述反馈调节电路根据所述热敏传感器的校正因子对所述控制器控制下工作的热敏结构进行校准，所述热敏结构在校准后产生响应信号并经所述信号读取电路读取后输出。
进一步地，所述热敏结构为能够将热信号转换为电信号的结构，所述热敏结构中具有热敏元件，所述热敏元件为热释电材料、热电阻、热电偶或二极管。
进一步地，所述可测性结构为能够将电信号转化为热信号的结构，所述可测性结构中具有电热元件，所述电热元件为电阻或二极管。
进一步地，所述热敏结构和可测性结构独立使用或者两者组合使用。
进一步地，所述电激励信号为方波信号、正弦波信号、离散脉冲信号或随机信号。
进一步地，所述信号读取电路包括电源、放大电路、滤波电路、模数转换电路和时序控制电路，其中，所述电源用于给所述信号读取电路和热敏结构供电，所述放大电路用于将所述测试信号和响应信号进行放大，所述滤波电路用于对所述测试信号和响应信号进行降噪，所述模数转换电路用于将所述测试信号和响应信号从模拟转化为数字，所述时序控制电路用于控制所述放大电路、滤波电路以及模数转换电路配合工作。
进一步地，所述处理单元还包括内嵌于所述处理器中的软件算法，所述软件算法包括测试算法、漂移算法、校准算法、诊断算法和确定算法。
作为本发明的另一个方面，提供一种热敏传感器的工作方法，其中，所述热敏传感器的工作方法包括：
步骤S1、在控制器的控制下，探测模块具有两种模式：
工作模式，即控制器控制热敏结构在待测环境中产生响应信号，所述响应信号由所述信号读取电路读取后输出；
测试模式，即控制器控制信号激励电路产生电激励信号，使得所述可测性结构接收到所述电激励信号后产生热信号，所述热敏结构在所述热信号的影响下产生测试信号，所述测试信号由所述信号读取电路读取后输出至处理器；
步骤S2、在控制器的控制下，所述处理器对所述测试信号有两种处理方式：
热敏传感器的结构参数提取，即所述测试信号经所述处理器中的测试算法处理以提取出所述热敏传感器的结构参数；
热敏传感器的校正因子提取，即所述测试信号经所述处理器中的漂移算法处理以提取出所述热敏传感器的校正因子；
步骤S3、在控制器的控制下，步骤S2中生成的热敏传感器的结构参数和校正因子，经所述处理器中的确定算法判断其准确性，若所述热敏传感器的结构参数和校正因子均准确，则执行步骤S4；若所述热敏传感器的结构参数和/或校正因子有误，则返回步骤S1；
步骤S4、在控制器的控制下，所述热敏传感器的结构参数和校正因子保存于存储器，及所述处理器基于所述热敏传感器的结构参数，利用诊断算法确定所述热敏传感器的状态，若所述热敏传感器被诊断为故障时，进行热敏传感器状态报警；若所述热敏传感器被诊断为正常时，通过反馈调节电路或校准算法依据所述热敏传感器的校正因子对所述工作模式下的热敏结构进行校准，所述热敏结构产生校准后的响应信号，并由所述信号读取电路读取后输出。
进一步地，所述探测模块的工作模式和测试模式通过时分复用或频分复用进行。
进一步地，所述确定算法是由保存在所述存储器中的热敏传感器的历史结构参数和历史校准因子确定。
本发明的有益效果在于：通过在探测模块中引入可测试结构、读出电路中引入信号激励电路，可实现用电激励模拟外界激励实现传感器原位在线测试的功能；通过引入处理单元，可实现对原位在线测试信号的实时处理，并从而实现传感器自身状态的确认，对于不可恢复的故障，及时进行状态报警，对于可恢复的漂移，及时通过所提取出的校正因子，利用电路中引入的反馈调节电路或处理器中内嵌的校准算法对响应信号进行补偿，实现校准，从而勿需将传感器取回实验室，也勿需外界设备，即能实现原位在线预见性校准维护，保证传感器的高稳定性可靠性。
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。
图1为本发明实施例中热敏传感器的架构示意图。
图2为本发明实施例中一种探测模块的结构示意图。
图3为本发明实施例中另一种探测模块的结构示意图。
图4为本发明实施例中另一种探测模块的结构示意图。
