CN1253285A - 使用热电堆传感器的温度感测电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种使用热电堆传感器的温度感测电路,其包括:热电堆传感器,用于产生与红外线的入射量相对应的电压;放大装置,用于对该热电堆传感器的输出进行放大;偏移补偿装置,用于对放大装置的偏移进行补偿;以及用于从放大装置的输出中去除偏移补偿装置的输出,以检测出物体真实温度的装置。

Description

使用热电堆传感器的温度感测电路

本发明一般涉及一种使用热电堆传感器的温度感测电路，具体涉及一种使用热电堆传感器，且能够通过考虑其中所含放大器的偏移(offset)的影响而精确检测出温度的温度感测电路。

通常，热电堆传感器是一种能够产生与从某物体射入的红外线的温度和该传感器的周围温度之间温差相对应的电压的装置。通常微波炉烹调室中用于感测食物温度的装置便是此类热电堆传感器。然而，由该种热电堆传感器所检测到的信号的强度均十分微弱，以致于不能将其直接用于对微波炉的烹调过程进行控制。因此，需要将该信号放大到一个合适的能级。

接下来将参照附图对常规温度感测电路进行说明。图1所示为常规温度感测电路的结构图。参照图1，该种常规温度感测电路由温度检测电路70构成，其含有用于产生与从某物体射入的红外线的温度和传感器的周围温度之间的温差相对应的电压值(Vb)的热电堆传感器11，以及用于对热电堆传感器11的输出电压内与周围温度相关的电压Vd的上升和下降量进行补偿的温度放大器12。

温度放大器12包括：用于对热电堆传感器11的输出进行放大的放大器12a，用于对热电堆传感器11的输出电压Vb进行放大并产生补偿电压Vd的温度补偿器12b，用于将放大器12a的输出加到由温度补偿器12b所补偿的电压上的加法器12c，以及用于对加法器12c的输出进行放大以产生温度感测电压Vo的放大器12d。

接下来将对常规温度感测电路的操作进行说明。热电堆传感器11产生与从某物体射入的红外线的温度相对应的电压Va。热电堆传感器11的输出电压Va随其周围温度变化而变化。可以利用排列于热电堆传感器11一侧或其周围的温度补偿装置，如二极管或热敏电阻，对周围温度进行补偿。当温度补偿装置是热敏电阻时，其输出值与阻抗值相对应，而当其是二极管时，其输出值与电压值相对应。

图1所示为其中用二极管作为温度补偿装置时的情况。热电堆传感器11产生与从某物体射入的红外线的温度相对应的电压Va。放大器12a对热电堆传感器11的输出进行放大，而温度补偿器12b则对温度补偿装置(未示出)的输出电压Vb进行放大。加法器12c将放大器12a的输出电压Vc加到温度补偿器12b的输出电压Vd上。于是，加法器12c的输出电压将变成与该物体温度相对应的数值，而其则是通过从热电堆传感器11的输出电压Va中除去热电堆周围温度的影响而求得的。与加法器12c的输出端相连的放大器12d对加法器12c的输出电压进行放大，并将所得数值Vo发送给微电脑80。于是微电脑80便可以根据放大器12的输出电压Vo检测出物体的温度。

然而，上述常规温度感测电路具有如下问题。首先，其需要用于对热电堆传感器的输出进行放大的放大器，以及多个用于对周围温度的变化进行补偿的放大器，从而将会使电路结构过于复杂。另外，其还增加了温度补偿装置和放大器，使其成本升高许多。而且，热电堆传感器的输出电压是与放大器的偏移一起被放大的，所以将不能正确地计算出其真实值，从而使温度检测的精度变差。

因此，本发明目的便在于设计一种使用热电堆传感器的，且能够充分避免由于现有技术的局限性和缺陷所导致的一种或多种问题的温度感测电路。

本发明的一个目的是提供一种使用热电堆传感器，且能够消除放大器的误差从而可以精确地检测出物体真实温度的温度感测电路。

为了实现本发明的目的，其提供了一种使用热电堆传感器的温度感测电路，该电路包括：热电堆传感器，用于产生与红外线入射量相对应的电压；放大装置，用于对热电堆传感器的输出进行放大；偏移补偿装置，用于对放大装置的偏移进行补偿；以及用于从放大装置的输出中去除掉偏移补偿装置的输出以检测出物体真实温度的装置。

