CN117030098B - 一种拥有温度补偿的双压力输出传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压力传感器技术领域，公开了一种拥有温度补偿的双压力输出传感器，包括惠斯通电桥、第一至第四AD转换单元、第一至第二DA转换单元、第一至第二处理单元、第二至第二处理单元和第一至第四放大单元，在实际使用时，本发明通过将惠斯通电桥的桥臂电压作为温度检测信号，将惠斯通电桥的桥臂的中间电压作为压力检测信号，然后依据惠斯通电桥的桥臂电压对传感器的输出进行温度补偿，从而能以更准确的温度来源进行温度补偿，提高检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器技术领域，具体涉及一种拥有温度补偿的双压力输出传感器。
背景技术
在汽车电子、能源开采、航空航天等各种工业控制的领域中，常采用压力传感器进行压力检测。为了提高压力传感器的检测精度，需要消除温度对压力传感器的影响。
目前大多通过硬件方式或者软件方式来消除温度对压力检测精度的影响，其中硬件方式大多通过在惠斯通电桥的桥臂上串并联恒定电阻，在桥臂外并联热敏电阻的方式或者通过双电桥补充技术来进行温度补偿，但是这种补偿方式很难检测到惠斯通电桥的桥臂上的电阻的实际温度，导致补偿结果仍然不准确。另外对于双压力输出传感器来说，如果纯粹用硬件结构进行补偿，则需要更复杂的结构，难实现。对于现有的软件补偿算法，由于其需要在多个温度点和多个压力点进行反复计算，生产周期长，不利于产业化实现。
发明内容
鉴于背景技术的不足，本发明提供了一种拥有温度补偿的双压力输出传感器，通过采集惠斯通电桥的桥臂端的电压进行温度补偿，检测精度更高。
为解决以上技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种拥有温度补偿的双压力输出传感器，包括惠斯通电桥，所述惠斯通电桥包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂上设有第一压力检测点，所述第二桥臂上设有第二压力检测点，所述第一桥臂一端与所述第二桥臂一端电连接，所述第一桥臂另一端为第一温度检测点，分别与可调电阻R1一端和第一AD转换单元电连接，所述可调电阻R1另一端用于接入第一电源，所述第二桥臂另一端为第二温度检测点，分别与可调电阻R2一端和第二AD转换单元电连接，所述可调电阻R2另一端用于与第二电源电连接；
所述第一AD转换单元与第一处理单元电连接，向所述第一处理单元发送第一温度检测信号，所述第一处理单元基于所述第一温度检测信号向第一计算单元输入第一截距值和第一增益值，所述第一处理单元通过第一DA转换单元控制可调电阻R1的阻值；
所述第二AD转换单元与第二处理单元电连接，向所述第二处理单元发送第二温度检测信号，所述第二处理单元基于所述第二温度检测信号向第二计算单元输入第二截距值和第二增益值，所述第二处理单元通过第二DA转换单元控制可调电阻R2的阻值；
所述第一压力检测点通过第三AD转换单元与第一放大单元的输入端电连接，第一放大单元的输出端与第一计算单元电连接，向所述第一计算单元输入第一放大信号，所述第一计算单元基于所述第一放大信号、第一截距值和第一增益值向第二放大单元输入第一计算信号；
所述第二压力检测点通过第四AD转换单元与第三放大单元的输入端电连接，第三放大单元的输出端与第二计算单元电连接，向所述第二计算单元输入第二放大信号，所述第二计算单元基于所述第二放大信号、第二截距值和第二增益值向第四放大单元输入第二计算信号。
在某种实施方式中，本发明还包括第五放大单元，所述第五放大单元与所述第二放大单元电连接，对所述第二放大单元的输出信号进行放大。
在某种实施方式中，本发明还包括第六放大单元，所述第六放大单元与所述第四放大单元电连接，对所述第四放大单元的输出信号进行放大。
在某种实施方式中，所述第一处理单元和第二处理单元按照以下公式对输入的温度检测信号进行处理，T= GT*Vbrg+OT，其中T为计算到的温度，GT为温度增益值，OT为温度截距值。
在某种实施方式中，GT和OT的生成方式如下，获取第一温度T1时对应的温度补偿信号VbrgT1，获取第二温度T2时对应的温度补偿信号VbrgT2，则：
GT=(VbrgT1-VbrgT2)/(T1-T2)；
OT=(T2*VbrgT1-T1*VbrgT2)/(VbrgT1-VbrgT2)。