图5为本发明实施例中热敏传感器的工作方法流程图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：10-探测模块；101-热敏结构；1011-热敏元件；102-可测性结构；1022-电热元件；20-读出电路；201-信号激励电路；202-信号读取电路；203-反馈调节电路；30-处理单元；301-控制器；302-处理器；303-存储器。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本发明实施例中提供了一种热敏传感器，如图1所示，所述热敏传感器包括：探测模块10、读出电路20和处理单元30，其中，所述探测模块10包括热敏结构101和可测性结构102，所述读出电路20包括信号激励电路201、信号读取电路202和反馈调节电路203，所述处理单元30包括控制器301、处理器302和存储器303；所述控制器301分别与所述信号激励电路201、热敏结构101和处理器302连接，所述信号激励电路201与所述可测性结构102连接，所述可测性结构102、热敏结构101、信号读取电路202、处理器302、存储器303和反馈调节电路203依次连接，所述反馈调节电路203还连接所述热敏结构101；
其中，所述控制器301控制所述信号激励电路201产生电激励信号，使得所述可测性结构102接收到所述电激励信号后产生热信号，所述热敏结构101在所述热信号的影响下产生测试信号，所述测试信号由所述信号读取电路202读取后输出；
所述测试信号经所述处理器302处理后，提取出所述测试信号中的热敏传感器结构参数和校正因子，并将所述热敏传感器的结构参数和校正因子保存于所述存储器303中，所述存储器303将所述热敏传感器的校正因子输入至所述反馈调节电路203；
所述反馈调节电路203根据所述热敏传感器的校正因子对所述控制器301控制下工作的热敏结构101进行校准，所述热敏结构101在校准后产生响应信号并经所述信号读取电路202读取后输出。
优选地，所述热敏结构101为能够将热信号转换为电信号的结构，所述热敏结构101中具有热敏元件1011，所述热敏元件1011为热释电材料、热电阻、热电偶或二极管。
优选地，所述可测性结构102为能够将电信号转化为热信号的结构，所述可测性结构102中具有电热元件1022，所述电热元件1022为电阻或二极管。
优选地，所述热敏结构101和可测性结构102独立使用或者两者组合使用。
具体地，如图2所示，可测性结构102和热敏结构101二合一，电热元件1022和热敏元件1011二合一，当二合一元件被施加电流（电压）时，结构上温度变化，导致二合一元件输出电压（电流）变化；如图3所示，可测性结构102和热敏结构101二合一，电热元件1022独立于热敏元件1011；如图4所示，可测性结构102独立于热敏结构101，电热元件1022也独立于热敏元件1011。
优选地，所述电激励信号为方波信号、正弦波信号、离散脉冲信号或随机信号。
优选地，所述信号读取电路202包括电源、放大电路、滤波电路、模数转换电路和时序控制电路，其中，所述电源用于给所述信号读取电路202和热敏结构101供电，所述放大电路用于将所述测试信号和响应信号进行放大，所述滤波电路用于对所述测试信号和响应信号进行降噪，所述模数转换电路用于将所述测试信号和响应信号从模拟转化为数字，所述时序控制电路用于控制所述放大电路、滤波电路以及模数转换电路配合工作。
优选地，所述反馈调节电路203是数模转换电路。
优选地，所述处理单元30还包括内嵌于所述处理器302中的软件算法，所述软件算法包括测试算法、漂移算法、校准算法、诊断算法和确定算法。
在本发明实施例中还提供了一种热敏传感器的工作方法，如图5所示，所述热敏传感器的工作方法包括：
步骤S1、在控制器301的控制下，探测模块10具有两种模式：
工作模式，即控制器301控制热敏结构101在待测环境中产生响应信号，所述响应信号由所述信号读取电路202读取后输出；
测试模式，即控制器301控制信号激励电路201产生电激励信号，使得所述可测性结构102接收到所述电激励信号后产生热信号，所述热敏结构101在所述热信号的影响下产生测试信号，所述测试信号由所述信号读取电路202读取后输出至处理器302；
步骤S2、在控制器301的控制下，所述处理器302对所述测试信号有两种处理方式：