根据本发明的一种优选实施例，偏移补偿装置由根据放大装置的偏移值所确定的电阻器的组合构成。放大装置用随周围温度变化而变化的电压作为其参考电压。

其还提供了一种使用热电堆传感器的温度感测电路，该电路包括：热电堆传感器，用于产生与红外线的入射量相对应的电压；周围温度补偿装置，置于该热电堆传感器相邻位置上，用于产生用于去除周围温度影响的补偿电压；放大装置，用于利用周围温度补偿装置所产生的补偿电压作为参考电压，对热电堆传感器的输出进行放大；以及偏移补偿装置，用于根据放大装置的偏移对放大装置的参考电压进行控制。

其中偏移补偿装置被设计成：当放大装置的偏移为负值时，将其阻抗值与放大装置的偏移成比例的电阻器连于放大装置的参考电压接线端与电源接线端之间；当放大装置的偏移为正值时，将其阻抗值与放大装置的偏移成比例的电阻器连于放大装置的参考电压接线端与地接线端之间。

其应被理解的是上述一般性说明和接下来的详细说明均只是示例性和解释性的，其只应被看作是对所权利要求的本发明的进一步说明。

为了提供对本发明的进一步理解而包含于本说明书中并构成其一部分的附图，例示了本发明的多种实施例，其与说明书一起用来对本发明的原理进行解释。

其中：

图1所示为常规温度感测电路的结构图；

图2所示为根据本发明第一实施例的使用热电堆传感器的温度感测电路的结构图；

图3所示为根据本发明第二实施例的使用热电堆传感器的温度感测电路的结构图；

图4所示为图3所示的温度感测电路的一部分的电路图；

图5所示为根据本发明第三实施例的温度感测电路的结构图；

图6所示为根据本发明第四实施例的温度感测电路的结构图；

图7所示为当其偏移阻抗值变化时放大器输出电压的曲线图。

接下来将参照附图中所示的多种示例对本发明的多种优选实施例进行详细地说明。

图2所示为根据本发明第一实施例的使用热电堆传感器的温度感测电路的结构图。参照图2，该种使用热电堆传感器的温度感测电路包括：热电堆传感器10，用于产生与红外线的入射量相对应的电压；放大器20，用于对热电堆传感器10的输出电压进行放大；以及周围温度补偿装置25，用于利用置于热电堆传感器10的相邻位置上的温度补偿装置(例如，热敏电阻15)产生用于去除周围温度影响的补偿电压Vth，并将该补偿电压Vth加载到放大器20的输入端上作为其参考电压。

周围温度补偿装置25由多个电阻器和温度补偿装置构成。具体地说，其由串联于电源接线端Vcc与地接线端GND之间的电阻器R1，R2和R3，以及在位于电阻器R1和R2之间的节点V1和位于电阻器R2和R3之间的节点V2之间，与电阻器R2相并联的热敏电阻15和电阻器R4构成。周围温度补偿装置25最小化热电堆传感器10周围温度变化的影响，从而使热电堆传感器10所检测出的温度的误差达到最小。即，周围温度补偿装置25利用热敏电阻15和电阻器R1到R4产生随周围温度变化而变化的参考电压Vth，并将其加载到放大器20上作为参考电压。随后，放大器20根据参考电压Vth对热电堆传感器10的输出电压Vs进行放大及输出。热电堆传感器10的输出电压Vs被加载到放大器20的同相输入端上，而参考电压Vth则通过电阻器R5被加载到反相输入端上。放大器20的输出电压Vo是由如下公式(1)而定：