在某种实施方式中，所述第一计算单元和第二计算单元对输入的放大信号的计算过程如下：
Vout=G*(Vin+O)，其中Vin为输入的放大信号，G为增益值，O为截距值，Vout为输出的计算信号。
在某种实施方式中，增益值G和截距值O的计算公式如下：
首先让第一处理单元通过第一DA转换单元来调整可调电阻R1的阻值，使第一温度检测点的电压为第一电源的一半，让第二处理单元通过第二DA转换单元来调整可调电阻R2的阻值，使第二温度检测点的电压为第二电源的一半；
然后在第一温度T1、第二温度T2和第三温度T3时进行标定，从而获取第一温度T1时对应的增益值GT1和对应的截距值OT1，获取第二温度T2时对应的增益值GT2和对应的截距值OT2，获取第三温度T3对应的增益值GT3和对应的截距值OT3；
接着按照下述公式计算第一增益值G0、第二增益值G1、第三增益值G2、第一截距值O0、第二截距值O1和第三截距值O2，
G0=GT1；
G1={(T3-T1)²*(GT2-GT1)-(T2-T1)²*(GT3-GT1)}/∆；
G2={-(T3-T1)*(GT2-GT1)+(T2-T1)*(GT3-GT1)}/∆；
O0=OT1；
O1={(T3-T1)²*(OT2- OT1)-(T2-T1)²*(OT3- OT1)}/∆；
O2={-(T3-T1)*(OT2- OT1)+(T2-T1)*(OT3- OT1)}/∆；
∆={(T2-T1)*(T3-T1)²-(T3-T1)*(T2-T1)²}；
然后按照如下公式计算增益值G和截距值O，
G=G0+G1*(T-T1)+G2*(T-T1)²，O=O0+O1*(T-T1)+O2*(T-T1)²；其中T为处理单元计算到的温度。
在某种实施方式中，先将标定环境设置在两个压力点大气压力和传感器输出80%满量程的信号的环境中，然后在第一温度T1、第二温度T2和第三温度T3时进行标定。
在某种实施方式中，增益值GT1和截距值OT1的计算方式如下：
在第一温度T1时，调整增益值GT1和截距值OT1的大小，直至传感器的输出符合要求；
增益值GT2和截距值OT2的计算方式如下：
在第二温度T2时，在调整好增益值GT1和截距值OT1的基础上，调整增益值GT2和截距值OT2的大小，直至传感器的输出符合要求；
增益值GT3和截距值OT3的计算方式如下：
在第三温度时，在调整好增益值GT1、截距值OT1、增益值GT2和截距值OT2的基础上，调整增益值GT3和截距值OT3的大小，直至传感器的输出符合要求。
在某种实施方式中，所述第一处理单元还电连接有第一存储单元，所述第一处理单元将对应的第一增益值G0、第二增益值G1、第三增益值G2、第一截距值O0、第二截距值O1、第三截距值O2、增益值G和截距值O存储在第一存储单元中；
所述第二处理单元还电连接有第二存储单元，所述第二处理单元将对应的第一增益值G0、第二增益值G1、第三增益值G2、第一截距值O0、第二截距值O1、第三截距值O2、增益值G和截距值O存储在第二存储单元中。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：本发明通过将惠斯通电桥的桥臂电压作为温度检测信号，将惠斯通电桥的桥臂的中间电压作为压力检测信号，然后依据惠斯通电桥的桥臂电压对传感器的输出进行温度补偿，从而能以更准确的温度来源进行温度补偿，提高检测精度。
附图说明
图1为实施例中本发明的结构示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，一种拥有温度补偿的双压力输出传感器，包括惠斯通电桥1，惠斯通电桥包括第一桥臂和第二桥臂，其中第一桥臂包括电阻R3和电阻R4，第二桥臂包括电阻R5和电阻R6,第一桥臂上设有第一压力检测点(电阻R3与电阻R4电连接的节点)，第二桥臂上设有第二压力检测点（电阻R5和电阻R6电连接的节点），第一桥臂一端与第二桥臂一端电连接，第一桥臂另一端为第一温度检测点（电阻R3未与电阻R4电连接的一端），分别与可调电阻R1一端和第一AD转换单元AD1电连接，可调电阻R1另一端用于接入第一电源，第二桥臂另一端为第二温度检测点（电阻R6未与电阻R5电连接的一端），分别与可调电阻R2一端和第二AD转换单元AD2电连接，可调电阻R2另一端用于与第二电源电连接。
另外电阻R3和电阻R6的阻值随着压力增大而变大，电阻R4和电阻R5的阻值随着压力增大而等量减小，及对于第一桥臂和第二桥臂，两者上的电阻阻值变化量跟随压力的变化相同。