热敏传感器的结构参数提取，即所述测试信号经所述处理器302中的测试算法处理以提取出所述热敏传感器的结构参数；
热敏传感器的校正因子提取，即所述测试信号经所述处理器302中的漂移算法处理以提取出所述热敏传感器的校正因子；
步骤S3、在控制器301的控制下，步骤S2中生成的热敏传感器的结构参数和校正因子，经所述处理器302中的确定算法判断其准确性，若所述热敏传感器的结构参数和校正因子均准确，则执行步骤S4；若所述热敏传感器的结构参数和/或校正因子有误，则返回步骤S1；
步骤S4、在控制器301的控制下，所述热敏传感器的结构参数和校正因子保存于存储器303，及所述处理器302基于所述热敏传感器的结构参数，利用诊断算法确定所述热敏传感器的状态，若所述热敏传感器被诊断为故障时，进行热敏传感器状态报警；若所述热敏传感器被诊断为正常时，通过反馈调节电路203或校准算法依据所述热敏传感器的校正因子对所述工作模式下的热敏结构101进行校准，所述热敏结构101产生校准后的响应信号，并由所述信号读取电路202读取后输出。
优选地，所述探测模块10的工作模式和测试模式通过时分复用或频分复用进行。
优选地，所述确定算法是由保存在所述存储器303中的热敏传感器的历史结构参数和历史校准因子确定。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种热敏传感器，其特征在于，包括：探测模块（10）、读出电路（20）和处理单元（30），其中，所述探测模块（10）包括热敏结构（101）和可测性结构（102），所述读出电路（20）包括信号激励电路（201）、信号读取电路（202）和反馈调节电路（203），所述处理单元（30）包括控制器（301）、处理器（302）和存储器（303）；所述控制器（301）分别与所述信号激励电路（201）、热敏结构（101）和处理器（302）连接，所述信号激励电路（201）与所述可测性结构（102）连接，所述可测性结构（102）、热敏结构（101）、信号读取电路（202）、处理器（302）、存储器（303）和反馈调节电路（203）依次连接，所述反馈调节电路（203）还连接所述热敏结构（101）；
其中，所述控制器（301）控制所述信号激励电路（201）产生电激励信号，使得所述可测性结构（102）接收到所述电激励信号后产生热信号，所述热敏结构（101）在所述热信号的影响下产生测试信号，所述测试信号由所述信号读取电路（202）读取后输出；
所述测试信号经所述处理器（302）处理后，提取出所述测试信号中的热敏传感器结构参数和校正因子，并将所述热敏传感器的结构参数和校正因子保存于所述存储器（303）中，所述存储器（303）将所述热敏传感器的校正因子输入至所述反馈调节电路（203）；
所述反馈调节电路（203）根据所述热敏传感器的校正因子对所述控制器（301）控制下工作的热敏结构（101）进行校准，所述热敏结构（101）在校准后产生响应信号并经所述信号读取电路（202）读取后输出；
在控制器（301）的控制下，探测模块（10）具有两种模式：
工作模式，即控制器（301）控制热敏结构（101）在待测环境中产生响应信号，所述响应信号由所述信号读取电路（202）读取后输出；
测试模式，即控制器（301）控制信号激励电路（201）产生电激励信号，使得所述可测性结构（102）接收到所述电激励信号后产生热信号，所述热敏结构（101）在所述热信号的影响下产生测试信号，所述测试信号由所述信号读取电路（202）读取后输出至处理器（302）；
在控制器（301）的控制下，所述处理器（302）对所述测试信号有两种处理方式：
热敏传感器的结构参数提取，即所述测试信号经所述处理器（302）中的测试算法处理以提取出所述热敏传感器的结构参数；
热敏传感器的校正因子提取，即所述测试信号经所述处理器（302）中的漂移算法处理以提取出所述热敏传感器的校正因子；
在控制器（301）的控制下，生成的热敏传感器的结构参数和校正因子，经所述处理器（302）中的确定算法判断其准确性；