Vo＝Vs×(1+R6/R5)+Vth    (1)其中Vs是热电堆传感器的输出电压，(1+R6/R5)是放大器20的放大率，而Vth则是与周围温度的变化相对应的补偿电压(参考电压)。因此，放大器20将输出通过将热电堆传感器10的输出Vs乘以放大率，并加上与周围温度相对应的参考电压Vth所得的值。

根据本发明的第一实施例，由于温度感测电路由一个放大器，热电堆传感器和包含有温度补偿装置和电阻器的周围温度补偿装置构成，所以与常规温度感测电路相比，其大大减少了放大器的数目。所以其简化了电路结构并降低了成本，从而增强了产品的价格竞争力。然而，本发明的第一实施例中并没有考虑放大器偏移的问题。而此问题将会使其很难进行精确的温度检测。即，当热电堆传感器10对温度与其周围温度相同的物体进行感测时，热电堆传感器10的输出值Vs将变为“0”。

当把热电堆传感器10的输出值Vs代入到公式(1)中时，放大器20的输出电压Vo将变为Vo＝0×(1+R6/R5)+Vth。因此，放大器20的理想输出电压Vo必须是Vth。然而，由于放大器具有偏移，所以放大器20的实际输出电压值将不会等于Vth。例如，当对其温度与周围温度相等的物体进行感测时，在放大器20的放大率为4000，偏移电压为50μV，而参考电压Vth为1.6V的情况下，放大器20的输出电压Vo理论上应该是1.6V。然而，由于放大器20存在偏移，所以输出电压将存在200mV(＝4000×50μV)的增量。因此，放大器的实际输出电压将变为1.62V。其意味着，当利用热电堆传感器来感测物体的温度时，放大器的电流偏移和电压偏移是十分重要的因素。当放大率如上所述为4000时，则与热电堆传感器的输出相比，由于放大器偏移所产生的误差大约是25％。因此，为了精确地感测温度，需要针对放大器偏移的影响进行特殊的电路设计。

图3所示为根据本发明第二实施例的使用热电堆传感器的温度感测电路的方框图。本发明的第二实施例能够通过考虑放大器偏移的影响而精确检测温度。参照图3，该种温度感测电路包括：第一电路30，用于对热电堆传感器所检测到的信号进行放大；第二电路35，用于产生用于对第一电路30中所包含的放大器的偏移进行控制的信号；以及微电脑40，用于对第一和第二电路30和35的输出进行运算，以检测出与物体温度和热电堆传感器的周围温度之间的温差相对应的电压。

根据本发明第二实施例的温度感测电路对热电堆传感器的输出Vo(其与物体温度和热电堆传感器周围温度之间的温差相对应)进行放大，并将其加载到微电脑40的第一输入上。温度感测电路另外则将用于对偏移进行控制的输出Vo1加载到微电脑40的第二输入上。微电脑40对两个输入信号进行加法或减法运算，并输出最终的检测温度。

图4所示为图3所示的电路的一部分的电路图。参照图4，第一电路30由热电堆传感器32，放大器33和周围温度补偿装置34构成。热电堆传感器32的正接线端与放大器33的同相输入端相连，而其负接线端则与连到放大器33的反相输入端上的参考电压(Vth)端相连。将根据周围温度补偿装置34得到的补偿电压确定为放大器33的参考电压Vth。即，参考电压Vth是利用由电阻器和热敏电阻所构成的周围温度补偿装置34来确定的。

如图4所示，周围温度补偿装置34被设计成，电阻器R1，R2和R3被串联在电源接线端Vcc和地接线端GND之间，而热敏电阻31和电阻器R4则被串联在位于电阻器R1和R2之间的节点V1与位于电阻器R2和R3之间的节点V2之间。由热敏电阻31和电阻器R1，R2，R3和R4确定与热电堆传感器32周围温度的变化相对应的参考电压Vth，并通过电阻器R5将所确定的参考电压Vth加载到放大器33的反相输入端上。放大器33的输出端通过电阻器R6与放大器33的反相输入端相连。而放大器33的输出Vo则被加载到微电脑40的第一输入上。