第一AD转换单元AD1与第一处理单元2电连接，向第一处理单元2发送第一温度检测信号，第一处理单元2基于第一温度检测信号向第一计算单元8输入第一截距值和第一增益值，第一处理单元2通过第一DA转换单元DA1控制可调电阻R1的阻值；
第二AD转换单元AD2与第二处理单元3电连接，向第二处理单元3发送第二温度检测信号，第二处理单元3基于第二温度检测信号向第二计算单元9输入第二截距值和第二增益值，第二处理单元3通过第二DA转换单元DA2控制可调电阻R2的阻值；
第一压力检测点通过第三AD转换单元AD3与第一放大单元6的输入端电连接，第一放大单元6的输出端与第一计算单元8电连接，向第一计算单元8输入第一放大信号，第一计算单元8基于第一放大信号、第一截距值和第一增益值向第二放大单元10输入第一计算信号；
第二压力检测点通过第四AD转换单元AD4与第三放大单元7的输入端电连接，第三放大单元7的输出端与第二计算单元9电连接，向第二计算单元9输入第二放大信号，第二计算单元9基于第二放大信号、第二截距值和第二增益值向第四放大单元11输入第二计算信号。
本实施例中，可调电阻R1和可调电阻R2的阻值不受温度变化影响。在实际使用时，通过调整可调电阻R1的阻值和可调电阻R2的阻值可以补偿惠斯通电桥上的电阻在生产上的散差，使惠斯通电桥输出的电压在可控范围内，进而让本发明在理想范围电压内工作。
本实施例中，第二放大单元10还输入有第一基准电压Vref1，第二放大单元基于第一基准电压Vref1和第一计算信号的差值输出信号；第四放大单元11还输入有第二基准电压Vref2，第四放大单元11基于第二基准电压Vref2和第二计算信号的差值输出信号。
另外，在图1中，本发明还包括第五放大单元12，第五放大单元12与第二放大单元10电连接，对第二放大单元10的输出信号进行放大。在实际使用时，第五放大单元12用于在第二放大单元10无法满足输出要求时进行放大，尤其是工程机械中为满足三倍脉冲压力后产品功能不受影响，需要增加承载压力膜片厚度，而这会导致惠斯通电桥的敏感度降低，此时就需用第五放大单元进行放大。
同样的，本发明还包括第六放大单元13，第六放大单元13与第四放大单元11电连接，对第四放大单元11的输出信号进行放大。在实际使用时，第六放大单元13用于在第四放大单元11无法满足输出要求时进行放大。
本实施例中，第一处理单元2和第二处理单元3按照以下公式对输入的温度检测信号进行处理，T= GT*Vbrg+OT，其中T为计算到的温度，GT为温度增益值，OT为温度截距值。
首先需要知道的是，第一温度检测点和第二温度检测点的电压相对温度为接近线性变化，因此GT和OT的生成方式如下，获取第一温度T1时对应的温度补偿信号VbrgT1，获取第二温度T2时对应的温度补偿信号VbrgT2，则：
GT=(VbrgT1-VbrgT2)/(T1-T2)；
OT=(T2*VbrgT1-T1*VbrgT2)/(VbrgT1-VbrgT2)。
本实施例中，第一计算单元2和第二计算单元3对输入的放大信号的计算过程如下：
Vout=G*(Vin+O)，其中Vin为输入的放大信号，G为增益值，O为截距值，Vout为输出的计算信号。
具体地，增益值G和截距值O的计算公式如下：
首先让第一处理单元2通过第一DA转换单元DA1来调整可调电阻R1的阻值，使第一温度检测点的电压为第一电源的一半，让第二处理单元3通过第二DA转换单元DA2来调整可调电阻R2的阻值，使第二温度检测点的电压为第二电源的一半；
然后在第一温度T1、第二温度T2和第三温度T3时进行标定，从而获取第一温度T1时对应的增益值GT1和对应的截距值OT1，获取第二温度T2时对应的增益值GT2和对应的截距值OT2，获取第三温度T3对应的增益值GT3和对应的截距值OT3；
接着按照下述公式计算第一增益值G0、第二增益值G1、第三增益值G2、第一截距值O0、第二截距值O1和第三截距值O2，
G0=GT1；
G1={(T3-T1)²*(GT2-GT1)-(T2-T1)²*(GT3-GT1)}/∆；
G2={-(T3-T1)*(GT2-GT1)+(T2-T1)*(GT3-GT1)}/∆；
O0=OT1；
O1={(T3-T1)²*(OT2- OT1)-(T2-T1)²*(OT3- OT1)}/∆；
O2={-(T3-T1)*(OT2- OT1)+(T2-T1)*(OT3- OT1)}/∆；
∆={(T2-T1)*(T3-T1)²-(T3-T1)*(T2-T1)²}；