在控制器（301）的控制下，所述热敏传感器的结构参数和校正因子保存于存储器（303），及所述处理器（302）基于所述热敏传感器的结构参数，利用诊断算法确定所述热敏传感器的状态，若所述热敏传感器被诊断为故障时，进行热敏传感器状态报警；若所述热敏传感器被诊断为正常时，通过反馈调节电路（203）或校准算法依据所述热敏传感器的校正因子对所述工作模式下的热敏结构（101）进行校准，所述热敏结构（101）产生校准后的响应信号，并由所述信号读取电路（202）读取后输出。
2.根据权利要求1所述的热敏传感器，其特征在于，所述热敏结构（101）为能够将热信号转换为电信号的结构，所述热敏结构（101）中具有热敏元件（1011），所述热敏元件（1011）为热释电材料、热电阻、热电偶或二极管。
3.根据权利要求1所述的热敏传感器，其特征在于，所述可测性结构（102）为能够将电信号转化为热信号的结构，所述可测性结构（102）中具有电热元件（1022），所述电热元件（1022）为电阻或二极管。
4.根据权利要求1所述的热敏传感器，其特征在于，所述热敏结构（101）和可测性结构（102）独立使用或者两者组合使用。
5.根据权利要求1所述的热敏传感器，其特征在于，所述电激励信号为方波信号、正弦波信号、离散脉冲信号或随机信号。
6.根据权利要求1所述的热敏传感器，其特征在于，所述信号读取电路（202）包括电源、放大电路、滤波电路、模数转换电路和时序控制电路，其中，所述电源用于给所述信号读取电路（202）和热敏结构（101）供电，所述放大电路用于将所述测试信号和响应信号进行放大，所述滤波电路用于对所述测试信号和响应信号进行降噪，所述模数转换电路用于将所述测试信号和响应信号从模拟转化为数字，所述时序控制电路用于控制所述放大电路、滤波电路以及模数转换电路配合工作。
7.根据权利要求1所述的热敏传感器，其特征在于，所述处理单元（30）还包括内嵌于所述处理器（302）中的软件算法，所述软件算法包括测试算法、漂移算法、校准算法、诊断算法和确定算法。
8.一种如权利要求1-7中任意一项所述的热敏传感器的工作方法，其特征在于，所述热敏传感器的工作方法包括：
步骤S1、在控制器（301）的控制下，探测模块（10）具有两种模式：
工作模式，即控制器（301）控制热敏结构（101）在待测环境中产生响应信号，所述响应信号由所述信号读取电路（202）读取后输出；
测试模式，即控制器（301）控制信号激励电路（201）产生电激励信号，使得所述可测性结构（102）接收到所述电激励信号后产生热信号，所述热敏结构（101）在所述热信号的影响下产生测试信号，所述测试信号由所述信号读取电路（202）读取后输出至处理器（302）；
步骤S2、在控制器（301）的控制下，所述处理器（302）对所述测试信号有两种处理方式：
热敏传感器的结构参数提取，即所述测试信号经所述处理器（302）中的测试算法处理以提取出所述热敏传感器的结构参数；
热敏传感器的校正因子提取，即所述测试信号经所述处理器（302）中的漂移算法处理以提取出所述热敏传感器的校正因子；
步骤S3、在控制器（301）的控制下，步骤S2中生成的热敏传感器的结构参数和校正因子，经所述处理器（302）中的确定算法判断其准确性，若所述热敏传感器的结构参数和校正因子均准确，则执行步骤S4；若所述热敏传感器的结构参数和/或校正因子有误，则返回步骤S1；
步骤S4、在控制器（301）的控制下，所述热敏传感器的结构参数和校正因子保存于存储器（303），及所述处理器（302）基于所述热敏传感器的结构参数，利用诊断算法确定所述热敏传感器的状态，若所述热敏传感器被诊断为故障时，进行热敏传感器状态报警；若所述热敏传感器被诊断为正常时，通过反馈调节电路（203）或校准算法依据所述热敏传感器的校正因子对所述工作模式下的热敏结构（101）进行校准，所述热敏结构（101）产生校准后的响应信号，并由所述信号读取电路（202）读取后输出。
9.根据权利要求8所述的热敏传感器的工作方法，其特征在于，所述探测模块（10）的工作模式和测试模式通过时分复用或频分复用进行。
10.根据权利要求8所述的热敏传感器的工作方法，其特征在于，所述确定算法是由保存在所述存储器（303）中的热敏传感器的历史结构参数和历史校准因子确定。
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