接下来对如上所述的第一电路30的操作进行说明。热电堆传感器32产生与从某物体射入的红外线的温度与热电堆传感器32的周围温度之间的温差相对应的电压。热电堆传感器32的输出Vs被加载到放大器33的同相输入端上。放大器33将由热敏电阻31和电阻器R1，R2，R3和R4所确定的电压用作参考电压Vth。参考电压Vth是由其阻抗值随其周围温度变化而变化的热敏电阻31和电阻器R1，R2，R3和R4确定的。这意味着参考电压将随周围温度变化而变化。

将随周围温度变化而变化的参考电压Vth加载到放大器33的反相输入端上。放大器33根据参考电压Vth以其值等于(1+R6/R5)的放大率对热电堆传感器32的输出电压Vs进行放大。换句话说，当在放大器33中进行放大操作时，由于电流和电压偏移(α)的影响，放大器33的实际输出Vo并不是由公式(1)所确定的值。即，放大器33的实际输出信号将变为由公式(1)所确定的值Vo’和偏移(α)的和。将放大器33的输出信号(Vo’+α)加载到微电脑40的第一输入上。

产生用于对偏移进行控制的信号的第二电路35由连在电源接线端Vcc与地接线端GND之间的多个电阻器构成。这些电阻器的连接形式并不固定，其根据放大器33的偏移值(α)可变地配置。例如，当放大器33的偏移值是由根据电阻器R11的电压所确定的时，第二电路35将被配置成只利用电阻器R11来产生用于对偏移进行控制的电压信号。而当该种温度感测电路需要由全部4个电阻器R11，R12，R13和R14所确定的电压Vol作为偏移控制电压时，第二电路35的配置形式将如图4所示。

第二电路35的偏移控制输出信号是以如下方式来确定的。首先，当热电堆传感器32对温度等于其周围温度的物体进行检测时，热电堆传感器32两个接线端之间的电压Vs将为“0”。当把值“0”代入到公式(1)中时，放大器33的输出电压Vo将变为Vo＝0×(1+R6/R5)+Vth。因此，理想放大器33的输出电压Vo将仅由参考电压Vth而定。然而，放大器33的输出电压Vo除了参考电压Vth之外还包括偏移电压(α)。随后，针对偏移电压(α)确定第二电路35的输出电压Vol。例如，利用以如图4所示方式配置的4个电阻器R11，R12，R13和R14，根据如表1所示的各种电阻器组合而确定的电压可以将合适的偏移值分为15个等级。

                               表1

R11	R12	R13	R14	R11R12	R11R13	R11R14	R12R13	R12R14	R13R14
										A	B	C	D	E	F	G	H	I	J
R11，R12R13		R11，R12R14		R11，R13R14		R12，R13R14		R11，R12R13，R14
										K		L		M		N		O

在上述组合方式中，将选择与第一电路30中所包含的放大器(33)的偏移值(α)最靠近的一个偏移值相对应的一组电阻器来构建第二电路35。因此，第二电路35将根据所选中的一组电阻器，一直输出相同的偏移控制信号。此处，在将系统发货之前，必须由根据预定偏移值所选中的一组电阻器来构成第二电路35。根据放大器33的偏移，第二电路35可以只由电阻器R11，或如图4所示，由全部4个电阻器R11，R12，R13和R14构成。利用适当选中的一组电阻器，第二电路35可以仅利用电阻器R11输出A，也可以仅利用电阻器R13来输出C。因此，第二电路35能够输出多种具有不同等级的偏移值。这些不同等级的输出值之间应该有一定的差异，以使微电脑40能够识别出各个不同的值。例如，A的电压值大致等于电源电压Vcc，B与地电压GND相对应，而F则对应于(R11×Vcc)/(R11+R13)，从而使微电脑40能够检测出每一个不同的值。微电脑40对从第一电路30输出的放大信号和从第二电路35输出的偏移控制信号进行运算以确定最终的温度。