然后按照如下公式计算增益值G和截距值O，
G=G0+G1*(T-T1)+G2*(T-T1)²，O=O0+O1*(T-T1)+O2*(T-T1)²；其中T为处理单元计算到的温度。
在本实施例中，先将标定环境设置在两个压力点大气压力和传感器输出80%满量程的信号的环境中，然后在第一温度T1、第二温度T2和第三温度T3时进行标定。在实际使用时，通过在两个压力点大气压力和传感器输出80%满量程的信号的环境中进行标定，可以使本发明满量程在不同温度下相对125摄氏度的增益相同。
本实施例中，当第一温度检测点的电压为第一电源的一半、第二温度检测点的电压为第二电源的一半时，增益值GT1和截距值OT1的计算方式如下：
在第一温度T1时，调整增益值GT1和截距值OT1的大小，直至传感器的输出符合要求；
增益值GT2和截距值OT2的计算方式如下：
在第二温度T2时，在调整好增益值GT1和截距值OT1的基础上，调整增益值GT2和截距值OT2的大小，直至传感器的输出符合要求；
增益值GT3和截距值OT3的计算方式如下：
在第三温度时，在调整好增益值GT1、截距值OT1、增益值GT2和截距值OT2的基础上，调整增益值GT3和截距值OT3的大小，直至传感器的输出符合要求。
其中可以提前获取传感器的理想输出曲线，通让传感器在第一温度T1、第二温度T2和第三温度T3时的输出是否在理想输出曲线上来判断传感器的输出是否符合要求。
本实施例中，第一处理单元2还电连接有第一存储单元4，第一处理单元2将对应的第一增益值G0、第二增益值G1、第三增益值G2、第一截距值O0、第二截距值O1、第三截距值O2、增益值G和截距值O存储在第一存储单元4中；
第二处理单元3还电连接有第二存储单元5，第二处理单元3将对应的第一增益值G0、第二增益值G1、第三增益值G2、第一截距值O0、第二截距值O1、第三截距值O2、增益值G和截距值O存储在第二存储单元5中。
在实际使用时，第一存储单元4和第二存储单元5可以依据实际需求来选择对应的存储器。
综上，本发明通过将惠斯通电桥1的桥臂电压作为温度检测信号，将惠斯通电桥1的桥臂的中间电压作为压力检测信号，然后依据惠斯通电桥1的桥臂电压对传感器的输出进行温度补偿，从而能以更准确的温度来源进行温度补偿，提高检测精度；另外在传感器的生产过程中，仅需在三个温度点进行标定，校准点数少，从而能减少生产周期，提高生产效率。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语不代表任何顺序，数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“一端”、“另一端”仅表示相对的位置关系，当被描述的对象的绝对位置关系改变后，则该想对应的位置关系也相应的改变。另外文中所讲的“至少一个”包括一个、两个或两个以上。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (6)
1.一种拥有温度补偿的双压力输出传感器，包括惠斯通电桥，所述惠斯通电桥包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂上设有第一压力检测点，所述第二桥臂上设有第二压力检测点，所述第一桥臂一端与所述第二桥臂一端电连接，其特征在于，所述第一桥臂另一端为第一温度检测点，分别与可调电阻R1一端和第一AD转换单元电连接，所述可调电阻R1另一端用于接入第一电源，所述第二桥臂另一端为第二温度检测点，分别与可调电阻R2一端和第二AD转换单元电连接，所述可调电阻R2另一端用于与第二电源电连接；
所述第一AD转换单元与第一处理单元电连接，向所述第一处理单元发送第一温度检测信号，所述第一处理单元基于所述第一温度检测信号向第一计算单元输入第一截距值和第一增益值，所述第一处理单元通过第一DA转换单元控制可调电阻R1的阻值；
所述第二AD转换单元与第二处理单元电连接，向所述第二处理单元发送第二温度检测信号，所述第二处理单元基于所述第二温度检测信号向第二计算单元输入第二截距值和第二增益值，所述第二处理单元通过第二DA转换单元控制可调电阻R2的阻值；
所述第一压力检测点通过第三AD转换单元与第一放大单元的输入端电连接，第一放大单元的输出端与第一计算单元电连接，向所述第一计算单元输入第一放大信号，所述第一计算单元基于所述第一放大信号、第一截距值和第一增益值向第二放大单元输入第一计算信号；