例如，当放大器33的偏移电压为100mV时，第二电路35将由一组能够产生最接近于100mV电压值的电阻器构成。随后，当对物体温度进行检测时，将从第一电路30的输出中减去第二电路35的输出来判断物体的温度。这样做，将可以通过考虑放大器33偏移的影响来进行精度很高的温度检测。另外，在实现用于产生偏移控制信号的第二电路的过程中，可以利用电阻器的多种组合划分更微小的偏移值，从而可以进行更精确地温度检测。

图5所示为根据本发明第三实施例的温度感测电路的结构图。在此实施例中，其上直接应用放大器50的偏移的偏移电阻器Roff被连在参考电压接线端Vth与地接线端GND之间。参照图5，该种温度感测电路由放大器50，热电堆传感器52，周围温度补偿装置53和偏移补偿装置55构成。

布置在参考电压接线端Vth与地接线端GND之间的偏移补偿装置55根据偏移阻抗值减小由周围温度补偿装置53所确定的参考电压Vth。偏移补偿装置55由其阻抗值与放大器50的偏移阻抗值相对应的电阻器Roff构成。因此，当放大器50存在偏移时，其将控制放大器50的参考电压Vth，从而改变最终的输出。即，放大器50的输出Vo由Vo＝Vs×(1+R6/R5)+Vth而定。其中，由于其包括放大器50的偏移电阻，所以参考电压Vth被设置为低于预定电平的值。因此，可以相应地增大或减小放大器50的偏移，从而能够进行精确的温度检测。

图7所示为当偏移阻抗值发生变化时放大器50的输出电压Vo的曲线图。即使偏移阻抗值Roff发生了变化，图7所示各曲线的温度斜率仍保持不变。图7下方所示的公式代表了各种电压与参考电压Vth之间的关系。图7所示的曲线图便是根据此公式求得的。

当偏移阻抗下降时，参考电压将变得低于预定的电平。因此，如果放大器50的偏移是为正值，则将增加与其成比例的偏移阻抗，以通过偏移阻抗值来降低该参考电压。因此，其将能够实现将放大器50偏移的影响考虑在内的电路设计。另外，当需要根据放大器的偏移控制参考电压升高或下降时，则将通过设置一个任意阻抗来事先进行调节，而随后再选出与该任意阻抗成比例的合适阻抗。其将使该种温度感测电路对正偏移和负偏移控制进行不同的配置。

图6所示为根据本发明第四实施例的温度感测电路，其中应用了放大器60的偏移的偏移电阻器Roff被连在参考电压接线端Vth与电源接线端Vcc之间。参照图6，该种温度感测电路由放大器60，热电堆传感器62，周围温度补偿装置63和连在参考电压接线端Vth与电源接线端Vcc之间的偏移补偿装置65构成。

偏移补偿装置65由一个其阻抗值与放大器60的偏移阻抗值相对应的电阻器Roff构成。在电源接线端Vcc与参考电压接线端Vth之间增加偏移电阻器Roff将可以对应于该偏移阻抗值来增加参考电压的值。具体地说，偏移控制电阻器Roff，热敏电阻64与电阻器R1之间的并联阻抗将被降低，由此将使参考电压Vth升高。然而，该种热电堆传感器的温度补偿曲线对周围温度的斜率将保持不变。

因此，当放大器60的偏移为负值时，将如图6所示在电源接线端Vcc与参考电压接线端Vth之间选择性地添加偏移电阻器，以允许参考电压Vth包括一个与放大器60的偏移相对应的值。换句话说，可以针对放大器60偏移的影响来对该电路进行设计。如果放大器的偏移较高(正值)，则将如图5所示在参考电压接线端Vth与地接线端GND之间添加偏移电阻器，以将参考电压设置为低于预定电平的值。

另外，根据本发明的另一实施例，可以通过同时添加图5和图6所示的偏移电阻器对放大器的偏移进行控制。具体地说，将第一偏移补偿电阻器连在参考电压接线端Vth与电源接线端Vcc之间，而将第二偏移补偿电阻器连在参考电压接线端Vth与地接线端GND之间，从而使其在放大器的偏移值为负值时，能够通过第一偏移补偿电阻器对参考电压进行调节，而当放大器的偏移为正值时，则能够通过第二偏移补偿电阻器来进行调节。