所述第二压力检测点通过第四AD转换单元与第三放大单元的输入端电连接，第三放大单元的输出端与第二计算单元电连接，向所述第二计算单元输入第二放大信号，所述第二计算单元基于所述第二放大信号、第二截距值和第二增益值向第四放大单元输入第二计算信号；
所述第一处理单元和第二处理单元按照以下公式对输入的温度检测信号进行处理，T=GT*Vbrg+OT，其中T为计算到的温度，GT为温度增益值，OT为温度截距值，Vbrg为温度检测信号；
GT和OT的生成方式如下，获取第一温度T1时对应的温度补偿信号VbrgT1，获取第二温度T2时对应的温度补偿信号VbrgT2，则：
GT=(VbrgT1-VbrgT2)/(T1-T2)；
OT=(T2*VbrgT1-T1*VbrgT2)/(VbrgT1-VbrgT2)；
所述第一计算单元和第二计算单元对输入的放大信号的计算过程如下：
Vout=G*(Vin+O)，其中Vin为输入的放大信号，G为增益值，O为截距值，Vout为输出的计算信号；
增益值G和截距值O的计算公式如下：
首先让第一处理单元通过第一DA转换单元来调整可调电阻R1的阻值，使第一温度检测点的电压为第一电源的一半，让第二处理单元通过第二DA转换单元来调整可调电阻R2的阻值，使第二温度检测点的电压为第二电源的一半；
然后在第一温度T1、第二温度T2和第三温度T3时进行标定，从而获取第一温度T1时对应的增益值GT1和对应的截距值OT1，获取第二温度T2时对应的增益值GT2和对应的截距值OT2，获取第三温度T3对应的增益值GT3和对应的截距值OT3；
接着按照下述公式计算第一增益值G0、第二增益值G1、第三增益值G2、第一截距值O0、第二截距值O1和第三截距值O2，
G0=GT1；
G1={(T3-T1)²*(GT2-GT1)-(T2-T1)²*(GT3-GT1)}/∆；
G2={-(T3-T1)*(GT2-GT1)+(T2-T1)*(GT3-GT1)}/∆；
O0=OT1；
O1={(T3-T1)²*(OT2- OT1)-(T2-T1)²*(OT3- OT1)}/∆；
O2={-(T3-T1)*(OT2- OT1)+(T2-T1)*(OT3- OT1)}/∆；
∆={(T2-T1)*(T3-T1)²-(T3-T1)*(T2-T1)²}；
然后按照如下公式计算增益值G和截距值O，
G=G0+G1*(T-T1)+G2*(T-T1)²，O=O0+O1*(T-T1)+O2*(T-T1)²；其中T为处理单元计算到的温度。
2.根据权利要求1所述的一种拥有温度补偿的双压力输出传感器，其特征在于，还包括第五放大单元，所述第五放大单元与所述第二放大单元电连接，对所述第二放大单元的输出信号进行放大。
3.根据权利要求1所述的一种拥有温度补偿的双压力输出传感器，其特征在于，还包括第六放大单元，所述第六放大单元与所述第四放大单元电连接，对所述第四放大单元的输出信号进行放大。
4.根据权利要求1所述的一种拥有温度补偿的双压力输出传感器，其特征在于，先将标定环境设置在两个压力点大气压力和传感器输出80%满量程的信号的环境中，然后在第一温度T1、第二温度T2和第三温度T3时进行标定。
5.根据权利要求4所述的一种拥有温度补偿的双压力输出传感器，其特征在于，
增益值GT1和截距值OT1的计算方式如下：
在第一温度T1时，调整增益值GT1和截距值OT1的大小，直至传感器的输出符合要求；
增益值GT2和截距值OT2的计算方式如下：
在第二温度T2时，在调整好增益值GT1和截距值OT1的基础上，调整增益值GT2和截距值OT2的大小，直至传感器的输出符合要求；
增益值GT3和截距值OT3的计算方式如下：
在第三温度时，在调整好增益值GT1、截距值OT1、增益值GT2和截距值OT2的基础上，调整增益值GT3和截距值OT3的大小，直至传感器的输出符合要求。
6.根据权利要求1所述的一种拥有温度补偿的双压力输出传感器，其特征在于，所述第一处理单元还电连接有第一存储单元，所述第一处理单元将对应的第一增益值G0、第二增益值G1、第三增益值G2、第一截距值O0、第二截距值O1、第三截距值O2、增益值G和截距值O存储在第一存储单元中；
所述第二处理单元还电连接有第二存储单元，所述第二处理单元将对应的第一增益值G0、第二增益值G1、第三增益值G2、第一截距值O0、第二截距值O1、第三截距值O2、增益值G和截距值O存储在第二存储单元中。
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