如上所述，根据本发明的温度感测电路，当其利用热电堆传感器来感测物体的温度时，能够通过对由于偏移值所产生的检测误差进行补偿，精确地检测出热电堆传感器的输出，而不会产生任何失真。

对于本领域的技术人员，很明显在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对根据本发明的使用热电堆传感器的温度感测电路进行多种形式的修正和变型。因此，本发明意欲涵盖包括在附加权利要求及其等价要求的范围内的所有形式的修正和变型。

Claims (13)

1.一种使用热电堆传感器的温度感测电路，包括：

热电堆传感器，用于产生与红外线的入射量相对应的电压；

放大装置，用于对该热电堆传感器的输出进行放大；

偏移补偿装置，用于对放大装置的偏移进行补偿；以及

用于从放大装置的输出中去除偏移补偿装置的输出，以检测出物体真实温度的装置。

2.如权利要求1所述的温度感测电路，其特征在于偏移补偿装置被设计成根据放大装置的偏移值而确定的多个电阻器的组合。

3.如权利要求2所述的温度感测电路，其特征在于偏移补偿装置输出与偏移值相对应的电压值。

4.如权利要求1所述的温度感测电路，其特征在于放大装置将一个随周围温度变化而变化的电压用作参考电压。

5.一种使用热电堆传感器的温度感测电路，包括：

热电堆传感器，用于产生与红外线的入射量相对应的电压；

周围温度补偿装置，置于热电堆传感器的相邻位置上，用于产生用于去除周围温度的影响的补偿电压；

放大装置，用于利用由周围温度补偿装置所产生的补偿电压作为参考电压，对热电堆传感器的输出进行放大；以及

偏移补偿装置，用于根据放大装置的偏移对放大装置的参考电压进行控制。

6.如权利要求5所述的温度感测电路，其特征在于所述偏移补偿装置被设计成当放大装置的偏移为负值时，将一个其阻抗值与该放大装置的偏移成比例的电阻器连在放大装置的参考电压接线端与电源接线端之间。

7.如权利要求5所述的温度感测电路，其特征在于所述偏移补偿装置被设计成当放大装置的偏移为正值时，将一个其阻抗值与该放大装置的偏移成比例的电阻器连在放大装置的参考电压接线端与地接线端之间。

8.如权利要求5所述的温度感测电路，其特征在于周围温度补偿装置由多个串联于电源接线端和地接线端之间的电阻器，以及连在电源接线端与地接线端之间并与所述电阻器相并联的温度补偿装置构成。

9.如权利要求8所述的温度感测电路，其特征在于温度补偿装置是一个热敏电阻。

10.如权利要求8所述的温度感测电路，其特征在于周围温度补偿装置另外包括与温度补偿装置相串联的一个电阻器。

11.一种使用热电堆传感器的温度感测电路，包括：

热电堆传感器，用于产生与红外线的入射量相对应的第一电压；

周围温度补偿装置，用于产生与热电堆传感器的周围温度的变化相对应的第二电压；

放大装置，用于利用该第二电压作为参考电压对第一电压进行放大；以及

偏移补偿装置，包括连在电源接线端与参考电压接线端之间，用于对放大装置的偏移进行补偿的第一偏移补偿器，以及连在参考电压接线端与地接线端之间，用于对放大装置的偏移进行补偿的第二偏移补偿器，该偏移补偿装置根据放大装置的偏移的电平，选择性地利用第一或第二偏移补偿器来对第二电压进行控制。

12.如权利要求11所述的温度感测电路，其特征在于当放大装置的偏移为负值时，第一偏移补偿器包括一个其阻抗值与放大装置的偏移相对应的电阻器。

13.如权利要求11所述的温度感测电路，其特征在于当放大装置的偏移为正值时，第二偏移补偿器包括一个其阻抗值与放大装置的偏移相对应的电阻器。

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